生物學教材習題中科學推理能力的定量分析*

吳金翔 任山章

（杭州師范大學生命與環境科學學院 浙江杭州 311121）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱為“新課程標準”）強調生物學培養學生的四大核心素養：生命觀念、科學探究、科學思維、社會責任。對于科學思維的界定,新課程標準定義為：“是尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，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”［1］。學生需逐步提升自己的科學思維，其中就包括運用推理等方法。而國際上同樣重視學生的科學思維、科學推理，以美國為例，幫助學生理解科學家如何推理、論證以得出科學結論仍是科學教學的中心目標。學生若要通過生物學教育提升科學思維，必須提升科學推理能力。因此，科學推理能力對學生至關重要，是科學論證、探究、發現必須具備的能力。

1 概念界定

科學推理能力（scientific reasoning ability，簡稱SRA），最初是在皮亞杰的認知發展理論中提出的,皮亞杰認為具體階段的學生會發展科學推理能力，最終轉變為形式操作階段［2］。之后不斷有學者對科學推理進行研究，Kwen、Lederman、Stuessy、Lawson 等對科學推理的概念、測量量表等獲得了一定的研究成果。目前未有對科學推理的統一界定，但綜合前人的定義，科學推理基本內涵是個體思維發展到一定高度所具有的、應用于假設檢驗或問題解決的推理類型。現有的科學推理能力測量工具包括：ACT、SRLT 和LCTSR 等。ACT 主要應用于美國中西部各州，SRLT 主要在美國和波蘭使用［3］。而LCTSR 最早于1978年由Lawson 開發，之后不斷發展改進，其將科學推理能力具體分為守恒推理、比例推理、概率推理、相關性推理、控制變量推理、假設演繹推理這6 個維度進行測量［4］。其量表被廣泛使用，Lin Bao 曾使用該量表對中、美兩國學生進行測量，發現雖兩國學生科學知識成績差異較大但科學推理能力無明顯差別，引起國內外廣泛關注與討論［5］。據此本文以Lawson 劃分的科學推理能力6 個維度進行研究。

1.1 守恒推理（conservation reasoning，簡稱CR） 守恒概念最早由皮亞杰提出，認為具體運算階段的兒童能掌握守恒概念而認識到守恒事物的可逆性、補償和同一性,這要求兒童有一定數的基礎，并了解整體與部分之間的關系［6］。對于測量學生守恒推理能力的習題，定義為：題目中具體問題的解決需要推理得出其中守恒的規律。其核心思維過程為：找到已知或題目給出的守恒規律，分析在變化之中始終不變的量或關系,利用其解決問題，得出未知變量。

1.2 比例推理（proportional reasoning，簡稱PR） 皮亞杰將比例推理定義為：“以數學的形式陳述和闡述函數關系”。對于測量學生比例推理能力的習題，定義為：題目中具體問題的解決需要利用一定條件推理得出二者或多者之間的比例關系，或利用已知的比例關系進行推理。其核心思維過程為：利用題目所給的背景等信息，通過計算等途徑得出二者或多者之間的比例關系,并以數學的形式表達以解決問題；或找到題目中所蘊含的比例關系或在已知的比例關系中找到最適的關系，根據比例關系和已知數值推理得到未知數值以解決問題。

1.3 概率推理（probability，簡稱P） 概率的基本定義為,在一定條件下某一現象或事件在其限定范圍內所有現象或事件出現頻次的占比。對于測量學生概率推理能力的習題，定義為：題目中具體問題的解決需要對某一事件的發生概率進行計算推理。其核心思維過程為：利用題目所給出的背景和已知的相關信息，通過判斷、數學計算等得出該事件可能發生的概率。

1.4 相關性推理（relevance reasoning，簡稱RR） 相關性推理是通過事物現象對事物之間是否存在某種依存關系的推理,根據依存關系和確定程度可分為函數關系和相關關系［7］。對于測量學生相關性推理能力的習題，定義為：題目中具體問題的解決，需要利用給出的現象（事件）進行2 個或多個子現象（事件）之間推理是否具有或具有何種相關性。其核心思維過程為：利用題目給出的現象或事件，找出其包含的2 個或多個子現象（事件），觀察找出的子現象（事件），推理其中是否有相關性，有則進一步推理其中具體的相關性，以推理得到的相關性作為依據解決問題。

1.5 控制變量推理（controlling variable，簡稱CV） 皮亞杰將控制變量推理簡單概括為 “其他因素不變”推理，認為具有此能力的兒童能對變量進行識別和控制。對于測量學生控制變量推理能力的習題，定義為：題目中具體問題的解決，需要對2個或多個變量進行控制（對2 個或多個變量進行實驗或實驗設計時，控制多個變量一致，僅研究針對的變量改變）。其核心思維過程為：在題目給出的信息或圖表中找尋2 個或多個變量,根據題目推理出所需要控制的變量，控制多個變量一致，推理分析出單一變量變化時產生的結果,依此解決問題。

