初中生物学科学方法体系的建构及其教学建议

寄居蟹

摘要：科学方法是科学课程中的重要内容，是科学素养的重要组成部分。人教版生物学教科书中涉及的科学方法有观察法、实验法、比较与分类、归纳与演绎、分析与综合，等等。在科学方法的教学过程中，切勿形式化，一定要让学生亲身体验，借助于经典的实验，并结合技能训练进行学习。
关键词：科学方法，生物学教科书，科学方法体系，教学建议
学习科学方法，特别是科学活动中常用的实验方法和逻辑思维方法，用掌握的科学方法去进一步获取科学知识，分析和解决生活中常见的现象和问题，是科学课程教育中的重要内容。
1．科学方法的定义及其教育价值
科学方法是科学进步的动力和组成部分,没有科学方法就没有科学的发生和发展。从生物科学发展史的角度看，每项重大的科学发现和科学进步，都离不开新的科学方法的出现和应用。例如，细胞学说的提出离不开利用显微镜进行显微观察的科学方法；光合作用生理机制的发现离不开同位素标记法；基因的分离定律和自由组合定律的提出离不开假说演绎的方法，等等。
科学是系统的观察、实验与严密的逻辑思维相结合的产物，科学方法是人类在所有认识和实践活动中所运用的全部的正确方法，是科学认识活动的重要手段1。由此可见，观察、实验和逻辑思维是组成科学方法的重要内容，科学方法既是一种思维方式，也是一种实践活动。
科学方法在科学课程教学中的作用有三个方面：一是获取科学知识的重要工具，即学习科学知识需要科学方法作为保障；二是运用所习得的科学方法，将其应用和迁移，解释和解决自然和社会环境中的各种现象及问题，为个人和社会的决策提供基础服务，为适应将来的社会生活和工作实践做准备；三是形成良好的思维习惯、严谨的思维方式。
科学方法还体现了科学的求真、求实和进取精神, 蕴含着科学的怀疑意识和批判意识2，是科学素养的重要组成部分。
2．义务教育生物学中科学方法的层次和类型
从获取和处理信息的角度看，科学方法可以分为两类：获取信息的方法和处理信息的方法3，获取信息的方法包括：观察、实验、调查、模拟等方法；处理信息的方法包括：逻辑思维方法、形象思维方法、模型方法、系统方法和数学方法，等等。赵占良将科学方法分为“获取经验性材料的方法”和“理性思维的方法”4。这两种分类方法的基本思想是一致的。
针对科学方法的难易程度，可以将初中生物学教科书中出现的科学方法分为三种类型：一般科学方法、高级的科学方法和生物学科内的科学方法（表1）。
表1　初中生物学教科书中科学方法的三个层次

