【全国百强校】四川省绵阳中学2020届高三生物复习素材：高中生物新课程科学探究活动概述

【全国百强校】四川省绵阳中学2020届高三生物复习素材：高中生物新课程科学探究活动概述

高中生物新课程科学探究活动概述 高中生物新课程科学探究活动概述//高中生物新课程科学探究活动概述国家教育部2001年印发的《基础教育课程改革纲要(试行)》明确指出，基础教育课程改革的具体目标之一是：“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。”教育部2003年颁布的《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称《标准》）对改变学生的学习方式、提高学生的科学探究能力也同样高度重视。《标准》在“课程性质”中指出：“高中生物课程是普通高中科学学习领域的一个科目。高中生物课程将在义务教育基础上，进一步提高学生的生物科学素养。尤其是发展学生的科学探究能力……”在“课程的基本理念”和“课程目标”中也都明确指出要培养学生的科学探究能力，在“内容标准”中列出了学生必做和建议做的科学探究活动。可见，搞好科学探究活动的教学，对于落实课程改革目标、实施《标准》具有十分重要的意义。‎ 高中生物新课程科学探究活动概述 高中生物新课程科学探究活动概述//高中生物新课程科学探究活动概述国家教育部2001年印发的《基础教育课程改革纲要(试行)》明确指出，基础教育课程改革的具体目标之一是：“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。”教育部2003年颁布的《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称《标准》）对改变学生的学习方式、提高学生的科学探究能力也同样高度重视。《标准》在“课程性质”中指出：“高中生物课程是普通高中科学学习领域的一个科目。高中生物课程将在义务教育基础上，进一步提高学生的生物科学素养。尤其是发展学生的科学探究能力……”在“课程的基本理念”和“课程目标”中也都明确指出要培养学生的科学探究能力，在“内容标准”中列出了学生必做和建议做的科学探究活动。可见，搞好科学探究活动的教学，对于落实课程改革目标、实施《标准》具有十分重要的意义。‎ 一、科学探究及其教育价值 ‎1．什么是科学探究？‎ ‎“科学探究指的是科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。科学探究也指的是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。”（1）这是美国《国家科学教育标准》上的话。前一句话说的是科学家所进行的科学探究，后一句话说的是学生们做的科学探究。对第一句话可以作这样的解读：科学探究的对象是自然界；科学探究要靠证据说话，寻求证据是科学探究的重要内容；科学探究的目的是基于证据对自然界的现象作出解释；获得证据和作出解释的途径是多种多样的。对后一句话可以作这样的解读：学生们进行科学探究的目的不是去发现人类未知的自然界的奥秘，这与科学家的探究有质的不同；他们做探究的目的是获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法，因此在某种程度上是重在体验、领悟甚至是模仿，不能期望他们真像科学家那样做出什么重大发现。当然，学生所做的科学探究与科学家的探究在研究对象、寻求证据、提出解释等方面是十分相像的，否则他们就不可能领悟科学家们研究自然界所用的方法。同科学家的探究一样，学生所做的探究活动也是多种多样的，正如美国《国家科学教育标准》所说的，“探究是一种有多侧面的活动，需要做观察；需要提出问题；需要查阅书刊及其他信息源以便弄清楚什么情况已经是为人所知的东西；需要设计调研方案；需要根据实验证据来检验已经为人所知的东西；需要运用各种手段来搜集、分析和解读数据；需要提出答案、解释和预测；需要把研究结果告之于人。” （2）换言之，观察、发现和提出问题，设计并进行实验，分析和解读数据等，都是探究活动的不同侧面，对中学生来说，他们所做的探究的个案，未必都要求涵盖上述探究活动的所有侧面，一次观察活动、一次资料分析活动、一次分析和解读数据的活动等，也都可以看做探究活动。当然，学生也应该有机会从事完整的探究活动。‎ 有人质疑上述关于探究的界定是否过于宽泛，甚至说，按此逻辑，教师提出问题后让学生看书，学生从书本上找到答案也是探究。其实这是对探究的误解。书本告诉学生答案跟教师告诉学生答案本质上是没有区别的。探究就是让学生亲自经历从发现问题到分析解决问题的过程。如果在提出问题后，书本上没有提供答案，而只是提供相关的数据和资料，学生需要通过深入的思考和讨论，自己得出答案，那么，这一过程也可以说是探究。‎ ‎2．为什么要重视科学探究？‎ 当今世界，科学探究的产物可谓触目皆是，科学技术的成果充斥着社会的各个角落，影响着每个人的生活。社会的科技化和科技的社会化要求每个人都应该具有良好的科学素养，也就是说，应该具有科学知识、科学探究能力和适应时代需求的情感态度与价值观，这样才能够在日常工作和生活中运用科学知识作出适当的决策，能够参与社会上牵涉到科学技术的重大问题的讨论，而不至于在科技的大潮中无所适从或迷失方向。这就需要在基础教育阶段，为学生提供足够的机会从事科学探究活动，培养他们的科学探究能力。‎ 就我国当前和未来经济和社会发展的要求来看，在基础教育阶段，加强学生的科学探究活动也是当务之急。2006年1月，党中央、国务院召开了新世纪第一次全国科学技术大会。