淺論科學思維水平等級及教學運用

安徽

科學思維是學科核心素養的重要內容，本質是利用科學思維方式認識生物世界和解決生物學問題。科學思維不僅存在于科學家的頭腦中，普通學生也應具有科學思維。高中生物課堂是適合開展科學思維教學的平臺，教師要將科學思維不同水平等級的培養融入實際教學中，并在學業質量檢測中考查學生的科學思維水平，逐步培養具有理性思維、科學審視世界能力的社會人。

一、科學思維在核心素養和學業質量水平中的比較

《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》（以下簡稱《課程標準》）對生物學科學思維在學業質量水平和核心素養中的水平等級做出了具體描述，這為教師培養與塑造學生科學思維提供了依據和標準。《課程標準》中對科學思維的水平等級劃分是頂層設計，具有高度概括性和指導性。科學思維可通過學業質量水平檢測和體現，學業質量水平讓核心素養成為能夠衡量的抓手。科學思維在核心素養和學業質量水平中均劃分為四個水平，兩者的不同層次體現一一對應的關系。核心素養的四個水平重點是在培養學生品格與能力方面做了不同層次的要求和規范，學業質量水平的四個水平重點在教學評價和核心素養檢測中做了詳細說明，學業質量水平中的二級水平是合格性考試的標準，而四級水平是等級性考試的標準。一線教師需認真研究學業質量水平與核心素養的關系，掌握科學思維不同水平的具體體現，讓科學思維在教學中得到充分訓練，在考試評價中高質量體現與落實。

二、科學思維水平等級的關系及教學運用初探

科學合理地劃分科學思維可準確反映生物學課程學習的深度和廣度。科學思維不同水平的差異主要表現為在不同復雜程度的情境中運用各種重要概念思考和解決問題的程度，水平從低到高具有遞進關系。一、二級水平涉及的大概念、方法僅限于必修課程內容，解決問題的情境及思考問題的層次相對較低。三、四級水平涉及的大概念、方法包括必修課程和選擇性必修課程等內容，同時解決問題的情境相對復雜，思考問題和解決問題層次要求較高。

1.一級水平：認同概念形成過程、運用概念解釋簡單生命現象

生物學中的核心概念如定律、定理和規律等是人類科學思維的產物，形成這些概念需要通過歸納、分析、比較、演繹、綜合和概括等科學思維過程與方法。科學思維不僅體現在關注概念形成結果，也體現在關注概念形成過程。在教學過程中教師需引導學生認識生物學概念的形成過程，區分核心概念的內涵和外延，并運用這些核心概念在簡單情境中解釋生命現象。如在教學中完成“酶”概念教學后，筆者設計了如下簡單情境以訓練學生的科學思維。

【例1】用蛋白酶處理大腸桿菌核糖體，處理后的核糖體仍可催化氨基酸的脫水縮合反應。下列敘述正確的是 （ ）

A.蛋白酶處理后的大腸桿菌核糖體中缺乏合成蛋白質的酶

B.大腸桿菌核糖體中催化氨基酸脫水縮合的酶是一種蛋白質

C.核糖體中催化氨基酸脫水縮合的酶能為合成蛋白質提供能量

D.大腸桿菌核糖體中催化氨基酸脫水縮合的酶由核糖核苷酸組成

【答案】D

【分析】通過提供的實驗情境，學生運用已知的核糖體的成分等知識，比較分析大腸桿菌核糖體在蛋白酶處理前后的功能變化，可歸納出核糖體中催化合成蛋白質的酶不是蛋白質，而是另一種成分——rRNA，并結合課堂上所學關于酶的化學本質和作用等內容，輕松完成此題。運用簡單情境考查學生對生命現象的分析和解釋，滲透比較、分析、歸納和概括等科學思維的實際應用，讓學生在解決問題的過程中形成生物學概念，在運用生物學概念的過程中提升科學思維水平，兩者相得益彰。在實際教學中教師還可通過指導學生閱讀、分析、討論，使學生認同生物學概念的形成需要運用不同科學思維方法進行論證，進而逐步建立較為全面的科學思維模式。

