基于數字技術的高中生物學科學思維培養研究

0 引言

科學思維是促進學生構建生命觀念的重要方式之一，也是高中生物學學科核心素養的重要組成部分。根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的描述，“科學思維是指尊重事實和證據，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”[?？茖W思維作為一種思維習慣，其突出特點是著重對事實和證據的求知。課程目標指出，讓學生通過學習，樹立生命觀念，能夠運用這些觀念認識生命現象，探索生命規律；形成科學思維的習慣，能夠運用已有的生物學知識、證據和邏輯對生物學議題進行思考或展開論證[]。

在高中生物學教學過程中，要注意加強對學生科學思維的培養，如能夠基于生物學事實和證據運用各種科學思維方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題[1]；能夠結合生物學的基礎知識網絡，構建完整、連貫、多角度、多層次的生物學思維框架。這就要求學生掌握和積累大量的知識和經驗，并在此基礎上不斷完善認知，逐步形成完整、全面的認識。

1科學思維與科學思維方法

1.1 科學思維

科學思維是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，它不僅是常規的科學邏輯在生物學領域的應用，而且是一種強調實證與觀察的能力。這些共同構成學生未來進行科學探索的得力工具，為他們日后在生物學領域的研究奠定堅實基礎。同時，在面對自然現象或科學問題時，擁有較強科學思維能力的學生不但能夠運用理性的邏輯分析，還能利用敏銳的觀察和思考能力對既有理論深入分析，不斷尋求新解釋。

此外，科學思維還需借助想象、聯想、直覺和靈感等非邏輯思維方法來提出創新性的觀點：想象幫助學生構建超越理論的模型；聯想促進知識間的融合交融；直覺和靈感往往能在不經意間開啟科學發現的新篇章。就邏輯思維層面而言，科學思維涵蓋從基本概念的形成到復雜判斷的作出，再到嚴謹推理的展開和最終論證的構建等一系列過程，涉及概念、判斷、推理和論證等多種形式。

1.2科學思維方法

科學思維的外在表現形式是科學思維方法，掌握科學思維方法是形成科學思維的前提條件之一。作為一種集邏輯性、創新性、批判性于一體的綜合思維方法，科學思維方法鼓勵人們在遵循科學探究邏輯的同時，不拘泥于傳統框架，勇于探索未知，以多元化的思考模式推動科學思維的形成?？茖W思維方法是揭示事物本質和事物間關系的關鍵手段。

科學思維方法有多種分類方式，從思維的形式來看，可以分為基礎的動作思維（基于直覺）、形象思維（基于觀察和想象）和邏輯思維（基于抽象），其中邏輯思維在概念形成中扮演著重要角色。作為一門自然科學，高中生物學課程要求學生能夠構建完整連貫的生物學概念體系。因此，邏輯思維成為生物學課程重點培養的思維類型之一。邏輯思維主要體現在：比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括等[2]。而批判性思維、創造性思維包含邏輯思維的大部分特點，是科學思維的高階水平體現，包括分析、評估和提高三個緊密聯系、相互影響的階段[3]。

2數字技術輔助的高中生物學科學思維培養

數字技術輔助的高中生物學科學思維培養是指利用當前的數字技術手段，如人工智能、大數據分析等，輔助學生在高中生物學學習中培養科學思維的過程。通過分析各種數字技術的特點，可以充分發揮其在科學思維能力培養方面的優勢，讓學生更加深入地理解生物學知識，提高問題解決能力，同時鍛煉批判性思維和創造性思維，培養良好的科學態度，為未來的科學探索和創新打下堅實基礎。

以人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》的部分章節為例，分析數字技術在生物學學科中對學生科學思維培養的作用。

2.1借助智慧課堂培養比較與分類能力

智慧課堂為高中生物學教學提供了一種全新的教學模式。此前，隨著互聯網被引入教育領域，傳統的單一學習方式被打破，多種媒體素材充分融入教學環境，營造了充滿活力的課堂氛圍。高中生物學研究內容廣泛、涵蓋概念豐富、補充材料多元，傳統的多媒體教學僅能在一定程度上實現學習內容拓展和能力培養。但隨著大數據分析、人工智能等技術向教育領域滲透，智慧課堂將真實教學情境與數字技術深度融合，不僅改善了傳統教學模式中知識單向輸出、教學內容與資源匹配度較低等問題，還通過大數據分析顯著提升了教學效果。教師可以借助智慧課堂為學生提供不同的學習素材、模擬實驗過程、設置多種學習任務等；學生可以通過智慧課堂了解更多的課外拓展內容，模擬操作更多的生物學課程內容，并根據自身需求選擇學習任務。