会议提出了至2020年把我国建设成为创新型国家的奋斗目标，这一战略抉择对于推进我国经济社会和科技发展将具有里程碑意义。‎ 建设创新型国家，需要基础教育为各行各业提供各个层次的创新型人才，这是建设创新型国家的重要保证。中国要在2020年成为创新型国家，就必须从根本上改变一代人以考为本的学习方法和思维方式，必须触动形成这种学习方法和思维方式的基础教育的体制和运行机制，必须从小培养学生的创新精神和实践能力，从根本上改变人才的素质；必须提高全民的科学文化素质，在全社会形成崇尚科学和创新的文化氛围。这就要求包括生物学课程在内的中学自然科学领域的各门课程加强科学探究的比重。‎ 从科学的性质来看，科学不仅是一个关于自然界各种事物存在状态、运行机制和发展变化规律的知识体系，也是一个不断发展变化的动态过程，是人类所从事的不断发展的事业。也有人说，科学的本质在于探究。因此，学习科学当然就不应当是仅仅学习科学知识，还要学习怎样进行科学探究。美国《国家科学教育标准》中有这样的表述：“学习科学是种能动的过程。学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他们看的事情。在学习科学的过程中，学生们需要描述物体和作用过程，提出问题，获取知识，对自然现象作出解释，以多种不同方式对所作解释进行检验，最后是把自己的看法传递给别的人。……‘能动的过程’一语指的是体与脑的共同活动。光是动手活动还不够──学生们还必须有动脑的活动。”该书还认为学科学的中心环节是探究，其内容标准分为八大主题，第一条是“科学的统一概念和过程”，第二条就是“作为探究过程之科学”，足见它对科学探究的重视。‎ 从学生的学习心理和认知规律来看，搞好科学探究的教学是学生成功学习科学的关键。高中学生正处于求知欲非常旺盛的年龄。他们对自然界的事物充满着好奇，如果教师只是一味地灌输现成的概念和结论，学生只能被动地接受和记忆，他们的这种好奇心就会遭到抑制甚至扼杀，学习过程就容易成为枯燥无味的消极被动的过程。如果教师给学生较多的机会进行观察、实验和积极的思考，他们的好奇心就会得到极大的激发和满足，学习过程就会充满探求的激情，会由于自己亲身经历的探究产生成功的愉悦、兴奋和满足，学习过程就成为良性循环的主动发展的过程。通过亲身经历的探究所获得的知识，由于有较多的直接经验作基础，学生的理解就更为深刻，记忆也更为持久。当然，不是所有的知识必须通过亲自探究来获得，大量的知识还是以间接经验为主的。‎ ‎3．科学探究活动的教育价值 关于科学探究活动的教育价值，国内外有关课程文献中大多表述为两个方面，一是培养科学探究能力，二是增进对科学探究的理解。其实，通过科学探究活动，学生在知识的理解、科学精神和科学态度的养成等方面也会有很大的收获。‎ 有些教学内容本身本不复杂，如果仅从掌握知识的角度来看，也许只需要几分钟就能讲清楚，如果让学生通过亲自参与探究活动，可能要花一节课甚至更长的时间。从表面来看，这似乎降低了传授知识的效率。但是，通过探究活动，学生获得的不仅仅是知识，而且会有丰富的情感体验，探究能力也会得到发展。就好比游泳，关于其动作要领和注意事项，几分钟就可以说明白，但学生并未学会游泳，只有跳入水中，才能逐渐掌握动作要领，才能获得游泳的体验。又比如关于细胞的有丝分裂，用挂图或投影片讲清楚并不难，但是可能难以在学生头脑中留下鲜明而深刻的印象。如果让学生亲自制作装片，在显微镜下观察细胞有丝分裂，学生会感到真实可信,动手能力也会得到培养。学习了DNA分子的结构之后，让学生动手制作DNA分子双螺旋结构模型，他就会运用所学知识，发挥想象力，寻找合适的材料来制作，这样，他对DNA分子结构的认识就会更加深入，想象能力、动手能力都会得到发展；而制作过程中的情感体验，以及面对自己的制作成果时那一份成功的喜悦，更是教师的讲解所无法给予的。‎ 二、《标准》对科学探究能力的具体要求 ‎《标准》在“课程目标”部分，对发展高中学生的科学探究能力提出了如下要求：客观地观察和描述生物现象；通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题；分析问题，阐明与研究该问题相关的知识；确认变量；作出假设和预期；设计可行的实验方案；实施实验方案，收集证据；利用数学方法处理、解释数据；根据证据作出合理判断；用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点；听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改。总计达十一项。现将这十一项要求简要说明如下。‎ ‎1．客观地观察和描述生物现象 科学发现离不开观察。科学探究中的观察（即科学观察）与日常生活中的观察不尽相同。日常生活中的观察是指人们通过自己的感觉器官对周围事物进行的察看；科学观察是指在自然发生的条件下，通过自身感觉器官或仪器设备，有目的有计划地对研究对象进行观察。科学观察是搜集科学事实的基本途径，是生物学研究的基本方法之一。‎ 科学观察必然伴随着观察者的思维活动，但是，科学观察必须遵循客观性原则。由于观察者总是在一定的知识背景、生活经验和思维方式下进行观察的，因此，观察结果容易受到观察者主观因素的影响。为了保证观察结果的客观性，观察者一定要克服先入为主的观点，不能以主观臆测代替客观事实。此外，还必须认真仔细，不能马虎，必要时要进行多次重复观察。‎ 科学观察包括直接观察和间接观察。前者是通过观察者的感官进行的，后者是借助于仪器设备进行的。与初中生物学课程中的观察活动不同的是，高中生物学课程中间接观察活动明显增多。‎ 对观察到的现象还要进行客观的描述，包括及时、如实、清楚的记录，用生物学术语描述自己的观察结果等。