高中生物教学科学思维误区分析 本文关键词：误区，思维，科学，教学，高中生物
高中生物教学科学思维误区分析 本文简介：《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中明确提出了学科的教学应以“发展学生核心素养”为宗旨。而生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。在这四大素养中又以科学思维最为基础。科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯
高中生物教学科学思维误区分析 本文内容：
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中明确提出了学科的教学应以“发展学生核心素养”为宗旨。而生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。在这四大素养中又以科学思维最为基础。科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。要真正理解科学思维的内涵，就需要先理解“什么是科学”。可是从来没有一个普遍适用的可作划分科学与非科学的金标准，加之国人严密推理“先天不足”，而比附式推理盛行，所以，对科学思维就会产生诸多误解，如混淆因果性与相关性、不理解概率等。
1相关性不等于因果性
1.1相关性与因果性
变量间的关系有许多种，比如因果关系、相关关系、回归关系等。其中因果关系与相关关系是最为基本的两种关系，也是最易被人混淆的。如，2018年11月浙江省选考生物学试题中的第30题第（2）小题：在“探究环境因素对光合作用的影响”的活动中，选用某植物幼苗，用含有100mmol/LNaCl的完全营养液进行培养，测定其光合作用速率和气孔导度，结果参考答案为：NaCl处理导致光合作用速率和气孔导度下降，且随处理时间的延长，抑制越明显可许多学生却答成：植物的气孔导度影响光合速率，光合速率随气孔导度下降而下降。即气孔导度下降是因，光合速率下降是果。这就是典型的“相关性”与“因果关系”不分。因果关系是指一个变量A的存在一定会导致另一个变量B的产生。而相关性则是统计学上的一个概念，是指一个变量A变化的同时，另一个变量B也会伴随发生变化。两个变量之间存在相关关系，不一定说明两者之间存在着因果关系，但具因果关系的两个变量一般具有高度的相关性。如此题中，实验探究的是“100mmol/LNaCl处理时间对光合速率与气孔导度的影响”，“NaCl处理时间”是“因”（即自变量，横轴），“光合速率”与“气孔导度”同是“果”（即因变量，纵轴），两个“果”之间只有相关性，不一定具有因果关系。所以，本实验的结论应该往“因对果的影响”方向作答，即NaCl处理对光合作用速率和气孔导度的影响才对。又如，必修2教材中罗列了一些DNA是遗传物质的间接证据：①一般情况下，同一种生物在不同发育时期或不同组织的细胞中，DNA的含量基本相等，而精子中的DNA含量恰好是体细胞中的一半。②有许多物理和化学的因素能诱发DNA的结构变异，而所有能够诱发DNA结构变异的因素均能引起生物的遗传突变。这两点只能说明DNA与遗传物质有高度相关性，因而只能作为间接证据，而无法成为直接证据。
1.2因果关系的证明