2.二級水平：運用適當方法說明概念內涵，面對爭議運用邏輯推理闡明立場

生物學概念或原理均是科學思維的產物，其建立過程需要運用歸納與概括、演繹與推理等適當方法，并可以用文字或圖示的形式進行表達。在面對有爭議的社會議題時，可通過所學的生物學原理解釋相應的生命現象，并通過邏輯推理闡明個人立場。二級科學思維水平是一級水平的延續與拓展，強調科學思維在學生個體中的具體運用和表達，并能在科學思維指導下逐步理解和建立生物學概念，且能將科學思維轉化為個人在社會中的科學行動指南。如在研究酶的活性及影響因素時，筆者在教學中設計了如下試題以鍛煉學生的科學思維，并讓學生面對疑惑提出自己的見解。

【例2】如圖為研究某種酶在不同溫度（甲組20℃、乙組40℃、丙組60℃）、不同反應時間內對產物濃度（其他條件相同）的影響。下列敘述中正確的是 （ ）

A.設計實驗時需將此酶與底物混合后再設置所需溫度，而后測定產物濃度變化

B.乙組反應體系在t1— t2時間內反應速率不斷下降表明此酶活性不斷下降

C.在t1前若將甲組溫度提高10℃，則甲組酶催化反應的速率將降低

D.若在t2時向丙組反應體系中增加2 倍量底物，則t3時丙組產物總量不變

【答案】D

【分析】曲線或圖表結合呈現的實驗常用來研究酶的活性及影響因素，學生在分析不同溫度下三條曲線的變化時，分析比較出溫度和時間對反應體系中產物濃度的影響，總結歸納出酶的活性、酶的濃度與反應速率的關系。學生基于實驗情境及模型分析，逐步形成了酶的空間結構→酶的活性→活性測定這條關系鏈，并在分析、歸納中升華原理或概念，經過科學思維的形成，對構建的知識原理理解深刻且記憶持久。教學中教師還可引導學生運用科學思維對一些生活或社會議題表達觀點和立場。如加酶洗衣粉應在什么水溫下使用？儲存血液制品應用低溫還是高溫？探究溫度對酶活性的影響宜用淀粉酶還是過氧化氫酶？面對這些問題時，學生便可利用已有的科學思維發表個人見解和觀點，同時在這個過程中強化生物學原理的構建與科學思維的緊密聯系。

3.三級水平：探討、審視或論證生物學問題，通過邏輯推理對社會議題作出決策

科學思維是認識一切事物的本質及事物之間關系的方法，此種方法可運用于生物學各個領域和范疇。科學思維三級水平除要求以文字、圖示或模型等方法研究生物學必修課程和選擇性必修課程外，還要求舉例說明生物工程與技術的原理及其與社會之間的關系，擴大了科學思維的應用范圍。此水平等級增加了運用模型說明生物學概念內涵的方法，彰顯概念模型、物理模型和數學模型在研究生物學問題中的運用。模型運用是一種思維水平較高的認識問題方式，能將抽象、復雜的問題簡單化、形象化和具體化，對學生認知水平和思維品質要求很高。在學習人教版教材選修1 關于“酶的研究與應用”時，筆者設計了如下實驗情境。

【例3】某同學用不同種類的洗衣粉進行了如下實驗，請分析回答相關問題。

實驗一（如表1）：

表1

（1）該實驗的目的是________________________。

（2）上述實驗結果可以得出的結論是________________________。

實驗二：探究復合酶洗衣粉和普通洗衣粉的洗滌效果是否存在差異。實驗設計如表2：

表2

（3）該實驗設計中有一處明顯的錯誤，請指出：_________________。

（4）修改后的實驗最可能的實驗結果是____________________。

（5）推廣使用加酶洗衣粉代替含磷洗衣粉，有利于保護生態環境，這是因為__________________________。

【答案】（1）探究不同洗衣粉在不同溫度下去污力的變化 （2）相同溫度下加酶洗衣粉的去污力比普通洗衣粉高，使用加酶洗衣粉的適宜溫度為45℃左右 （3）對照組設計錯誤，應設計復合酶洗衣粉和普通洗衣粉作為對照 （4）使用復合酶洗衣粉的去污程度大于普通洗衣粉的去污程度 （5）酶具高效性且可被分解，避免水體富營養化