‎ ‎2．通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题 观察固然很重要，但是没有引出问题的单纯的观察，即使是观察到了新的现象，也并不能引发真正的科学探究。科学探究的逻辑是：提出问题→解决问题→提出新问题。可以说，提出问题是科学探究的逻辑起点。数学家希尔伯特说：“只要一门科学分支能提出大量问题，它就充满生命力；而问题的缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”（3）爱因斯坦进一步指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”（4）‎ ‎“通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题”这句话，包括三层意思：一是将提出问题的能力作为科学探究能力的一项具体要求，二是指出了通过什么途径提问题，三是明确了提什么样的问题。‎ 在科学探究中，问题的来源主要有三条途径：一是来自已有理论或知识同经验事实（来自观察）的矛盾，二是来自理论本身存在的逻辑困难或悖论，三是来自不同理论的论争。就高中学生而言，问题主要来自已有知识同他们所观察到的现象的矛盾。《标准》中所说通过观察或从现实生活中提出问题，这里所说的观察主要是指学生在生物学课程的学习中所作的观察，这里所说的“现实生活”主要是指学生的生活经验，实际上是指学生在日常生活中所做的观察。教师应该注意提示和引导学生关于通过观察发现问题、提出问题。‎ 关于问题的类型，从不同的角度可以有不同的分类。例如，根据人类不同活动领域的性质，可以将问题分为科学问题和非科学问题，物理、化学、生物学等方面的问题属于科学问题，宗教、艺术等方面的问题属于非科学问题；根据问题指向的应答域的真实性，可以将问题分为真实问题和虚假问题，“怎样延长发动机的使用寿命？”是真实问题，“怎样制造一部永动机？”则是虚假问题；根据问题的清晰明确程度及应答域的大小，可以将问题分为抽象问题和具体问题，问题过大、过于笼统，应答域就太宽，不确定因素就太多，研究起来可能就无从下手。《标准》主张学生应学会提出与生物学相关的问题，即科学问题；应学会提出可以探究的问题，即真实问题和具体问题。‎ 还应当指出，学生还应当学习提出有探究价值的问题，即值得探究的问题。有的问题过于简单，不能引发深入的探究，就属于缺少探究价值的问题，详见人教版教材在“探究植物细胞的吸水和失水”部分的案例。‎ ‎3．分析问题，阐明与研究该问题相关的知识 提出问题以后，学生应当对问题进行分析。首先应当分析所提出的问题是不是科学问题，是不是可以探究的问题，是不是有探究价值的问题，这样可以不断提高学生提出问题的能力；其次，要分析问题的表述是否明确、具体，是否可以从多个角度去回答，是否很明确地预示探究的方向；第三，要分析问题的指向是定量的要求还是定性的要求，其解决的途径大致是观察还是实验或其他途径，等等。这样的分析有助于问题的进一步明确，有时，通过这样的分析还可以对问题作适当的修改。‎ 为了更好地确定要探究的问题和理清探究的思路，还需要对自己已经掌握的与研究该问题有关的知识进行回忆和梳理。例如，在《探究影响酶活性的条件》一节课上，某小组的同学提出的问题是：“温度高低是不是对酶的活性有影响？”经过讨论，他们阐明了以下与研究该问题相关的知识：酶是生物催化剂，酶之所以能够起催化作用，是因为它能显著降低化学反应的活化能；酶的活性是指酶在特定的化学反应中的催化效率；酶具有高效性和专一性；细胞中的酶促反应一般是在常温常压下进行的；绝大多数酶是蛋白质；蛋白质具有复杂的结构，不同的蛋白质具有不同的功能，蛋白质之所以具有特定的功能与它的结构有关；高温能使蛋白质变性，也就是使蛋白质的结构发生改变。这时有同学说：“既然高温能使蛋白质变性，而酶是蛋白质，因此，温度过高肯定对酶的活性有影响。我看我们的问题应该修改一下，改为‘温度过低是不是对酶的活性有影响？’”其他同学也都同意他的意见，于是对问题作了修改。小组间交流之后，另一个小组受他们的启发，又提出了新的问题：“温度过高肯定会影响酶的活性，但是，到底多高才算过高呢？在温度升高到‘过高’之前，温度升高会不会对酶的活性有影响呢？我们主张设置一系列温度梯度来做实验……”可见，“阐明与研究该问题相关的知识”这一环节，在科学探究中是确有必要的。‎ ‎4．确认变量 很多问题的探究都涉及控制变量。要控制变量首先要确认变量，其次要知道如何测定变量。实验中的变量包括自变量（亦称实验变量或调节变量）、因变量（亦称反应变量）和无关变量（亦称干扰变量）。自变量是指实验中根据实验目的需要人为改变的因素，因变量是指随着自变量的变化而变化的因素，无关变量是指除自变量外，实验过程中可能还会存在的一些对实验结果造成影响的因素。例如，在“温度对酶活性的影响”实验中，温度是自变量，酶活性是因变量，反应物的浓度、pH、酶的剂量、反应时间等就是无关变量。‎ 有人认为确认变量只是在实验设计时才需要做、才能够做的，其实不尽然。在问题提出后确认变量，有助于明确问题的实质；对变量做仔细辨析和自定义后，可进一步明确该问题的探究在现有条件下能否进行，而这些工作在许多情况下都是可以在设计实验之前进行的。例如，对于“光照强度是否影响光合作用强度呢？”这一问题，从问题的表述即可看出，光照强度是自变量，光合作用强度是因变量。但是，什么叫光照强度？什么叫光合作用强度？同样波长的光照射时间长短不同，是否意味着光照强度不同？如果以白炽灯作光源，是以同样功率的灯泡不同距离照射来定义光照强度的不同，还是以不同功率的灯泡等距离照射来定义光照强度的不同？