例析科學思維的兩條重要原則

操明權

(江蘇省邗江中學 揚州 225009)

科學思維是高中生物學“核心素養(yǎng)”培養(yǎng)的重要任務之一。高中生物學教學中科學思維主要是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。科學思維能力不是與生俱來的，而是需要后天刻苦地學習和訓練。科學思維是有一些原則的，遵守這些原則才能有效地培養(yǎng)科學思維，其中最重要的兩條原則就是休謨公理和奧卡姆剃刀原理。

1 科學思維的總原則——休謨公理

18世紀英國哲學家大衛(wèi)·休謨(David Hume， 1711—1776)在《人類理解研究》一書中提出了科學思維的一條總原則，稱為“休謨公理”。其內容為：“沒有任何證言足以確定一個神跡，除非該證言屬于這樣的情形，其虛假比它力圖確立的事實更為神奇”。也就是“非同尋常的聲明，需要非常確鑿的證據”[1]。

例如，中學生物學科技小組的師生利用小青菜綠葉提取出光合色素，然后在30℃的溫室條件下進行了如下的實驗，以此來探究pH對葉綠素穩(wěn)定性的影響。下列對實驗的敘述錯誤的是：

實驗組號操作步驟 ①②③④色素溶液(mL)3.03.03.03.0pH8.07.06.05.0處理時間10101010溶液顏色綠色綠色黃綠色黃褐色

A. 酸性環(huán)境下的葉綠素可能因穩(wěn)定性較差而被分解

B. 提取色素時加入碳酸鈣可防止研磨中色素被破壞

C. 該實驗結果表明葉綠素在堿性環(huán)境中不會被破壞

D. 紙層析法分離色素后可得出②④兩組出現顏色差異的原因

解析：根據休謨公理，要想探究pH對葉綠素穩(wěn)定性的影響，就要設計科學、嚴謹，具有說服力的實驗來證明之。本實驗設計中，自變量是pH，因變量是溶液顏色。根據表中數據可知，酸性環(huán)境下色素溶液的顏色由綠色變成黃綠色或黃褐色，說明酸性環(huán)境下的葉綠素可能因穩(wěn)定性較差而被分解，A正確。提取色素時加入碳酸鈣，其原理是可防止研磨中葉綠素被破壞，B正確。在pH為7或8的環(huán)境中，色素溶液的顏色均為綠色，但這不能說明葉綠素在堿性環(huán)境中不會被破壞，提取的粗品可能含有其他的物質，沒有做對照實驗，堿性增強時色素可能會被破壞，違背了休謨公理所說的“非同尋常的聲明，需要非常確鑿的證據”，C錯誤。可用紙層析法分離各種色素來分析色素的種類，因此可用紙層析法分析②④兩組出現顏色差異的原因，D正確。故本題參考答案為C。

上述事例說明，科學思維要以事實為依據，不能根據主觀臆測來下結論。對于離奇的說法，理性的做法應該是根據該說法的離奇度來確定相信度，該說法越離奇，則越不應該相信。相信度與離奇度成反比，除非有足夠的令人置信的證據來證明。在高中生物學教材內容中，探究興奮在神經纖維上傳導是雙向的、在神經元之間傳遞是單向的，探究胰島素具有降血糖的作用，探究生長素具有極性運輸的特點，光合作用探索歷程中恩格爾曼和薩克斯的實驗，探究DNA分子半保留復制方式等內容，均是訓練學生科學思維的極好材料。

2 科學思維與奧卡姆剃刀原理

奧卡姆剃刀原理(Occam’s Razor)是由14世紀邏輯學家、圣方濟各會的修士奧卡姆提出的。他所主張的“思維經濟原則”，概括起來就是“如無必要，勿增實體”。因為他叫奧卡姆，人們?yōu)榱思o念他就把這句話稱為“奧卡姆剃刀”[2]。對于科學家，奧卡姆剃刀原理表述形式為：如果你有兩個或多個原理，它們都能解釋觀測到的事實，那么你應該使用簡單或可證偽的那個，直到發(fā)現更多的證據。