层次类型        
具体内涵        
表现形式举例

一般科学方法        
从理科研究中概括出来的适合各个科学进行普遍研究的科学方法        
观察、调查、实验、模拟


高级的科学方法        
具有逻辑思辨能力和哲学意义内的科学方法        
逻辑思维方法、形象思维方法、模型方法、系统方法

生物学科内的科学方法        
适合于解决生物学科内具体问题的科学方法        
培养细菌、真菌的一般方法、生物分类


观察和实验是初中生物学教学中最基本的科学方法；高级的科学方法中，逻辑思维方法占据着重要的地位，如比较、分类、归纳、演绎、分析、综合，等等，是学习科学知识，训练思维能力的核心方法。
3．义务教育生物学中重要科学方法的解析
人教版义务教育生物学教科书十分重视科学方法的学习，建立起一个比较清晰的便于学生学习的科学方法体系：教科书设计了一个专门介绍科学方法的栏目，一方面结合教材内容，循序渐进地介绍了初中学生应该学习的科学方法，另一方面突显了科学方法的重要地位。下面结合教学内容分析其中一些重要的科学方法。
3．1 观察法
观察法是指运用各种感官或感官延伸工具收集信息的方法。科学观察一般是指人们在科学研究中有目的，有意识地对事物和现象进行感知、描述和记载的方法。5
按照观察的结果和性质来分，可以将观察分为定性观察和定量观察。初中生物教学中的观察以定性观察为主，个别实验涉及定量观察。例如，对细胞的形态、结构的观察，对植物的组织和器官进行观察，对动物的外部形态结构和内部的生理结构进行观察，都是定性观察；观察水蚤心率的跳动情况则是定量观察。
科学观察时，要有明确的观察目的。一般情况下，观察目的由教师确定，即教师提出观察的对象和问题，学生观察后实事求是地回答这些问题；如果观察的对象比较宽泛，或由学生自主观察，则需要学生在观察时做到全面、细致和实事求是，并及时记录观察到的信息。
在实际的教学活动中，单纯的观察活动比较少，往往需要与分析、归纳、比较等其他的科学方法结合在一起。例如，观察森林生态系统，分析其中的植物、动物和真菌的角色；观察不同动物细胞的形态和结构，归类总结出动物细胞的共同结构特点；观察动物细胞和植物细胞，比较其共同点和不同点。由此可以看出，观察是科学方法和科学课程教学中最基础，也是最重要的科学方法和学习内容。
3．2实验法
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所进行的观察活动。中学生物学教材中的实验，通常是指在实验室中利用仪器设备进行的各种探究活动。
实验是初中生物教学的重要内容。从实验中获取科学方法，运用这些科学方法开展新的实验，既是教学的重点和难点，也是学生必须具有的基本技能。下面结合中学教学层面上分析教学时经常遇到的而且必须解决的一些问题。
（1）什么是对照实验
在研究一种条件对研究对象的影响时，所进行的除了这种条件不同以外，其他条件都相同的实验。对照实验最少有两个实验组构成。一般情况下，将要研究的条件称为自变量，其他影响实验结果的条件称为无关变量，由自变量的变化所引起结果的变化称为因变量。对照实验分为实验组和对照组。实验组与对照组的不同就在于自变量的不同，无关变量应该保持一致，得出的实验结果就能够科学而又严谨地说明自变量的影响情况。
（2）如何区分实验组和对照组
首先要看你的研究目的是什么。因为研究目的不同，实验组和对照组有可能是相反的。例如，“探究光是不是光合作用的条件”是一个探究性实验。从逻辑上分析，为什么我们要探究“光是不是光合作用的条件”呢？是因为探究者（学生或未知者）不能肯定光是光合作用的条件，但是探究者有这样的基本认知：植物的生活是离不光的，淀粉是光合作用的产物。为了作出准确的判断，这时就需要设置一个“遮光”组来证明自己的判断，看看在“遮光”的条件下，植物是否也能够产生淀粉。这时的“遮光”组就是实验组，没有“遮光”组，就不能准确地判断光与淀粉之间的关系。在自然状态下的“有光”一组就是对照组。因此，可以通过下面的定义来确定实验组和对照组：一般认为，通常把经过控制处理的一组，或者未知实验结果的一组称为实验组；未经过处理的一组，自然状态下或者已知实验结果的一组称为对照组。关于自变量的控制，有两种方法，一是“加法原理”，另一种是“减法原理”。即指与常态相比，人为地增加或减少某种因素操作的原理，如增加或降低溶液的pH。
上述分析并不是判断实验组和对照组的万能方法。在验证性实验中，由于研究者的目的非常明确，只是想证明某种因素对实验结果的影响，这时，所要验证的因素的一组就是必需实验，就是实验组，而没有这种因素的一组就是对照组。以“实验绿色植物在光下产生淀粉”为例，因为实验者已经知道植物在光下能够产生淀粉，只是想用实验证明的确如此，这时“有光”就成为必需实验，是实验组，但只“有光”一组能说明问题吗？显然是不行的，这时就需要设置一个对照组“遮光”实验来反证在光下植物的确能产生淀粉，而且产生的淀粉不是植物从其他部位合成并运输过来的。“遮光”组起到了一个反证（或推理）的作用或者对照的作用，是不能够直接证明“植物在光下能够产生淀粉”这一判断的。