是以一定时间内淀粉生成量来定义光合作用强度，还是以一定时间内氧气生成量来定义光合作用强度？这些关于确认变量的问题明了之后，才能更好地作出假设和预期，才能更好地设计可行的实验方案。‎ ‎5．作出假设和预期 作出假设是指根据已有的知识和生活经验，对提出的问题作出尝试性的回答。在科学研究中，人们对一个问题的认识往往不是一步到位的，常常是根据已有的观察和经验提出某种假设，尽管这种假设可能会被后续的研究证据更正甚至推翻，但假设对科学问题的研究却常常起着一种引领的作用，因此，可以说作出假设是科学探究过程的重要环节。关于作出假设，还须说明以下几点。（1）作假设要有科学根据，而不是无端地猜测。对中学生而言，这里所说的科学根据主要是指他们已经掌握的科学知识和生活经验。当然，作出假设也离不开逻辑思维、联想和想象等。例如，关于二氧化碳浓度是否影响光合作用强度的问题，学生可以根据二氧化碳是光合作用必需的原料这一知识，作出“增加二氧化碳浓度能够提高光合作用强度”的假设。课堂教学中曾经出现这样的情况，某同学发言时说：我作出的假设有两种，一种是有影响，一种是没有影响。这样的假设就形同虚设了。（2）作出的假设应该是可以通过科学探究来检验的，不可能被观察和实验检验的假设就不是真正的假设。（3）作出假设通常是科学探究的重要环节，但不一定是所有的探究所必需的环节。例如，调查某种双子叶植物的种群密度这一探究，确定问题之后，直接去调查即可，不必先作假设，假设也无从作起。‎ 预期是指根据假设对实验结果所做的符合逻辑的推论。例如，根据“增加二氧化碳浓度能够提高光合作用强度”这一假设，可以作出“环境中二氧化碳浓度增加后，植物的放氧量会随之增多”这一推论，这就是预期。实际上通过实验直接检验的往往是预期而不是假设。如果实验结果与预期相符，则说明假设是正确的；反之，则说明假设是错误的。当然，在真正的科学研究中也不能过于武断，还要考虑实验设计和操作是否有不当之处，避免由此导致错误结论。‎ ‎6．设计可行的实验方案 作出假设和预期后，就需要设计实验来检验。“设计可行的实验方案”这句话至少包含两方面的要求：一是实验设计在科学性上是合理的、严谨的，二是实验方案在现有条件下是可以进行的。‎ 实验本质上也是观察。同单纯的观察不同的是，实验是在人为控制的条件下进行的观察。这里所说的控制既包括对研究对象的控制，如孟德尔豌豆杂交实验中的人工去雄和授粉，也包括对各种相关因素的控制，如对自变量和无关变量的控制。实验设计在科学性上的合理、严谨体现在实验原理的厘定、实验材料的选择、变量的控制、实验装置的设计、实验步骤的筹划、实验结果的观测手段等许多方面。高中生物课中实验过程的设计应该遵循以下原则。‎ ‎（1）控制性原则在实验过程中，必须对研究对象及相关因素进行控制，控制的准确与否直接关系到实验的成败。例如，做温度对淀粉酶活性的影响的实验时，将盛有淀粉酶溶液的三支试管分别放入‎60 °C、‎100 °C和‎0 °C 的水中，保持5 min，再向这三支试管中分别加入1 mL淀粉酶溶液，充分摇匀，保持5 min……仅这两步操作就体现了四个方面的控制：温度、时间、酶的用量、使酶与底物充分接触（摇匀）。‎ ‎（2）对照性原则生物学实验大多为对照实验。设置对照的目的是为了排除自变量以外的其他因素对因变量的影响。例如，上面的例子中第一支试管（水温为‎60 °C）即对照组，可以用它来排除淀粉酶制剂变质或浓度过低等因素对实验结果的影响。‎ ‎（3）重复性原则在科学研究中，如果一个人的实验别人都无法重复，那么他得出的实验结论就很难被学术界接受。这是因为实验过程中难免存在偶然的因素，操作不当或其他原因造成的误差也在所难免。因此，在实验设计中体现重复性原则是必要的。当然，在中学生物学实验中，因时间和实验室条件所限，组内不做重复实验或在实验中不设重复组，组间做相同的实验也可视为一种重复。从这个角度说，小组间交流也是十分必要的。‎ ‎7．实施实验方案，收集证据 实施实验方案对于培养学生的动手能力和观察能力至关重要。做实验前，应当先检查所需要的材料用具，商定小组内的分工，成员都应当对自己要做的工作稔熟于心。操作过程中要严格遵守实验室安全规则，动作要准确，态度要认真仔细。同学之间要密切配合。实验过程中经认真观察，如实记录，从而获得实验证据。‎ ‎8．利用数学方法处理、解释数据 数学方法的引入是使生物学跻身精确科学行列的重要途径。高中生物课程中涉及的数学方法大致包括数学的基本运算方法、计算平均值的方法、统计学方法、运用统计表的方法、画坐标图的方法、建立和使用数学模型的方法等。利用数学方法可以使探究的结论更精确和具说服力。‎ ‎9．根据证据作出合理判断 科学的“基本特点是以实证为判别尺度、以逻辑作论辩的武器、以怀疑作审视的出发点。”（5）只有恰当地运用证据和逻辑，才能对探究的问题的因果关系作出正确的判断，才能从实验结果中得出合理的结论。‎ ‎10．用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点 将自己的研究结果告知他人也是科学探究的重要环节。在高中阶段，要求学生能够使用准确的生物学术语（而不是口头语言）和图表将自己研究方法、结果和观点告知他人。这显然比初中生物课程的有关要求要高。‎ ‎11．听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改 在如何对待他人提出的不同意见方面，要求学生做到既要虚心听取，又要独立思考，不盲从他人，同时又不能固执己见。要本着实事求是的态度，利用证据和逻辑作出自己的判断，必要时对自己的结论进行修改和完善。