如何证明两个具高度相关性的变量是因果关系呢？唯有实证。若上题中要进一步探究“光合速率”与“气孔导度”的因果关系，则需要以“气孔导度”为自变量，以“光合速率”为因变量来重新实验后才可以下结论。科学的“实证”即是通过有控制的实验法来证实，而且为了实验的可靠性，科学家还为此确立了一系列的实验原则——对照原则、单一变量原则、可重复原则、可操作性原则等。即在相同且适宜的条件下，只改变变量A，再观测变量B的变化。若变量A的改变一定会引起B的变化，并且还能用数学的方法精确地量化两者的关系，如此才能证明A是B的原因。而生物学科是研究生命现象和生命活动规律的科学，由于生命系统的复杂性导致研究的主体有“主观验证”和“实证偏见”的认知缺陷，研究的客体也会受到“个体差异”以及“安慰剂效应”的影响。严谨的实证精神对这些影响十分警惕，在研究过程还创立了一套“对照、双盲、随机、重复、公开”的方法和原则，以免自欺欺人。而且在操作层面上，对实验变量还需要“量化”，即实验变量必须根据可观察、可测量、可操作的特征来界定变量的含义。量化还是实证研究的基本特征和思维方法之一，量化方法的突破往往是许多学科从前科学阶段到科学阶段的转折点。如孟德尔正是将杂交实验的结果用统计学的方法“量化”了，才让对遗传现象的研究走上了“科学之路”。又如，西德尼·法伯在众多的癌症中选择研究“白血病”，就是因为它有一项独特的诱人之处——可以客观地进行测量。在CT扫描和核磁共振等手段问世之前，对于体内固体肿瘤的大小变化，几乎不可能进行数值测量。但白血病可以，只需提取血液或骨髓样本，在显微镜下观察即可。2017年11月浙江省生物选考试题的实验题最后一问：“若为了检测某种药物对海拉细胞的增殖有促进作用，可在培养液中加入同位素标记的物质是，原因是。”该题考查的也是这种量化思维，科学始于计数。参考答案：胸腺嘧啶脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷是DNA合成的原料，其进入细胞的量可反映细胞的增殖情况可见，科学是如此执着于“因果关系”，或许就是为了对这不确定的客观世界多一点掌控感。尤其是面对当下信息社会的重要产物——大数据时，教师更应该具有区分“相关性与因果性”的能力，才能从数据的汪洋中挖掘出事物的本质。
2类比推理无法代替实证
科学思维是建立在证据和逻辑推理的基础上的，包括比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、数学与建模、质疑与批判等。其中，类比是一种最常见的理解方式与推理方法。如，萨顿在研究基因与染色体关系时，就用了类比的方法。达尔文也曾将植物的自花受粉与人类的近亲结婚相类比，把整个宇宙看成一架机械的机器。也正是这种机械类比使得力学成为了物理学的“硬核”。中国人的类比思想更源远流长，在我们的思维习惯中“取类比象”盛行，常用类比取代实证。如“红糖、红豆、红枣是红色的”，就推理出它们能够“补血”；用“月有阴晴圆缺”来证明“人有悲欢离合”；用“宝剑锋从磨砺出”证明“梅花香自苦寒来”。但科学思维需要让学生明白类比只适合“晓喻”不能用于“证实”，类比得到的仅为推理并非真理，要将“推理”上升到“真理”一样需要实证。所以，在必修2第二章第二节“遗传的染色体学说”之后，紧接着的是摩尔根的“果蝇伴性遗传实验”。在学习“细胞核”一节时，尽管学生都已认同“细胞核是生物性状的控制中心”，但教材还是“不嫌无聊”地介绍“伞藻的嫁接实验”。教材的这些编排足以体现“实证精神”——一种假说或理论要能为大众所认可，它要么具有很强的解释力，要么有可靠的实验证据支持，但这种假说或理论要上升到科学真理的层面，则需要两者兼而有之。用理性来“证明”与单纯地“相信”之间存在着原则性的区别，实证思想的引入意味着理性地位的极大提升。所以，教师应该善于挖掘教材中的素材，让学生理解类比推理无法替代理性的实证，与常识相比科学思维更强调精确性和实证性。
3会计算概率不等于理解概率内涵