1.6 假設演繹推理（deduction，簡稱D） 皮亞杰認為假設演繹推理是形式運算階段的主要特征。Peirce 對演繹進行解釋：對提出的假設，推理其產生各種預測結果,最終的預測結果與實驗結果一致而得以驗證，則支持假設成立［8］。其中就包含了假設演繹推理。對于測量學生假設演繹推理能力的習題，定義為：題目中具體問題的解決，需要在給出的假設基礎上推理其預測結果,或對給出的實驗結果推理其支持的假設。其核心思維過程為：找到題目中的假設或潛在假設,根據已有的實驗設計，推理假設成立的情況下出現的實驗結果；或由給出的實驗結果推理結果出現的原因,得出支持的假設，以這2 種方式解決問題。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象 浙江科學教育出版社依據新課程準標出版的生物學教材（以下簡稱“浙科版新教材”），必修1 和必修2 中每節后的“思考與練習”以習題最小編號的題目為單位，計為一題。

2.2 研究方法 根據以上對科學推理能力各維度所界定的核心概念，對研究對象進行判斷、計算和統計等定量分析，繪制圖表。

2.2.1 科學推理能力及其各維度的測量習題在各范圍內的占比

1）總占比=科學推理能力或其某一維度（SRA或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的測量習題數／（必修1 習題數+必修2 習題數）*100%；

2）必修1 占比=科學推理能力或其某一維度（SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的測量習題數／必修1 習題數*100%；

3）必修2 占比=科學推理能力或其某一維度（SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的測量習題數／必修2 習題數*100%。

2.2.2 各節中測量科學推理能力及其各維度的習題占比 各節SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CVD 占比=各 節SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CVD 的習題數/該節習題數*100%。

3 結果與分析

3.1 科學推理能力及其各維度測量習題占比：總體分析 根據科學推理能力的6 個維度對習題進行分析,科學推理能力及其各維度的測量在習題中的占比如表1。

表1 科學推理能力及其各維度的測量習題中在各范圍內占比

從表1數據可知，總體上有30%以上的習題涉及了SRA 的測量，且必修1 與必修2 兩本教材的占比相當。新教材必修1 未有涉及測量學生PR能力的習題，必修2 習題中未有涉及測量學生CV能力的習題，但總體上看，2 本教材的習題涉及了科學推理能力下所有維度的測量。

這個現象的主要原因在于：

1）必修1 和必修2 因科學內容、概念的劃分，其重點培養的核心素養也有側重與劃分。必修2 中學生才學習遺傳病的概率判斷與計算，而必修1 中沒有任意形式的概率學習，因此必修2 中以遺傳病概率為依托測量學生的概率推理（PR）能力。

2）必修1 中探究實驗較多，且主要集中于必修1，學生能通過探究實驗學習控制變量法，并提升控制變量（CV）推理能力，因此必修1 中對控制變量（CV）推理能力的培養有所側重，在必修2 中未有合適的可依托測量學生控制變量推理能力的內容，但必修2 中沒有設計控制變量（CV）推理能力是不合適的。

必修1 中習題占比最多的是對學生RR 能力的測量，其次是D 能力；必修2 中習題占比最多的也是對學生RR 能力的測量,其次是PR 能力。但相比之下,必修1 中測量學生RR 能力的習題占比高達26%，與其次的相差20%，與必修2 的該類習題占比相差17%，這一現象值得深究。

圖1是根據表1數據所繪制的逆序刻度雷達圖，從圖1中可知，無論以總習題還是必修1、必修2 習題分開來看,其在各維度的測量都是不均勻的,對CV、CR 能力的測量缺乏。除共性外，必修1 對P、PR 能力測量缺乏,必修2 在其他維度測量較為均勻。

圖1 科學推理能力各維度測量習題占比

3.2 科學推理能力及其各維度測量習題占比：以節為單位分點分析 以各節中測量科學推理能力及其各維度的習題占比進行統計，數據如圖2。

圖2 各節測量科學推理能力及其各維度的習題占比

3.2.1 從科學推理能力占比最高峰分析 由圖2可知：必修2 第1 章第2 節的習題是SRA 測量占比最高的，該節中測量RR 能力最多，其次是PR，再次是P。這一現象與該節的教學內容相關，該節節標題為：孟德爾從2 對相對性狀的雜交實驗中總結出自由組合定律，新課程標準中這部分內容相關的下位概念為：“闡明有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表型有多種可能，并可由此預測子代的遺傳形狀”。因此在習題設計中，會包含基因型、表型、可能性、子代、遺傳性狀等多個關鍵詞的內容。對該節的具體5 道習題分析可知,有4 道習題涉及表型與基因型之間的關系，依此測量學生的相關性推理（RR）能力；有2 道習題涉及比例,依此測量學生的比例推理（PR）能力；有1 道習題涉及概率計算，依此測量學生的概率推理（P）能力。相關性推理（RR）能力的測量與另2 個能力的測量有重疊的題目,但總體看，5 道習題中有4 道習題涉及對SRA 測量。