‎ 三、教材中的科学方法体系 科学探究能力的培养离不开三个要素：知识、方法和过程技能。人教版教材在教材设计过程中，在着力构建知识体系的同时，也力图构建符合高中学生探究能力发展需要的科学方法体系和技能体系。‎ 科学研究的方法大致包括三个层次：第一层次是学科内的特殊的方法，如生物学研究中的同位素标记示踪法、分离细胞器的方法、解剖的方法等；第二层次是科学研究的一般方法，这些方法是从物理、化学、生物学等自然科学研究中概括出来的适用于各门自然科学研究的共同方法；第三层次是最具有普遍意义的哲学方法，如唯物辩证法、矛盾分析法等，这些方法适用于自然科学、社会科学和思维科学。‎ 我们所说的科学方法主要指科学研究的一般方法，包括获取经验性材料的方法和理性思维的方法两大方面。‎ 科学研究离不开科学事实的发现和积累，而科学事实的发现和积累要靠观察和实验等获取经验性材料的方法（也叫经验方法）。问题的提出、假说的确立、支持结论的证据的获取，都要靠经验方法。经验方法包括观察法、实验法、调查法、模拟实验法等。从经验性材料（感性材料）的获取到问题、假说或结论的得出需要理性思维，因此理性思维的方法也是科学方法的重要方面，包括逻辑思维、形象思维、直觉和灵感、数学方法、模型方法和系统方法等。人教版教材中构建的科学方法体系见图1。‎ 图1 人教版教材中的科学方法体系 ‎1．观察法 观察法是指人们在自然发生的条件下，通过感官或借助于仪器，有目的有计划地考察研究对象，从而获得有关感性材料的方法。人教版初中生物学教科书中对观察法已经做过这样的表述：“观察是科学探究的一种基本方法，科学观察可以直接用肉眼，也可以借助放大镜、显微镜等仪器，或利用照相机、录音机、摄像机等工具，有时还需要测量。科学观察不同于一般的观察，要有明确的目的；观察时要全面、细致和实事求是，并及时记录下来；对于需要较长时间的观察，要有计划，有耐心；观察时要积极思考，多问几个为什么。在观察的基础上，还需要和同学交流看法，进行讨论。热烈的讨论能让你迸发思想的火花。”为避免与初中教材重复，高中教材中未做正式表述。‎ ‎2．实验法 在科学研究中，经验性材料的获取仅靠观察法是不够的，许多情况下还要通过实验。正如生理学家巴甫洛夫所说，观察是收集自然界所提供的东西，而实验则是从自然现象中提取人们所期望的东西。关于实验法，人教版初中生物学教科书中已经作了初步介绍，高中教材中又进一步结合具体实验作了阐述，包括“控制变量”“对比实验”等。下面就高中教材中有关实验法的几个问题作简要说明。‎ ‎（1）科学方法论中的实验与中学生物教学中的实验 科学方法论中的实验是指根据一定的研究目的，在人为控制或干预研究对象的条件下进行的观察。它与单纯的观察是不同的。而中学生物教学中的实验，通常是指在实验室利用仪器设备进行的各种探究活动，它既包括科学方法论意义上的实验，也包括单纯观察类的活动，如观察多种多样的细胞、观察细胞的有丝分裂等。‎ ‎（2）实验组和对照组 实验的目的是探索仅靠观察所看不到的未知。为了探索这样的未知，必须对研究对象进行人为控制或施加某种影响。在对照实验中，经过这样的控制处理的一组事物称为实验组。为了确证实验组的结果是由人为进行的这种处理引起的，需要用同样的研究对象另外设置不作上述处理的一组事物进行观察，这样的未作实验处理的一组事物称为对照组。这里之所以强调“一组”，主要是考虑到平行重复的问题。简单地说，进行了实验处理的事物是实验组，自然状态（未加处理）的事物称为对照组。针对具体的实验区分实验组和对照组时，需要清楚实验控制的原理。实验控制的原理不外乎加法原理和减法原理两种：与常态相比，人为增加某种影响因素即加法原理，人为去除某种因素即减法原理。对不少教师来说，运用加法原理设计的实验，区分实验组和对照组比较容易；运用减法原理设计的实验，区分实验组和对照组时则常常困惑。例如，在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，1号试管处于常温环境（不加热），也不加任何催化剂，2号试管加热、3号试管加FeCl3溶液，4号试管加肝脏研磨液。这显然是运用加法原理进行控制的实验，1号属于对照组，2号、3号、4号属于实验组。又如，德国植物学家萨克斯做的证明光合作用产生淀粉的实验：对天竺葵进行“饥饿”处理后，让叶片的一半曝光，一半遮光，过一段时间后用碘蒸气检验。叶片在自然状态下总是要见光的，人为地将一半叶片遮盖起来，让光照（实质是光合作用）这一因素处于缺失状态，这实际上就是运用的减法原理，这一组应当属于实验组，曝光的一半叶片则属于对照组。有人持相反观点，原因有二：一是被“饥饿”处理所迷惑，二是认为遮光的一半叶片缺少实验因素。其实，“饥饿”处理只是为了使实验效果容易检测，与实验中的变量控制是无关的；遮光的一半叶片并非缺少实验因素，而是对实验因素进行的一种控制（即去除）。‎ ‎（3）设置对照的必要性 上文言及，生物学中大多数实验需要设置对照。换言之，并非所有的实验都必须设置对照。例如，孟德尔的豌豆杂交实验就未设对照，因为在自然状态下豌豆都是自花受粉的，其后代都是纯种，做杂交实验时当然就没有必要设置对照了。是否设置对照组，关键要分析设置对照的必要性。‎ ‎（4）单因子实验和多因子实验 人教版教材在介绍“控制变量”时有这样一句话：“在对照实验中，除了要观察的变量外，其他变量都应当始终保持相同。”不少老师对这句话反复强调，甚至推而广之──“所有的生物学实验都要保证自变量只有一个”。其实，这句话只是就单因子实验来说的。对双因子实验或多因子实验来说，这句话就显得过于简单和绝对了。例如，人教版教材生物选修1《生物技术实践》中的“果胶酶在果汁生产中的作用”这一课题，要求学生将温度和pH作为同时存在的因素，探究果胶酶活性发挥作用所需的最佳温度和pH。