以第1章“遺傳因子的發展”為例。1）在進行孟德爾遺傳規律的推理時，學生可以利用模擬配子合成的程序直觀地觀察不同親本產生的子代的性狀、比例，等等。整個過程以互動的形式展現，便于學生比較不同對遺傳因子的遺傳異同點，改變了傳統以教師講述為主的教學方式。2）在講解遺傳概率計算方法時，教師可以借助智慧課堂的題庫幫助學生對知識點和題型進行分類，總結解題規律。3）在學習遺傳規律的實際應用時，教師可以將資源平臺上的素材作為教學材料，展現整個基因傳遞的動態過程，直觀地比較親子代之間遺傳規律，讓學生在對比中理解生活中部分基因病的遺傳原理。學習結束，教師可以根據學生的反饋情況設置不同任務，鍛煉他們各方面的能力，學生可以選取適合自己的內容進行強化訓練。

有了多媒體程序的輔助，教師能夠以更簡單、直觀的方式展現專業知識，從而幫助學生理解復雜抽象的內容，系統整合知識，加深對生物學抽象概念的把握，在比較與分類中實現對生物學知識更深層次的理解。同時，在學習的過程中，智慧課堂大數據分析系統能夠實時監測學生的學習進度和成績，識別出他們學習中的薄弱環節?；诖?，教師可以設計針對性的練習題和案例分析，引導學生深入分析難點問題，提升分析能力。此外，智慧課堂還能夠提供個性化的學習路徑，根據學生的興趣和能力調整教學內容，進一步激發他們的學習興趣和探索精神。

2.2借助思維導圖軟件鍛煉歸納與演繹能力

思維導圖是一種極其有效的數字化學習工具，能夠顯著提升學生的歸納與演繹能力。思維導圖通過將復雜的生物學知識以圖形化的方式展現，形成一個個相互關聯的系統，幫助學生將零散的知識點串聯成清晰的知識網絡。學生可以利用思維導圖對比與分析生物學概念、理論和規律的實質，逐步擴展和細化相關知識點，加工、整理其內在聯系，形成層次分明、邏輯清晰的大單元概念體系。思維導圖的一大特點是層級關系清晰，強調將零散信息按主題歸類成分支，同時又可以從中心主題出發，逐層推導具體細節。因此，在繪制思維導圖時，學生需用簡潔明了的語言或符號表達復雜的思想，鍛煉系統性視角。在此過程中，學生還能自由聯想相關知識點，將學科知識點按“總一分”結構重組，合并同類提取關鍵詞，這需要他們對學科知識有充分的了解并明確重點。

現代數字技術為學生提供了多種思維導圖的制作軟件和工具以及多元化的呈現方式。例如：MindMaster、Xmind等軟件提供了多種形式的模板，支持插入關系線、剪貼畫、超鏈接等多種標注元素，并且擁有各自的導圖社區，可以隨時云端儲存文件。學生在使用時，可以隨時插入圖文結合的內容、擴充網絡資源信息、即刻增添刪減節點、瀏覽相關優質思維導圖等。使用思維導圖軟件有助于學生在學習中持續完善大單元知識網絡，鍛煉歸納能力，形成科學的思維習慣。

學生在繪制思維導圖的過程中，需要對所學知識進行篩選、提煉和分類，提取所需內容制作思維導圖，這一過程也加深了他們對知識的理解。例如：在學習遺傳學時，學生可以梳理這一大單元的所有相關內容，提取基因、DNA、遺傳密碼等核心概念作為中心節點，然后圍繞這些節點添加相關子節點，包括基因突變、基因表達、遺傳病等，再依次總結各子節點下的相關概念。通過這種方式，學生可以更加系統地理解遺傳的基本原理和核心概念。同時，這種系統化的知識體系為學生進行演繹推理奠定了堅實基礎。