3.2.2 從科學推理能力各維度測量習題占比的最高峰分析 由圖2可知：

1）對CR 能力的測量習題占比高峰在必修1第1 章第2 節，達20%。該節的節標題為：生物大分子以碳鏈為骨架，具體涉及生物有機大分子，例如：糖類、油脂、蛋白質、DNA、RNA 的結構、功能等內容。在該節5 道習題中，有1 道習題測量學生的CR 能力,該題以蛋白質的結構變化為依托進行測量。

2）對PR 能力的測量習題占比高峰在必修2第3 章第3 節，超過40%。該節的節標題為：DNA通過復制傳遞遺傳信息。該節測量PR 能力的習題均與DNA 標記實驗有關，該實驗主要為同位素標記DNA，經歷n 代復制后，帶有同位素與無同位素的DNA 之比,以探究DNA 是以何種方式復制，因實驗的內容，測量PR 能力是合適的。

3）對P 能力的測量習題占比高峰在必修2第4 章第4 節，接近70%。該節的節標題為：人類遺傳病是可以檢測和預防的,該節6 道習題中，4道涉及P 能力測量，這些題目中，涉及患病風險、概率的預測判斷或計算。此現象原因主要是：與其他節相比，該節內容涉及風險概率的評估較多，能夠測量P 能力的依托內容較多。

4）對RR 能力的測量習題占比高峰在必修2第1 章第2 節，達80%，具體分析見上。

5）對CV 能力的測量習題占比高峰在必修1第3 章第2 節，接近10%。但除了這一節，其他節習題中均未涉及CV 能力的測量。一般而言，CV能力的測量會依托于探究實驗題目之中。縱觀全部習題，為該題型的題目只有3 個，分布在必修1第3 章第1 節、第2 節和必修第4 章第1 節，必修2 無此題型。在此3 個題中，只有第1 題的第1 小題涉及CV 能力測量，是不合適的。

6）對D 能力的測量習題占比高峰在必修2第2 章第3 節，達60%。該節節標題為：性染色體上基因的傳遞和性別相關聯,在該節5 道習題中涉及該能力測量的有3 題，一題為由結果（子代表現型）推理出支持的假設（親本基因型），一題為由假設（親本表型）推理出預測結果（子代表型），一題直接涉及假設演繹推理（由正、反交推理伴性遺傳或由伴性遺傳推理正、反交）。

4 討論與建議

4.1 科學推理能力測量分布有側重 科學推理能力（SRA）的測量需要依托相關的知識內容進行測量，因此其測量的習題分布不均勻，出現集中處和空白處。教材內容結合圖數據分析中可知，概率推理、比例推理、守恒推理等都集中于一個或多個概念中，其測量的展開只能限于此。在表數據也有呈現：概率推理能力僅必修2 有測量的習題，控制變量推理能力僅必修1 有測量的習題,其數據現象的原因之一就在于無依托的相關內容而導致難以設計對科學推理能力各維度的測量。

4.2 相關性推理能力的測量習題最多 相關性推理（RR）本質上是一類科學探究所涉及的推理能力，而科學就是一個探究的過程，這是自然科學的本質與特征之一［9］。而屬于自然科學的生物學也具有這樣的特征，因此該類能力測量習題最多，是由生物學特征所決定的。以必修1 為例，細胞呼吸、光合作用這2 個生物重要的代謝活動，在教材的章節中都重點強調了其效率的影響因素；必修2中，表型與基因型之間的關系同樣被重點討論，是遺傳學的重要內容。

4.3 控制變量推理能力的空白有待填補 控制變量推理（CV）在高中、甚至初中階段科學教育教學中均非常重視。高中階段，不僅強調科學探究中的自變量、因變量，還更多重視無關變量，但學生往往欠缺這方面的認識。除要求學生清晰認知這3 類變量,還要求學生應能在實驗中找到這3 類變量的控制方法［10］。無論是認知還是實踐，這一類的提升都離不開控制變量推理能力的提升，因此習題對這方面測量需要增加,學生能依托此對自身能力有一定認識。可對有探究實驗的習題增加測量控制變量推理能力的小題,可增加探究實驗題目的數量,可將函數相關讀圖題改進為探究實驗題目,可將一自變量一因變量的實驗改為多因素多水平的實驗題目涉及相關測量題目。

4.4 新教材重視科學推理能力，習題為師生提供評價工具 總體來說,新教材的習題涉及科學推理能力下各維度的測量,從習題中可體現教材對學生科學思維中科學推理能力的重視,為教師與學生提供了測量學生科學推理能力的紙筆評價工具，為教師指導、學生自我評價提供了依據。必修1和必修2 對科學推理能力各維度的測量各有側重,教師可依據研究內容與結果,對重點涉及章節，著重指導學生提升相應的科學推理能力。