因为果胶酶在不同温度下会有不同的最适pH,在不同pH下也会有不同的最适温度，因此，这就是一个双因子实验，它是由一系列单因子实验所组成的，每一个单因子实验可以看做只有一个自变量的对比实验。‎ ‎3．调查法 人教版初中生物学教科书中对调查法已经做过这样的表述：“调查是科学探究常用的方法之一。我国的森林资源每五年清查一次，这就是调查。人口普查也是调查。调查时首先要明确调查目的和调查对象，制订合理的调查方案。有时因为调查的范围很大，不可能逐个调查，就要选取一部分调查对象作为样本。调查过程中要如实记录。对调查的结果要进行整理和分析，有时要用数学方法进行统计。”学生在初中阶段对随机取样、确定样本大小、设计记录数据的表格、计算平均值等调查方法已经有所体验，在高中仍需要进一步练习，如“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”“土壤中小动物类群丰富度的研究”“调查当地农田生态系统中的能量流动情况”等。‎ ‎4．模拟法 在科学研究中，有时不能对研究对象直接进行控制或干预性的操作，需要设计和构想出研究对象的替代物，通过对替代物的实验来获取经验性材料，这种方法称为模拟法。例如，必修1教材中“细胞大小与物质运输的关系”实验，必修2教材中“性状分离比的模拟实验”，必修3教材中“生物体维持pH稳定的机制”实验，所采用的都是模拟法。‎ ‎5．逻辑思维 科学重视证据和逻辑。上面所述4种方法主要是用于获取证据的，下面对逻辑思维的方法作简要说明。‎ ‎（1）归纳和演绎 归纳和演绎是一对思维方向相反的推理形式和思维方法。归纳是从特殊事实中概括出一般原理或规律的推理形式和思维方法，演绎是从一般到特殊，根据一类事物都有的一般属性、关系、本质来推断这类事物中的个别事物所具有的属性、关系和本质的推理形式和思维方法。细胞学说的提出，显然是运用了归纳推理；孟德尔对测交实验的预测，则是运用了演绎推理。归纳和演绎各有优势，也各有局限性，二者是互为补充、相辅相成的。从近代科学到现代科学，以观察（实验）—归纳为主的方法逐渐让位给以假说—演绎为主的方法。这是因为现代科学从总体上来说，已经不是处在经验材料的收集阶段，而是处于高度的理论概括和演绎的阶段。由于数学、计算机科学等工具学科的发展，人们能够凭借这些工具提出假说，然后演绎出理论体系或具体推论，再通过观察和实验来检验。当然，在应用假说—演绎法时，仍需要以经验归纳法作补充，以一定的实验事实为根据。‎ ‎（2）分析和综合 分析是把研究对象的整体分解为一个个部分分别加以研究的方法。例如，为了研究各种细胞器的化学组成，必须将各种细胞器从细胞中分离出来，分别加以研究。从近代科学到现代科学，一个基本特点就是把事物分成一段段、一层层地去研究，比如生物学中从个体到器官、组织、细胞、细胞各部分的结构、细胞各种结构的化学成分、DNA和RNA、基因……这样的研究使人们对事物的认识越来越深入，但也容易导致只见树木不见森林。综合是指把研究对象的各个部分或各个方面联系起来考察，从整体上去认识和把握研究对象的思维方法。分析是综合的基础，综合是分析的发展，二者是相互依存、相互渗透甚至是相互转化的。例如，关于细胞的结构和功能，教材先采取分析的方法，引导学生认识细胞膜、细胞核和各种细胞器的结构和功能，这就是分析；接下来引导学生认识细胞内各种细胞器的协调配合、细胞的生物膜系统，从整体上认识细胞，这就是综合。‎ ‎（3）类比 类比是指根据两个研究对象的相同或相似方面来推断它们在其他方面一致性的一种思维方法和推理形式。与归纳和演绎不同的是，类比是从特殊到特殊、从一般到一般的推理。例如，教材中介绍的萨顿的推理（根据基因和染色体行为之间的平行关系，推断基因位于染色体上），就是类比推理的范例。在科学研究中，类比推理是提出假说的重要途径，往往可以导致新发现、新理论。但是，应当注意的是，类比推理的结论具有或然性，可能是正确的，也可能是错误的，其证实或证伪还需要通过观察或实验。‎ ‎6．形象思维 形象思维是借助头脑中的形象材料来思考问题的一种思维方法。形象思维包括表象的再现、想象和联想。学生在学习生物学的过程中，会接触到许多直观的形象，这些形象会在学生头脑中形成表象。形象思维的过程就是这些表象的再现、联络和融合的过程。两个或两个以上表象的联络就是联想，许多表象的融合形成新表象的过程就是想象。生物学概念的建构离不开形象思维，例如，关于真核细胞的结构模型，仅记住各种结构名词是不够的，还需要学生在头脑中有一个立体的细胞形象。科学探究能力的发展也离不开形象思维。善于联想和想象是创造性思维的重要特征，教材为此安排了专门的内容。例如，在《免疫调节》中的非特异性免疫和特异性免疫部分，让学生联想城墙和城市中巡逻的警察；关于激素调节和神经调节的关系，让学生联想人类社会的两种通讯方式──广播和打电话；在群落的结构部分，让学生想象森林群落通过自然选择形成分层结构的大致过程。联想和想象活动给学生提供了十分广阔的思维空间，对于提高学生思维的广阔性、深刻性和灵活性是大有裨益的。‎ ‎7．直觉和灵感 直觉思维是指未经过推理分析而直接对问题的答案作出猜测、设想或顿悟的思维。直觉思维的本质特征是非逻辑性，它能打破常规思维定势和逻辑规则的束缚，因而是创造性思维的重要形式，发挥着逻辑思维不可取代的作用。正如一位学者所说：“光是逻辑是不能够使一个人产生新思想的，正像单凭语法不能激起诗意，单凭和声理论不能产生交响乐一样。”（6）爱因斯坦曾说过，在科学创造中“真正可贵的因素是直觉”。但是，直觉并非无中生有，它的产生是与掌握相关的知识和经验以及丰富的实际活动密切相关的（7）。