2.3借助個性化作業系統培養批判性思維

布置作業是教學設計中必不可少的一個環節，也是考查學生是否將所學知識轉化為自身能力的過程。基于數字技術的個性化作業系統可以通過對學生學習的全過程進行數據記錄，為其量身定制學習任務和反饋機制，還可以參考高考試題命題角度，設計出高自由度的個性化作業。在高中生物學的學習過程中，教師借助個性化作業系統引導學生對復雜的生物學現象進行深度探究，鼓勵他們不僅學習書本上的知識，更要學會獨立思考、深入分析和綜合評價。

以第5章“基因突變及其他變異”為例。個性化作業系統可以設計一系列基于真實社會生物學案例的問題，要求學生根據不同的情境分析所給數據，并應用遺傳與變異的相關知識對理論與實際結果的不同之處進行思考，從而得到課堂中的理論并不完全符合生活實際的結論，在質疑和思考中形成批判性思維。學生思考后，教師引導學生根據實際情境討論不同變異的形成原因，并得出最終結果。這種基于實際情境設計的習題要求學生不僅要綜合運用教材內容，還要充分考慮其他因素的影響，根據證據得出結論，形成完整的判斷邏輯。

2.4借助虛擬實驗室技術鼓勵學生創造性思考

實驗作為高中生物學教學的一項重要內容，不僅是理論知識與實踐操作相結合的橋梁，更是深化理解、培養科學思維能力的重要途徑。實驗通過直觀、具體的方式將書本上抽象的概念和原理有效轉化為可觀察與可測量的現象，極大地增強了學生學習的趣味性和有效性。由于部分高中生物學實驗對設備、儀器有一定要求，因此，在實際教學中難以達到預期效果。虛擬實驗室技術在實驗教學中扮演著重要角色，在培養學生實驗能力的過程中發揮著關鍵作用。通過模擬真實的生物學實驗室環境，提供相關材料和用具，虛擬實驗室提供了一個安全、互動、可自由操作的平臺，學生可以利用先進的軟件工具進行實驗操作，擺脫時間、空間與儀器的限制。在教學中，教師可以充分利用虛擬實驗室的優勢，鼓勵學生設計課本之外的實驗方案驗證或探究某個生物學問題，從而鍛煉其創造性思維。

整個探究實驗過程中，學生首先需要根據已有的生物學知識，設計實驗流程，梳理實驗步驟，并預測實驗結果。同時，學生還需明確“設計的實驗是否能完成和教材中實驗相同的目的”“是對教材實驗的延伸還是改良”“其優缺點都有哪些”等。在這個過程中，學生需主動思考相關的知識內容，不斷鍛煉創造性思維。

以第5章第2節“低溫誘導植物細胞染色體數目的變化實驗”為例。除了教材中提到的低溫因素外，教師還可以引導學生發散思維，從誘導加倍的原因入手，即如何抑制紡錘體的形成，從而創新設計實驗，是否其他能抑制紡錘體形成的因素都能夠達到該實驗目的。由于受經費限制，部分中學實驗室難以配備所有可能的試劑，往往不能真正開展此類實驗。而在虛擬實驗室中，通過調整實驗參數、改變環境條件等，學生能夠真正觀測到實驗結果，從而激發自主創新的積極性。通過自主設計實驗方案、親自動手模擬實驗，學生可以在虛擬環境中自由探索，不斷嘗試和優化實驗模型，這一過程不僅加深了學生對生物學知識的理解，還激發了他們的科學探究精神，鍛煉了創造性思維。

3 結束語

在數字技術的輔助下，學生不僅能夠更系統地掌握高中生物學知識，還能夠鍛煉科學思維能力。數字化教學資源提供了更多比較與分類的學習空間，利用數字化技術進行學習有利于學生從歸納和演繹的角度形成知識體系。同時，個性化定制的學習任務可以培養學生的批判性思維能力，模擬實驗操作可以拓寬科學思維的視野，鼓勵學生創造性思考[4]。科學思維能力的培養為高中生物學教學注入了新的活力，也為學生未來的科學探索、實際問題的解決和終身學習奠定了基礎，對學生的發展具有深遠意義。

4參考文獻

[1］中華人民共和國教育部．普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]吳成軍．試論科學思維及其在生物學學科中的獨特性[J].生物學教學，2018，43（11）：7-9.

[3]吳舉宏．當前高中生物學思維教學憂思錄［J].生物學教學，2024，49（7）：12-15.

[4]辛長紅．高中生物教學中科學思維培養路徑思考［J].智力，2024（18）：44-47.