奧卡姆剃刀原理是以結果為導向，始終追尋高效簡潔的方法。600多年來，這一原理在科學上得到了廣泛的應用。從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的相對論，奧卡姆剃刀已經成為重要的科學思維理念。在高三生物學教學綜合訓練內容中，也有很多這樣的事例出現，如科學家通過研究種間捕食關系，構建了捕食者—獵物模型，如圖1所示(箭頭所指方向代表曲線變化趨勢)；圖2為相應的種群數量變化曲線，下列敘述錯誤的是：

圖1 捕食—獵物模型

圖2 種群數量變化曲線

A. 圖1所示模型能解釋捕食者和獵物的種群數量均能維持相對穩(wěn)定

B. 圖1曲線變化趨勢反映了生態(tài)系統中普遍存在的負反饋調節(jié)

C. 圖1中①②③④種群數量變化與圖2中abcd依次對應

D. 圖2中P為獵物的種群數量，H為捕食者的種群數量

解析：捕食者—獵物數學模型將復雜的生物種間捕食關系簡潔明了地體現出來。在甲圖中若以捕食者密度為縱坐標、獵物密度為橫坐標、按時間順序作出相位圖，就可以得到一個封閉環(huán)。相位圖表示兩個種群的密度將按封閉環(huán)的軌道逆時針方向無限循環(huán)，其中心點即為平衡點，通過平衡點作互相垂直的線，將相位圖分為4塊，在垂直線右側捕食者種群增加(P1→P2→P3)，在左側減少(P3→P2→P1)；在水平線下面，獵物種群增加(N1→N2→N3)，在上面減少(N3→N2→N1)。因此，洛特卡-沃爾泰拉模型表明獵物——捕食者種群動態(tài)中分為以下4個時期：①獵物增加(N2→N3)，捕食者也增加(P1→P2)；②獵物減少(N3→N2)，捕食者繼續(xù)增加(P2→P3)；③獵物(N2→N1)和捕食者(P3→P2)都減少；④捕食者繼續(xù)減少(P2→P1)，而獵物增加(N1→N2)。

在本題中，據圖1分析，由于負反饋調節(jié)，捕食者和獵物的種群數量均能維持相對穩(wěn)定，A正確。圖1曲線變化趨勢反映了生態(tài)系統中普遍存在的負反饋，即獵物的種群數量增加，捕食者的種群數量也增加，由于捕食者的種群數量增加，導致獵物的種群增長受到抑制，B正確。圖1中①區(qū)域表示獵物種群數量增加引起捕食者的種群數量增加，對應圖2中a；②區(qū)域獵物種群數量減少，捕食者種群數量繼續(xù)增加，對應圖2中b；③區(qū)域表示隨著獵物種群數量的減少，捕食者種群數量減少，對應圖2中的c；④區(qū)域表示捕食者種群數量繼續(xù)減少，而獵物種群數量開始增加，對應圖2中的d，C正確。圖2數量上呈現出“先增加者先減少，后增加者后減少”的變化，屬于捕食關系，因此圖2中P為捕食者的種群數量，H為獵物的種群數量，D錯誤。故本題參考答案為D。

在高中生物學教材內容中，細胞周期的四種常用表示方法、光合作用模型、人體細胞和外界環(huán)境進行物質交換的模型、中心法則表達式、種群增長數學模型、生物種間關系的4種曲線模型和生態(tài)系統能量流動模型等內容，均體現了科學思維表述時簡潔的特點。

總之，科學思維強調的不是該信什么，而是不該信什么和該怎樣去信。科學思維是一種具有很強的懷疑和批判能力的思維，是一種應用概念特別明確的思維，是一種嚴格遵守形式邏輯規(guī)律的思維。在高中生物學教學中，教師應充分挖掘科學思維培養(yǎng)的素材和內容，創(chuàng)設問題情境，讓學生能夠基于生物學事實和證據運用比較與分析、歸納與概括、演繹與推理、模型與建模和批判性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規(guī)律，審視或論證生物學社會議題，從而提升科學思維的能力。

(基金項目：江蘇省教科院“十二五”立項課題“新課程背景下高中有效作業(yè)與教學質量相關性的研究”，No.D/2011/02/160；江蘇省揚州市教科院“十三五”重點課題“高中教師專業(yè)化發(fā)展的途徑與方法的研究”，No.G/16/Z/010)