基于證據(jù)-推理的高中生物學(xué)學(xué)習(xí)

許桂芬 卞祖華

（福建省廈門第一中學(xué) 福建廈門 361003）

生物學(xué)是基于充分證據(jù)支持的結(jié)論豐富的學(xué)科理論體系，包括了人類認(rèn)識自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過程。初中生物學(xué)知識以形象直觀的具體內(nèi)容為主，適合初中生的認(rèn)知規(guī)律；高中生物學(xué)知識的深度和廣度均加大，對邏輯思維能力提出更高的要求。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確提出：高中生物學(xué)課程是初中生物學(xué)課程的延續(xù)和拓展，其精要是展示生物學(xué)的基本內(nèi)容，反映自然科學(xué)的本質(zhì)。它既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法。高中生物學(xué)課程要求學(xué)生主動地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中學(xué)習(xí)。

因此，為了完成高中生物學(xué)課程目標(biāo)，教師需要培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，鍛煉學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行邏輯推理的科學(xué)思維方式，引導(dǎo)學(xué)生分析、思考生命現(xiàn)象背后的科學(xué)本質(zhì)，嘗試用事實證據(jù)或?qū)嶒炞C據(jù)做出合理的解釋，形成科學(xué)合理的觀點或概念，并應(yīng)用這些觀點或概念來解決新情境或特定情境的問題。當(dāng)然，學(xué)生要學(xué)好高中生物學(xué)還需要一些必備的初中生物學(xué)知識，如動物和植物的個體發(fā)育過程，生物體結(jié)構(gòu)的基本層次，動物和植物的基本組織種類等內(nèi)容。

闡明科學(xué)本質(zhì)、解釋科學(xué)現(xiàn)象、解決新情境問題均需要通過紙筆呈現(xiàn)出來，因此學(xué)生需要練就科學(xué)規(guī)范的表述，需要學(xué)習(xí)高中生物教材中對生物學(xué)基本觀點或基本概念精練而準(zhǔn)確的描述。于是，教師需要引導(dǎo)學(xué)生精讀、熟讀生物學(xué)教科書，自主構(gòu)建生物學(xué)概念網(wǎng)絡(luò)，并嘗試應(yīng)用于解決新情境問題。

1 教師要培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)開展邏輯推理的能力

1.1 證據(jù)的定義

證據(jù)是任何問題研究和主張推斷時必須引用的事實數(shù)據(jù)；顯示觀察或測量現(xiàn)象隨時間的變化趨勢，顯示不同目標(biāo)或組別之間的差異、不同變量之間的差異。在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)尋找證據(jù)。例如，在學(xué)習(xí)《必修1·分子與細(xì)胞》的“細(xì)胞中的糖類和脂質(zhì)”時，教師要引導(dǎo)學(xué)生提供事實證據(jù)和實驗證據(jù)，解釋糖類是能源物質(zhì)：

①事實證據(jù)：當(dāng)人患急性腸炎時，往往采取靜脈輸液治療，輸液中含有葡萄糖。葡萄糖可為病人的生命活動提供能量（營養(yǎng)）。

②實驗證據(jù)：科研和制藥等領(lǐng)域進(jìn)行體外動物細(xì)胞培養(yǎng)時，絕大多數(shù)情況下培養(yǎng)基中會加入葡萄糖。葡萄糖能為體外細(xì)胞分裂和生長提供能量（營養(yǎng)）。

③解釋支持：因為葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)被氧化分解，能放出大量的能量。

1.2 基于證據(jù)開展邏輯推理的能力的培養(yǎng)

基于證據(jù)和邏輯開展科學(xué)推理提倡學(xué)生親歷知識和概念的建構(gòu)過程，從中領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法，并發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)要回歸生物學(xué)知識形成的本真過程——“提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律”過程。

例如，教師教學(xué)時呈現(xiàn)動物行為學(xué)家廷伯根研究黑頭鷗的實例，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)推理的過程：1973年，廷伯根因?qū)游镄袨檠芯孔鞒鲐暙I(xiàn)而獲得諾貝爾獎。廷伯根觀察發(fā)現(xiàn)黑頭鷗一個有趣而奇特現(xiàn)象，當(dāng)雛鷗從蛋殼中孵出后不久，親鳥便小心把蛋殼殘片用喙撿起，然后飛到遠(yuǎn)離鳥巢的地方將其扔掉。