随着量子力学的创立和分子遗传学的发展，人们认识到无论是物理现象、生命现象，还是社会现象都有着随机性，概率便是对随机事件发生的可能性的度量。概率思想渗入各个学科已成为近代科学发展的明显特征之一。概率论最基础的思想是，有些事情会无缘无故地发生（即随机性），但有些随机性是有规律的（即频率的稳定性），概率论便是研究这种内在规律的。如，孟德尔针对豌豆的7对相对性状进行了杂交实验，并从F2的性状分离比中看出了每一对显隐性状出现的频率都分别稳定在3/4和1/4。正是这种基于大量试验而呈现出的频率稳定性，孟德尔才能揭晓支配遗传现象的基因的传递规律。也正是基于这种频率的稳定性，才能对后代某种性状的再现概率进行预测。概率论的另一个重要思想是，并不是所有事件的发生是等可能的。笔者曾经要求学生回答：某个患白化病（aa）的女性与一正常男子结婚，预测他们后代患白化病的概率。在初学遗传定律时，很多学生算出的答案是1/4。为何会这样？经过多方询问才得知，学生在数学课上学过的概率都是古典概型。所谓古典概型是一类被简化、理想化与抽象化的随机现象的数学模型，如摸球和抽签。古典概型有两个基本特征：①试验的全部可能结果只有有限个而且这些事件是两两互不相容的；②事件的发生或出现是等可能的。所以，学生一看到两种情况，便默认为题1中那个正常男子的2种基因型（AA或Aa）各是1/2的概率，其后代患病概率便是1/4。但在现实中AA和Aa两种情况不是等可能发生的，不属于古典概型，学生不理解古典概型的适用范围，错误地用“必然”去理解“偶然”也就在所难免。若再将该题改编为：某个患白化病（aa）的女性与一个父母正常且妹妹也患白化病的正常男子结婚，预测他们后代患白化病的概率。此时，该正常男子的基因型还是AA或Aa，但两者的概率就由“不确定”分别“塌缩”为1/3和2/3，一下子就变成了条件概率。用条件概率的全概率公式可得，他们后代的患病概率=1/3×0＋2/3×1/2=1/3。又如，在自然条件下将杂合紫花豌豆（Cc）种植收获F1，并选取F1中的紫花豌豆继续种植，求F2中白花豌豆所占的比例。学生常将选取后的两种紫花豌豆CC和Cc的概率仍分别认定为1/4和1/2。亲本（Cc）自交得到的F1确有三种基因型（CC、Cc、cc），所占的比例各是1/4、1/2、1/4，但增加了一个条件——去掉白花豌豆，原先的古典概型又转变成了条件概率。根据贝叶斯原理，CC的先验概率1/4就变成了后验概率1/3；Cc的后验概率也成了2/3。由于高中生物学科中遗传概率的计算绝大多数是属于条件概率的范畴，但学生在高中数学恰恰不学条件概率，这给学生正确理解概率造成了不小的困扰。就算学生通过“刷题”，掌握了遗传概率计算的方法与技巧，但并不意味着他是一个“懂概率的人”。是否理解概率标志着一个人是否具有科学思维，也直接决定了一个人的“开化”程度。所以，教师在学生初学遗传规律时就该补上这一课，以帮助学生理解概率论的基本思想与内涵。理解的意义在于“迁移”，在现实生活中便能用概率去反思个案，而非用个案去反驳逻辑。具有概率思想的人当听到“抽烟能提高癌症的发病率”时就不会“抬杠”——“老王抽了几十年的烟还活得好好的，而老张不抽烟不喝酒却得肺癌死了”。科学的思维习惯能够帮助学生明智地处理问题，实证意识、量化思维、逻辑推理和概率思想尤其重要。没有这些思维能力，人们就容易成为骗子们的“优质客户”，成为用简单方式处理复杂问题做法的传播者，为此，这些思维习惯与能力都是学生必备的核心素养。
参考文献：
［1］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017版）［S］.北京：人民教育出版社，2018.
［2］吴相钰，刘恩山.普通高中课程标准实验教科书·生物·必修2·遗传与进化［M］.杭州：浙江科学技术出版社，2005：54-60.
［3］吴振国.实证研究是教育学走向科学的必要途径［J］.华东师范大学学报（教育科学版），2017，（3）：12.
［4］悉达多·穆克吉著，李虎译.众病之王：癌症传［M］.北京：中信出版社，2013：21.
［5］李贤平.概率论基础［M］.北京：高等教育出版社，2010：6
作者：朱满员 单位：浙江省海盐高级中学
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