全面還原知識的發現過程

王慶東

《義務教育生物學課程標準（2011年）》明確指出：生物學課程期待學生主動地參與學習過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習的能力。

也就是說，在生物學教學中，還原知識發現過程，對促進學生養成理性思維、幫助學生形成積極的科學態度和發展學生終身學習的能力都具有十分重要的意義。

知識發現的過程具有“思維的連續性”和“推理的正確性”等屬性。“思維的連續性”一方面是指知識發現的過程，通常包括基于某個或某些問題情境提出問題、作出假設、制定探究方案、實施探究方案（獲取證據和數據）、處理證據和數據及發現規律等幾個連續的環節；另一方面是指知識發現過程中，從一個環節到另一個環節，要經過環環相扣、層層遞進的連續思維過程。為了方便敘述，下面將前者稱為“環節的完整性”；將后者稱為“思維的連續性”。“推理的正確性”是指知識發現是通過合乎邏輯的推理來實現。

在生物學教學中，還原知識發現過程已是廣大生物學教師共同努力的方向；但是，在還原知識發現的過程中，常有“發現環節缺失”“思維過程中斷”和“推理過程錯誤”等問題，這樣的還原不能發揮其對學生應有的作用，必須予以糾正。

1 避免環節缺失，全面還原發現環節

案例1：在進行“驗證綠葉在光下制造淀粉”的分組實驗時，教師往往讓學生依據教科書提供的實驗步驟進行實驗操作，分析實驗現象，形成“綠葉能在光下制造淀粉”的概念。

案例1還原了實驗方案的實施、實驗現象的分析和發現規律等教學環節，但缺少提出問題、作出假設和設計實驗方案等環節，就缺少了必要的理性思維過程，實驗方案就不是理性思維的產物，這樣進行的實驗操作思維含金量很低，因而不利于學生養成理性思維習慣；案例1能夠發展學生實驗操作能力和抽象概括能力，但不能發展學生發現問題的能力和主動解決問題的能力，因而不利于發展學生終身學習和創新所必要的各種能力。全面還原知識發現過程的各個環節是必要的。

“驗證綠葉在光下制造淀粉”的實驗，除進行實驗操作、分析實驗現象、形成概念外，教師還可以安排下面的教學環節。

（1） 創設問題情境，引導學生提出問題和作出假設。

圍繞“光是影響淀粉制造的因素”，教師可以創設以下問題情境：

要提高農作物的產量，首先要知道影響農作物產量的因素有哪些。某玉米田里有一行東西走向的大樹，大樹南北兩面的玉米明顯長勢不同。比較單株玉米的產量，向陽部分的玉米的單株產量明顯高于背陰部分的玉米的單株產量。玉米的產量與什么因素有關？

基于上面的問題情境，學生會提出“光是影響玉米產量的因素嗎”的問題。

教師在剖開的玉米上滴加碘液，并提出問題：“玉米的主要成分是什么？”

基于這一情境，學生會將上面的問題具體化，提出：“光能影響淀粉的合成嗎？”

圍繞“葉是淀粉制造的場所”，教師可以提示學生“玉米能接受光的結構是什么？”

基于這樣的提示，學生通過推理，能夠提出“葉是淀粉制造的場所嗎”的問題，最終作出“綠葉能在光下制造淀粉”的猜測。

（2） 引導學生設計探究方案。

引導學生設計探究方案，教師可以通過下面的問題進行引導：

要驗證這一假設，應該選擇哪種探究方法？葉內可能含有淀粉，為了增強實驗的說服力，應該采取什么措施？要證明光是影響淀粉制造的因素，為了增強實驗的說服力，應該采取什么措施？

（3） 引導學生應用實驗成果。

引導學生應用實驗成果，教師可以讓學生思考：“根據綠葉能在光下制造淀粉的原理，怎樣才能提高農作物的產量？”