教師引導(dǎo)學(xué)生針對廷伯根的觀察，提出問題：①成年鷗為什么要把破蛋殼從巢中移走呢?②成年鷗如何把破蛋殼從巢中移走呢?兩個問題分別涉及“進(jìn)化機(jī)制”和“移走機(jī)制”。科學(xué)家關(guān)注其中“進(jìn)化機(jī)制”的問題。再引導(dǎo)學(xué)生就“進(jìn)化機(jī)制”的問題，作出假設(shè)：破卵殼更吸引捕食者（如烏鴉和銀鷗），隨破卵殼增加，被捕食概率增加。

接著，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗驗證假設(shè)（表1）。

表1 實驗設(shè)計

教師提供資料：廷伯根進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，蛋殼的外面呈雜色，內(nèi)面呈白色。于是，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這一信息，改善方案1的自變量設(shè)置：把黑頭鷗蛋等量分成兩組，一組蛋保持自然雜色，另一組蛋都被涂上醒目白色（即蛋殼內(nèi)面顏色）。然后分散放在養(yǎng)鷗場所沙灘上。廷伯根從隱蔽處觀察沙丘數(shù)天，并記錄烏鴉對2種蛋的捕食率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，69枚白色蛋被取食43枚，同樣數(shù)量雜色蛋只被取食13枚。由此可以得出結(jié)論，巢內(nèi)白色蛋殼會增加雛鷗的被捕食率，需要移走。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：破蛋殼扔多遠(yuǎn)才安全？學(xué)生需要繼續(xù)完善實驗方案加以探究：把一些完整的天然雜色蛋分散地放置在沙地上，然后再把一些破蛋殼放在離完整蛋不同的距離處（分別是15 m、100 m和200 m）。廷伯根發(fā)現(xiàn)破蛋殼與完整蛋之間的距離越遠(yuǎn)，完整蛋被捕食可能性就越小（表2）。于是，他得出結(jié)論：①鳥巢附近出現(xiàn)破卵殼會增加卵被捕食率。②迫使黑頭鷗形成移走破卵殼減少鳥巢被烏鴉捕食行為習(xí)慣。

表2 蛋殼臨近性對烏鴉捕食蛋的影響

在跟隨廷伯根研究黑頭鷗的實例中，學(xué)生領(lǐng)悟到：觀察現(xiàn)象→提出問題→尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)→發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程就是概念建構(gòu)或觀點形成的過程。當(dāng)學(xué)生能通過自主設(shè)計實驗方案獲取證據(jù)，并能在證據(jù)和觀點之間建立起科學(xué)合理的關(guān)系，能用證據(jù)解釋支持觀點，則逐漸養(yǎng)成基于證據(jù)開展邏輯推理的能力。

1.3 高中生物教材中的大概念是依托證據(jù)支持建構(gòu)起來的

普通高中生物學(xué)課程是以生物學(xué)大概念為框架構(gòu)建出的“少而精”的課程內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)采用了“大概念”“重要概念”“次位概念”的陳述方式。其中，大概念也稱核心概念，重要概念是對大概念的支持和具體描述，次位概念是形成重要概念和大概念的基礎(chǔ)。大概念的建構(gòu)過程需要以細(xì)碎、具體的事實性知識為基礎(chǔ)，概括提煉為抽象的重要概念和大概念。這些事實性知識就是支持大概念的重要證據(jù)來源。

例如，《必修1·分子與細(xì)胞》模塊共有兩個大概念：概念1“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動的基本單位”；概念2“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖”。其中，概念1的建構(gòu)需要三個證據(jù)支持，每個證據(jù)都需要具體的實驗證據(jù)進(jìn)一步支持，如圖1所示。這些支持證據(jù)對應(yīng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的重要概念和次位概念。