‎ 灵感是指人们对于反复探究而未能解决的问题，因某种偶然因素的刺激感到灵光一现，突然领悟到答案的一种心理活动状态。其主要特征是突发性、不可重复性、综合性和模糊性。灵感不是凭空产生的，是研究者长期孜孜以求的结果。同时，它又是可遇而不可求的，正因如此才更宝贵。‎ 直觉和灵感是创新能力的重要要素。许多重大科学发现都离不开它们。但是，凭借直觉和灵感提出的假说、观点、设想等，往往是不完备、不精确的，还必须运用证据和逻辑做大量的工作才能使之渐趋完善。‎ 应当说明的是，一个人的直觉和灵感，不是靠一般的训练能产生的。因此，教材中没有安排有关的思维训练的内容，而是通过介绍科学家的故事，让学生在这方面有所感悟。‎ ‎8．数学方法 近现代科学的发展，是同数学方法的应用和发展紧密相联的。科学数学化成了现代科学发展的一个重要特点。马克思认为一种科学只有在成功地运用了数学之后，才算达到了完善的地步（8）。‎ 教材中需要运用数学方法学习的主要内容有：孟德尔的遗传规律，DNA中遗传信息的多样性，遗传密码，种群基因频率的变化，种群的增长，生态系统的能量流动。需要运用数学方法进行探究的活动有：（1）必修1教材中细胞大小与物质运输关系的实验；（2）必修2教材中性状分离比的模拟实验，探究脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性，碱基与氨基酸对应关系（思考与讨论），调查人群中的遗传病，用数学方法讨论基因频率的变化（思考与讨论），探究自然选择对种群基因频率变化的影响；（3）必修3教材中用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度，探究培养液中酵母菌种群数量的变化，土壤中小动物类群丰富度的研究，生态系统的能量流动特点（资料分析），分析和处理数据（技能训练）。此外，在选修1教材中也安排了需要运用数学方法的探究活动。‎ ‎9．模型方法 无论在科学研究还是在学习科学的过程中，模型和模型方法都起着十分重要的作用。《标准》已将模型纳入基础知识范畴，并且将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。‎ 必修1教材对模型的定义是：“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。”美国《国家科学教育标准》中的表述是：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构。”（9）‎ 模型的方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。‎ 关于模型的形式或种类，不同论著中的说法不尽相同。有的将模型分为物理模型、理想模型和数学模型三类，其中理想模型是指具有高度的抽象性又具有某种极限特征的理想客体或事物，如理想气体、理想刚体、理想质点等（10）；有的将模型分为物理模型和数学模型两大类，而物理模型又包括物质模型和思想模型两类，其中思想模型是物质模型在思维中的引申，包括具象模型和抽象的理想化模型（11）；有的将模型分为物理模型、概念模型和数学模型三类，“学生的探究活动最终应该构造一种解释方案或一个模型。模型可以是物理模型、概念模型或数学模型。”（12）“物理模型、数学模型和概念模型是用来学习被认为相似的事物的工具。”（13）考虑到高中学生的认知水平和教师教学处理的便利，教材中采用的是最后一种分类。‎ 教材中所说的三种模型的含义如下：物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型，如人工制作或绘制的DNA分子双螺旋结构模型、真核细胞三维结构模型等；概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型，如对真核细胞结构共同特征的文字描述、达尔文的自然选择学说的解释模型等；数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式，如“J”型种群增长的数学模型Nt=N0λt。应该指出，物理模型既包括静态的结构模型，又包括动态的过程模型，如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等，就是动态的物理模型。‎ ‎10．系统分析方法 ‎《标准》在“课程设计思路”中指出，“生物3：稳态与环境”模块有助于学生领悟系统分析、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用。可见，系统分析的方法是必修3科学方法的侧重点之一。‎ 系统分析是明确系统的边界后，在分析系统组成要素、层次结构的基础上，分析系统各组分间相互影响的定量关系，建立系统的数学模型，并利用计算机对系统结构优化，使系统具有功能整合作用的问题分析方法。系统分析一般包括四个阶段：第一阶段是定性分析，包括划分系统边界、确定系统组分、分析系统层次、明确问题及研究目标；第二阶段为定量研究阶段，包括定量研究各组分间的影响关系、建立系统数学模型；第三阶段为模型分析阶段，是在认识系统动态规律的基础上，确定系统模型的参数，进行模型试验，优化系统功能；第四阶段为系统结构优化阶段，是通过模拟分析，优化系统结构，实行系统调控，使系统具有系统功能整合特性，实现优化的系统功能。限于高中学生的发展水平和需要，本模块并不要求学生掌握如此完整的系统分析方法，而是重在领悟系统方法的思想，初步学会从系统的整体出发，分析整体与局部、部分与部分、整体与外部环境之间的相互关系。