需要注意的，教学中我们不能过分强调实验组和对照组的区别，在很多情况下两组实验是相互对照的，是无法区分实验组和对照组的。如果把精力用在实验组和对照组的区分上，就违背了实验设计的本来目的。另外，并不是所有的实验都需要设置对照实验，一些物质鉴定的实验，植物杂交实验都不需要设置对照实验。应该避免实验设计的机械化和模式化。
3．3 比较与分类
比较是人们根据一定的认识和实践目的，把一事物与其他事物的属性和特征加以比较，以确定事物之间的共同点和差异点的思维方法6。比较法是初中生物教学中常用的方法。例如，比较植物和动物的共同特点，从中发现生物的共同特征，这是比较法中的求同思维；比较单子叶植物和双子叶植物的叶脉特点，这是求异思维的体现；比较植物细胞和动物细胞，找到其共同点和不同点，这就是比较法中的既求同又求异；一般来说，在相异的对象间探求相同点，在相同的对象间探求相异点，能够更好地认识和把握事物，同时更好地训练学生的求同、求异思维。
比较时需要根据比较对象的特点和教学目的确定比较范围的大小。例如，可进行全面或局部比较，纵向或横向比较，单项比较或多项比较，简单比较和复杂比较。教学时，要明确比较范围，做到重点突出。
分类是根据对象的共同点和差异性，把对象分为不同种类的逻辑思维方法。比较是分类的基础，只有比较对象的共同点和差异性，才能进行科学的分类。分类分为“分”和“类”，“分”的依据是对象的不同点，“类”的依据是对象的相同点，分类体现了客观事物的共性与个性的差异，有助于人们更好地认识客观事物的本质特点。
依据人类对事物的认识是从现象到本质的深入过程，分类可分为现象分类和本质分类。在生物学教学时，学生往往被现象所迷惑，而没有从本质上将对象所分开。例如，学生很容易将蓝藻和绿藻都看成藻类植物，因为学生只看到它们都有“藻”字，但从本质上看，前者是原核生物，后者才是真核生物中的藻类植物。动物类群的教学中更是如此，从现象（ 表面的形态上看）是同一种生物，但从本质看又是不同的生物。例如，鲸看起来像鱼，但本质上是哺乳动物；蝙蝠看起来像鸟，但本质上是哺乳动物；泥鳅看起来像爬行动物，但本质上是鱼类。
比较和分类这两种科学方法在初中生物学教学中广泛用到，掌握这两种科学方法，对于生物现象及其本质的理解是非常有帮助的。
3．4 归纳与演绎
人们对事物的认识往往从个别开始，然后扩展到一般，再从一般进一步认识个别。归纳就是在个别中发现一般的推理形式和思维方式，演绎就是在一般中发现个别的推理形式和思维方式。归纳与演绎的实质表明,它们是两个对立的方面，是两个方向相反的认识方法，它们既是对立的又是统一的7。
在对生命现象和生物特征的认识过程中，首先是在个别的基础上归纳出一般的特征，然后利用一般的特征来演绎推理其他个别的特征。因此，归纳与演绎是认识生命现象的过程中不可分割的两个思维过程。例如，对鲫鱼、草鱼、鲤鱼等鱼分析的基础上归纳出鱼类的主要特征：生活中水中，用鳃呼吸，有鳍辅助游泳。然后利用鱼类的特征去推理其他的水生生物是不是鱼类，从而加深对鱼类特征的理解。
在进行归纳时不可能穷尽所有的个别，因此归纳出来的结论不一定是正确的，还需要演绎推理进行论证，因此，归纳和演绎是互为作用的。例如，鲫鱼的体表有鳞片覆盖，草鱼的体表有鳞片覆盖，鲤鱼的体表有鳞片覆盖；鲫鱼、草鱼、鲤鱼是鱼，所以鱼都有鳞片覆盖。这样归纳的结论显然是不全面的，也是不正确的，这正是归纳的局限性。如果归纳的结论不正确，在归纳的基础上进行演绎推理，显然演绎推理的结论也不会正确。按照上述演绎推理的结论，鳝鱼的体表没有鳞片覆盖，鳝鱼就不是鱼类；如果归纳的结论正确，演绎推理的结论当然正确。因此，用演绎推理来补充或论证归纳结论的正确性是非常有必要的。
3．5 分析与综合
分析是把研究对象的整体分解为一个个部分或局部，分别进行研究的思维方法。综合与分析相反，是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，分析之后要进行综合，综合之后要进行分析，可见，二者相互依存，相互渗透甚至相互转化7。
自然科学中的任何活动都离不开分析，无论是观察与实验，比较与分类，还是归纳与演绎都离不开分析，分析是最基本的科学方法。在分析的基础上进一步综合，是思维的延续和发展。
概念的形成就是分析与综合的结果。例如，针对森林中的植物、生长在树上的昆虫和啄木鸟，以及部分腐烂树桩上的蘑菇，分析这些生物之间的关系，以及在生态系统中所承担的角色和地位，就会得出生态系统中的生物成分类型及其作用的概念；当我们分析了光合作用的条件、场所、原料、产物等一个个环节之后，我们就会自然的综合出光合作用的概念。
4． 学习科学方法时需要注意的问题