圖1 大概念1的證據(jù)支持

2017版高中生物學(xué)新教材一方面通過“科學(xué)方法”“思維訓(xùn)練”等欄目“教”教師怎么做，另一方面通過課后習(xí)題等欄目及時“檢測”學(xué)生“做”得怎么樣。以《必修1·分子與細(xì)胞》為例，教材精心設(shè)置12個探究·實踐活動，每章節(jié)提供豐富情境素材，如科學(xué)事實、日常生活中與生物學(xué)相關(guān)信息等。這些活動、情境素材都可以成為支持大概念的科學(xué)證據(jù)。同時，教材設(shè)置了歸納法、提出假說、建構(gòu)模型、差速離心法、同位素標(biāo)記法、控制變量和設(shè)計對照實驗、對比實驗等7種科學(xué)方法。這七種方法均是依托證據(jù)建構(gòu)大概念時需要借助的科學(xué)方法。此外，教材還設(shè)置了運用證據(jù)和邏輯評價論點、運用模型作解釋、分析數(shù)據(jù)等3處思維訓(xùn)練，這些思維訓(xùn)練活動開展便是基于證據(jù)開展邏輯推理的具體技能體現(xiàn)。教材的課后習(xí)題同樣非常重視科學(xué)思維等核心素養(yǎng)發(fā)展水平的檢測。故重視并用好新教材是學(xué)好高中生物學(xué)的基本保障。

2 利用思維框架圖強(qiáng)化論證思維，提升解決新情境問題的能力

要使學(xué)生學(xué)會基于證據(jù)開展邏輯推理，最關(guān)鍵在課堂。教師要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)生物學(xué)概念，引導(dǎo)學(xué)生通過尋找證據(jù)、分析證據(jù)以解釋支持概念或觀點。因此，學(xué)生在課堂上一定要緊跟教師的思路，課后及時梳理知識，并積極應(yīng)用所學(xué)知識解決新情境的問題。

2.1 及時整理筆記，構(gòu)建思維框架圖

生物學(xué)科的評價要求以學(xué)科素養(yǎng)考查為導(dǎo)向、以關(guān)鍵能力考查為重點。生物學(xué)科的關(guān)鍵能力包括知識獲取能力、實驗探究能力、解決問題的能力、創(chuàng)新能力。其中，知識獲取能力和解決問題的能力，都要建立在對知識的理解、表達(dá)和應(yīng)用的基礎(chǔ)之上；創(chuàng)新能力，也要根據(jù)試題情境，運用已有知識、能力和素養(yǎng)敏銳發(fā)掘舊事物缺陷，捕捉新事物萌芽的能力。可見，對知識理解的能力訓(xùn)練需貫穿在高中生物學(xué)學(xué)習(xí)的始終。因此，從生物學(xué)學(xué)科知識到學(xué)科能力的形成過程（圖2）的重要環(huán)節(jié)之一是使生物學(xué)知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化乃至網(wǎng)絡(luò)化的整理過程。

圖2 從生物學(xué)知識到學(xué)科能力的形成過程

在高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生要養(yǎng)成積極構(gòu)建思維導(dǎo)圖的習(xí)慣。通過挖掘知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯關(guān)系，將分散的知識點重新編碼、排序，使對知識的掌握由點向面、再向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，以便在解決問題時能迅速有效地提取知識，正確解決問題。例如，學(xué)習(xí)“遺傳物質(zhì)”時，教師要促進(jìn)學(xué)生在精讀課本和整理課堂筆記的基礎(chǔ)上，整理與歸納出思維框架圖（圖3），從而實現(xiàn)生物學(xué)知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化乃至網(wǎng)絡(luò)化。

圖3 遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

2.2 提升解決新情境問題的能力

提升解決新情境問題能力，僅僅停留在構(gòu)建思維導(dǎo)圖上是不夠的，還要適當(dāng)進(jìn)行新情境下各種復(fù)雜問題的規(guī)范作答訓(xùn)練。教師可以對學(xué)生提供以下內(nèi)容訓(xùn)練：

①直指概念或原理的本質(zhì)、經(jīng)過思考后才能作答的試題，如高中生物學(xué)教材的課后習(xí)題、課本旁欄思考題，或教師在課堂精心設(shè)置的問題。

②需要表達(dá)思維狀況和邏輯推理水平的試題。能有效訓(xùn)練理性思維，提升分析和解決問題的能力，如高考真題。

③結(jié)構(gòu)式作答替代填空式作答的試題，如思維框架圖改編成的題目。