在进行有关系统分析的探究活动时，主要做系统分析的第一阶段的工作，有些活动可深入到第二阶段，比如建立种群增长的数学模型、生态系统的能流分析等。‎ ‎11．三个必修模块教材的科学方法教育侧重点 上述科学方法的内容广泛分布在每个必修模块的教材中，但是，每个必修模块教材的科学方法教育又有不同的侧重点。从研究问题的思路上来说，必修1教材侧重在观察归纳法，必修2教材侧重在假说演绎法，必修3教材侧重在系统分析法。从具体的研究方法来说，必修1教材侧重在观察法和实验法，必修2教材侧重在演绎推理的方法，必修3教材侧重在调查法和数学模型的方法。‎ 四、教材中科学探究活动的设计 ‎1．教材中科学探究活动设计的原则 第一，科学探究活动的设计要体现课程标准的要求。《标准》对科学探究能力提出了十一项要求，教材要根据这十一项要求来设计相应的探究活动。《标准》的内容标准部分，针对具体教学内容提出了相应的活动建议，这些活动建议是教材中探究活动设计的重要参考，也可以视教学内容的相关性和活动的可行性而做调整。某些探究活动是列在《标准》的具体内容标准中的，这些探究活动是要求每个高中学生必做的，在教材中必须认真落实，如“尝试建立真核细胞的模型”“研究影响光合作用速率的环境因素”“观察细胞的有丝分裂并概述其过程”“搜集生物变异在育种上应用的实例”“探讨生物进化观点对人们思想观念的影响”“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”“讨论某一生态系统的结构”。‎ 第二，科学探究活动的设计应以建构知识、发展能力为主要目标。一项探究活动的设计，应当首先考虑学生通过这项活动建构哪些知识，如何建构这些知识；发展哪些方面的探究能力，确定能力目标侧重点，在活动方案中提出要求。‎ 第三，科学探究活动的设计应与初中教材相衔接。初中生物课程标准实验教材中安排了许多探究活动，关于科学探究的过程、方法和技能，学生已经有一定的基础，因此，高中生物教材中科学探究活动的设计应当考虑好与初中课标教材的衔接问题。例如，关于探究的一般过程（六个环节）、观察法、实验法、调查法等，初中教材中已经介绍，并安排了相应的活动，高中教材应当避免简单重复。‎ 第四，科学探究活动的设计应当以科学方法为重要线索。以往教科书中实验内容的选取和安排基本是以知识为线索的，往往是先设计好教科书的知识体系乃至详细编写提纲，然后再针对各章节知识内容配上实验。因此，实验基本上是依附于知识内容而存在的。全书实验的安排缺乏科学方法上的整体考虑。换言之，传统教科书知识体系的完整性是以牺牲科学方法体系的完整性为代价的。为避免重蹈覆辙，应当在设计教科书知识体系的同时，设计完整的科学方法体系，然后将两者进行整合，使之形成有机的整体。‎ 按课程标准的要求，中学生在生物课中重点学习科学探究的一般方法。以实验的方法为例，如何选择实验材料，如何设置对照，如何控制实验条件特别是可变因素，如何设置重复组，如何减少实验误差，如何记录和分析实验数据等，都需要精心设计相应的活动来引导学生学习和领悟。‎ 第五，科学探究活动的设计应当丰富多样。按照生物课程标准的要求，只要是学生积极主动地获取生物科学知识、领悟科学研究方法而进行的各种活动，都是科学探究活动。科学探究通常包括提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论和表达交流这六个环节。之所以说“通常包括”，有并非千篇一律的意思。问题是探究的发端，但作出假设并非所有的探究所必需的环节。制定和实施计划实际上就是收集证据。收集证据的途径有观察、实验、模拟实验、调查、收集和分析资料等。因此，教科书中的科学探究活动可以依收集证据方法和途径的不同，而提供不同的活动建议。就某一具体教学内容来说，究竟设计成哪一种活动，要视内容特点、学生基础和中学条件而定。‎ 第六，科学探究活动的设计应当体现开放性和引导性的统一。要通过探究活动培养学生的探究能力，就必须给学生充分的动手动脑的机会，要求学生自主提出问题、制订探究方案和实施探究，也就是说，探究活动的编写应给学生的自主性留出较充足的空间。但是，探究活动的设计开放性过大，学生可能会茫然无措，因此，还需要适当的引导。比如，通过一定的提示，提供给学生思考问题的线索，或通过一些思考题，使学生在材料的选择或实验设计上得到一定启发，等等。‎ 第七，科学探究活动的总体设计应当具有合理的能力梯度。学生科学探究能力的培养决不是一蹴而就的，需要经过模仿、练习、部分独立设计、独立设计等阶段。因此，教科书中科学探究活动的设计应当具有合理的能力梯度。比如，关于提出问题的能力，学生一开始学习生物课，往往不知道如何提出问题，提出的问题可能没有探究价值，这就需要先安排一些给定问题的探究，而教科书中问题的提出应当提供一定的问题情境，让学生明白问题的由来。也可以安排一些简单的问题情境，引导学生自己提出问题。接下来安排的探究活动，可以就具体的问题情境，提出几个问题，让学生从中选择他们最想探究的问题。最后安排由学生独立提出问题的活动。再比如实验方案的设计，应当先通过具体的案例，让学生明白什么是对照实验，如何设计对照实验，按照或参考既定的实验方案完成实验操作，然后让学生自己设计对照实验。‎ ‎2．教材中科学探究活动的类型 上文已经述及，科学探究是有多个侧面的活动，可以是观察、实验或调查，也可以是资料的搜集和分析；有的侧重在探究的某个环节，有的则是较完整的探究。教材中根据不同探究活动在写法和能力目标上的不同，分为实验、探究、模型建构、资料分析、资料搜集和分析、思考与讨论、技能训练和调查等类型，这些类型的名称只是为了区别活动栏目的特点而设置的，不是严格的科学方法意义上的分类。详见下表。‎