4．1 科学方法的学习切勿形式化
进行科学探究是学习科学方法的重要途径。一些教师一提到科学探究，言必称探究的六个步骤：提出问题、作出假设、制订计划、实施计划、得出结论、表达交流。每个探究活动都要强调这六个步骤。这就是学习的形式化，表面上看起来是进行了科学探究，学习了科学方法，实际上是流于形式，注重于程序，忽视了不同对象中科学方法的具体内涵，忽视了科学探究的精神要素。
科学探究的本质是提出问题和解决问题。首先需要引导学生从观察活动中提出可以探究的问题，然后采取实验、调查、搜集资料、制作模型等方法搜集证据以解决问题。掌握了探究的本质，就不会只注重于形式，而会有针对性地学习在提出问题和解决问题的过程中所需要采用的科学方法。
科学方法中蕴含重要的求真、求是，开拓创新的科学精神。善用科学方法的人，其思维方式和行为规范会趋于理性，其价值取向会追求科学和真实，这都是科学素养的重要表现，需要在学习科学方法时逐步进行渗透。
4．2亲身体验是学习科学方法的重要途径
离开了实际的科学认识活动和科学实践活动,就无所谓科学方法。因此，实践出真知，实践是最好的老师。一种科学方法再好，再有效果，如果仅仅停留在口头上或只是背诵和记忆，是掌握不了这种方法的。
学开车的人最清楚，理论知识可以考满分，但没有实际的操作训练，是永远也开不了汽车的。一方面要学习科学方法，另一方面将科学方法应用于实践活动之中，通过实践活动强化科学方法的理解和掌握。教师一方面要利用好教科书中的科学方法进行有针对性地学习和训练，另一方面在开展教学活动时，要有意识地渗透科学方法的运用和迁移。总之，在学习科学方法时，尽量创造条件让学生亲身体验，加强理解和运用。还需要注意的是，重要的科学方法需要多次学习并反复训练，学生才能真正理解和掌握。
4．3借助于经典的科学实例或实验学习科学方法
经典的生物学实验是学习科学方法的最好载体。例如，普利斯特利的小鼠实验蕴含着控制变量和设计对照实验的科学方法；孟德尔的豌豆杂交实验蕴含着假说—演绎的科学方法；“光是光合作用的条件”实验，涉及控制变量和设计对照实验的科学方法，以及隔水加热和用碘液检验淀粉的学科内的科学方法。学习和操作这些实验，不仅能够理解和掌握其中的科学方法，还能训练其探究技能。
一项复杂的实验，可能存在多种科学方法，可以训练多项探究技能，因为学习的内容多，方法和技能比较复杂，这时要注意学习的重点是什么，哪些方法最为关键？做到心中有数，重点突出，教学效果才能更好。
4．4 结合探究技能的训练学习科学方法
在中学生物学教学中，科学方法与探究技能之间是相互依存的关系。科学方法可以转化为具体的探究技能，探究技能又需要科学方法做指导，训练探究技能就能强化科学方法的理解与掌握。因此，二者可以相互深化，互通互用，不可分割。
教师在教学的过程中，应该对初中四册教材中的科学方法和探究技能了然于胸，做到有计划、有步骤、有针对性地学习科学方法和训练探究技能，真正提高学生的科学素养。
4．5 注意科学方法的局限性
任何一种科学方法，在实践的应用中都会存在局限性，切莫以为运用了这种科学方法，得出的结果或结论就一定是真实可靠的。人的观察会存在一定的局限性，眼见不一定为实，还需要其他方面的证据来证实；实验的结果或结论也不一定完全正确，实验中存在很多可变的因素，这些因素都会影响实验结果；逻辑实证主义者认为，由归纳法获取的结论只是一种假说，而假说常常不能被证实，只能被证伪8。例如，人不能穷尽所有的植物叶片来进行实验，以证明植物的叶片在光下都能产生淀粉，归纳与实验也一样，不能穷尽归纳的对象，如果归纳的结论是错误的，演绎推理的结果肯定就是错误的。
正确理解科学方法的重要意义，不夸大，不缩小，用习得的科学方法解决生活中和学习中遇到的问题，关注科学方法的改进和创新，是理解科学方法重要意义的正确思想。


参考文献：
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