上述三個環節能夠促進學生基于問題情境主動提出問題，并形成主動探究的理性思維習慣，還能夠發展學生創新所需的各種能力。

2 避免思維中斷，還原連續推理過程

案例2：教師出示問題情境：17世紀，比利時科學家范·海爾蒙特設計了一個簡單的實驗。將一棵柳樹苗植入裝有土壤的木桶內，讓樹苗接受陽光照射，并且只用純凈的雨水進行澆灌。5年后，他發現土壤的質量減少了不到100 g，而柳樹的質量增加達到了80 000 g。教師在未作任何提示的情況下，要求學生依據問題情境回答“柳樹生長的原料有哪些”的問題。

案例2還原了知識發現過程中提出問題和作出假設的環節。但是，根據上述問題情境提出問題和作出假設，必須經過幾個環環相扣、層層遞進的思維環節才能實現。初中學生的知識儲備不足和思維能力較薄弱，他們不可能基于上述問題情境提出問題和作出假設。教師出示上述問題情境后，學生往往是根據教學進度和教科書中呈現的教學內容，馬上作出“二氧化碳是柳樹生長的原料”的猜測。這種缺少嚴謹的連續的推理過程，既不利于養成學生理性思維的習慣，也不利于培養學生嚴謹的科學態度。因此還原連續推理過程是必要的。

基于上述問題情境，教師可以設計一系列環環相扣、層層遞進的問題，引導學生進行深入思考。

（1） 土壤由土壤顆粒和溶于水的無機鹽組成。土壤顆粒不溶于水，不能被柳樹吸收。土壤的質量減少了不到100 g，土壤中減少的物質主要是什么？（無機鹽）

（2） 柳樹生長的主要原料一定有什么？（水）

（3） 僅靠水這一種物質柳樹能生長嗎？（不能）

（4） 柳樹生長的原料一定還有另外一種或幾種的物質；這些物質不在土壤中，會在何處呢？（空氣）

（5） 空氣中有氮氣、氧氣和二氧化碳等氣體；其中氧氣是光合作用的產物，哪種氣體會是柳樹生長的原料呢？（氮氣、二氧化碳）

教師通過上述系列問題的引導，降低了學生學習的難度，避免了學生沒有依據的猜測，有利于培養學生嚴謹的科學態度。教師長期堅持這樣的思維訓練，必然促進學生養成理性思維的習慣，提高學生的推理能力。

3 避免邏輯錯誤，還原正確推理過程

案例3：為幫助學生形成“細胞是生命活動的基本單位”的概念，教師通常安排下面的教學環節：提供典型事實“觀察草履蟲對外界刺激的反應”；抽象概括典型事實，形成“單細胞生物的一個細胞能夠完成全部生命活動”的概念；根據該概念，直接作出新的判斷“細胞是生命活動的基本單位”。

“與邏輯關系”和“或邏輯關系”是最基本的兩個邏輯關系。與邏輯關系是指當有關條件A、B、C都具備時，事件F才能發生；或邏輯關系是指當有關條件A、B、C中只要有一個或一個以上具備時，事件F就能發生。

能夠闡明“細胞是生命活動的基本單位”的下位概念和典型事實見表1。

表1中上位概念和下位概念的邏輯關系是“與邏輯關系”，而不是“或邏輯關系”。僅憑“單細胞生物的一個細胞能夠完成全部生命活動”，就得出結論“細胞是生命活動的基本單位”是不夠的，只有同時建立了上下位概念，才能根據下位概念建立上位概念。案例3雖然還原了知識發現過程的主要環節，也還原了連續的推理過程，但推理過程不合邏輯。不合邏輯的推理過程就是錯誤的推理過程。錯誤的推理過程既不利于培養學生嚴謹的科學態度，也不利于學生養成理性思維的習慣，更不利于學生邏輯思維能力的提升。還原正確推理過程是必要的。

還原正確推理過程，教師必須理清知識間內在的邏輯關系。教材為教學提供的資源往往是分散的，例如，能夠支撐“細胞是生命活動的基本單位”的典型事實——“噬菌體必須在細胞內才能完成生殖過程”“多細胞生物的功能與細胞的關系”等就分散在教科書的不同章節中。根據教學的需要，教師必須把分散在不同章節的教學內容進行整合，確保推理過程完整，確保推理過程合乎邏輯。

教師長期堅持嚴謹性的推理訓練，必然促進學生養成理性思維的習慣，提高學生的邏輯思維能力。