【分析】通過提供兩組關于研究加酶洗衣粉的實驗，讓學生分析、比較數據后推出實驗目的，歸納出實驗結論，再根據實驗目的對已有實驗進行分析、評價并提出解決問題的科學建議。這就需要學生經過深思熟慮后運用科學思維方法進行探討、審視和論證，并通過邏輯推理作出決策。運用科學思維對事物進行多因素、多角度的客觀分析，既要有邏輯推理，又要結合實際情況綜合理解，并作出主觀意志的判斷和決策，體現了科學思維在人類認知方式和解決實際問題中的較高體現，在很大程度上激發了人的思考潛能，提出自己對問題的新見解。

4.四級水平：運用科學思維揭示規律或機制，作出決策并解決問題

科學思維的四級水平是高級水平，強調模型與建模在認識生物學概念和原理中的具體運用。概念本身就是一種模型，而概念的形成過程就是建立模型的過程。此級水平要求學生能熟練運用科學思維方法審視生物新情境，并能揭示生物學規律或機制。這里包含科學思維中的高級方法——批判性思維，要求學生能做出具有目的性和反思性的判斷，批判性思維具有求證、理性、開放、正確評價、審視作出判斷、愿意重新考慮并作出調整等特點。針對復雜的生物學問題，能利用多個相關的生物學大概念或原理形成證據鏈或關系網，通過邏輯推理闡明個人意愿并解決實際問題，這是對科學思維的最終目標提出的最高要求。在教學中筆者通過原創一道有關種子萌發的試題，對學生在提出方案并解決問題方面進行了科學思維訓練。

【例4】某科技小組研究了油菜種子（富含脂肪）和大麥種子（富含淀粉）的萌發過程。請回答下列問題：

（1）科技小組將100 粒油菜種子置于溫度、水分、通氣等條件適宜的環境中培養到10 d（幼苗前），實驗中定期檢測萌發油菜種子的干重變化。實驗發現油菜種子萌發中3— 7 d 間干重增加，這與油菜種子中脂肪水解成______________________有關；萌發至7— 10 d 間干重減少，其原因是________________________________。

（2）為研究大麥種子萌發過程中α-淀粉酶的產生機理，科技小組將多粒大小相似的大麥種子隨機平均分成4 等份（如表3）：

表3

①每組隨機加入多粒大麥種子目的是_________________________。

②綜合分析實驗中1 組、2 組和4 組的實驗結果，可說明______________________________________。

③由實驗結果可知大麥種子產生α-淀粉酶的部位是_________________________________。

（3）科技小組欲利用實驗室中恒溫箱、淀粉、碘液等器具和材料進行實驗，以比較大麥種子在20℃和30℃萌發時α-淀粉酶的催化效果。則科技小組的實驗思路為____________________________________。

【答案】（1）甘油和脂肪酸 油菜種子萌發過程中細胞呼吸消耗有機物導致干重減少 （2）①排除實驗中因種子數量少引起的偶然誤差 ②大麥種子中α-淀粉酶活性與胚產生的赤霉素有關 ③糊粉層 （3）將等量大麥種子分別置于20℃和30℃培養箱中培養若干天，而后取等量的萌發種子分別制成提取液Ⅰ和提取液Ⅱ。取2 支試管甲、乙，分別加入等量的淀粉液，然后再加入等量的提取液Ⅰ和提取液Ⅱ，45℃水浴保溫一段時間，然后立即在2 支試管中分別加入2 mL 碘液，振蕩后觀察顏色變化

【分析】學生在分析表格數據時，通過比較、分析、歸納并總結出影響大麥種子萌發的機理，經過嚴密思考后提出比較大麥種子在不同溫度萌發時α-淀粉酶的催化效果的實驗思路或方案，這是利用科學思維解決實際問題的具體表現。學生最初提出的方案可能是不合理甚至是錯誤的，這時教師需引導學生進一步進行論證或審視，必要時需要查閱資料或實際驗證得出結論，這就需要學生不斷修訂、不斷完善并得出科學的結論，最終解決實際問題并形成新的科學思維成果。

科學思維是學科核心素養的重要內容，也是形成生命觀念的重要途徑和科學探究的重要組成部分。教師厘清科學思維的不同水平等級，并找出四個水平等級的區別、聯系、繼承與拓展，將此滲透到每一節課與每一次教學評價中，真正讓學生形成必備的科學思維品質，從而更好地認識事物和適應復雜的社會生活。