高中生物學科思想方法的思考

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摘要以高中生物學科知識為載體，挖掘其中蘊含的部分學科思想，通過案例說明學科思想對方法的指導作用。

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關鍵詞學科思想學科方法教育價值實驗探究

中圖分類號Q-49文獻標識碼E

在當代科學技術領域中，基因工程、生物芯片、克隆技術等生物技術在社會發(fā)展中顯示出強大的經濟力量，其中所蘊含的生物科學思想、原理和方法，正在對其他學科和社會變革產生廣泛而深遠的影響。對學生進行生物學科思想教育能在很大程度上影響著學生未來知識儲存和能力發(fā)揮的狀況，對提升生物課程的教育價值有一定意義。

1生物學科思想與學科方法的教育價值

1.1生物學科思想與學科方法的思辨

生物學科思想是人們對生命科學本質規(guī)律的理性認識；而生物學科方法是在解決生物學科問題過程中所采用的各種手段和途徑。二者既有聯(lián)系又有區(qū)別，生物學思想是生物學方法的理論基礎，生物學方法是實施有關生物學思想的技術手段。運用學科方法解決問題的過程，是感性認識不斷積累的過程，當這種積累達到一定程度就會產生飛躍，從而上升為學科思想；而生物學科思想是生物學知識的精華，又反過來對學科方法起著指導作用，為學生理解和掌握生物學的本質提供了優(yōu)化的途徑。

1.2生物學科思想與學科方法的教育價值

長期以來，生物學教育過分注重知識的傳授，對生物學概念和定律的發(fā)生發(fā)展過程揭示不夠，更忽視了讓學生通過體驗去思考知識背后的思想和方法，因此學生所學的知識很難在不同情境中靈活地遷移，束縛了學生創(chuàng)造性思維的發(fā)散。學科思想相對于零散的知識點而言，更易內化為人的主觀認識，因此在生物教學中，以大量的知識為載體，讓學生在認同和理解學科思想和方法的基礎上，通過實踐形成自身的情感、態(tài)度和價值觀，這將直接影響他們對生命本質認識的敏銳性和準確性，對學科思維的形成有一定的指導作用。

2生物學科思想的內涵

生物學科思想指那些對學科學習最具影響力的觀念、思想和見解，它們內隱并不外顯，積淀在生物學知識的形成過程中。從這個意義上說，教師在講解生物學知識時，應該挖掘這些思想內涵，并將其自然而然地呈現(xiàn)出來并獲得認同。這也是教師引導水平與課堂智慧的體現(xiàn)。

2.1辨證唯物主義思想

在生物學中包涵著許多自然辯證法思想，其核心就是對立統(tǒng)一的思想，在生命活動的過程中，普遍存在許多矛盾的運動，例如同化作用與異化作用、遺傳與變異、生物適應性的普遍性和相對性等。這些都表現(xiàn)出對立統(tǒng)一的關系。同化與異化作用的對立統(tǒng)一是生命活動的基礎，而生命繁衍過程中的遺傳和變異，在維持物種穩(wěn)定性的基礎上發(fā)展生物的多樣性，是推動生物進化的內在動力。

生命運動的基礎是生物體內物質的化學變化，生命科學研究中越來越多地運用物理和化學手段來揭示生命運動的規(guī)律恰恰基于世界的物質觀，因為細胞和組織都是物質的、運動的。

從病毒、細菌、植物、動物直至人類，生物世界盡管表現(xiàn)形式千姿百態(tài)，但不同的生物卻高度統(tǒng)一，其最基本的組成物質都是核酸和蛋白質，并且無論生物的進化位置如何，幾乎都在遺傳表達中使用同一套遺傳密碼。教師在教學中適時向學生展示在分子進化上所體現(xiàn)的“大一統(tǒng)”的格局，有利于促進學生形成辯證的思維方式，客觀而理性地看待生物的適應性與多樣性。

2.2自組織與非因果決定性思想

奧地利物理學家薛定諤曾在《生命是什么》中指出：“用經典物理學和化學去描述生命現(xiàn)象是不可能的，經典物理學中一種原因只能產生一種結果的機械決定論模式并不適應生命世界?！?/p>

生命系統(tǒng)最基本的特性是開放性和自組織，即通過與外界環(huán)境交換物質和能量，通過自身的演化而形成的一個穩(wěn)定而有序的系統(tǒng)，但這種穩(wěn)定不是封閉系統(tǒng)中的平衡，而是一種動態(tài)的平衡，是一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此復雜的生命系統(tǒng)在與環(huán)境共同作用的過程中，既有規(guī)律可循，同時也存在很多不可預測的“變數(shù)”。例如傳統(tǒng)遺傳學認為一種性狀由一對基因決定，二者之間有決定性的因果關系，但是，這種簡單的模式不利于了解生物大多數(shù)復雜的性狀，許多性狀由多對基因控制，它們控制著生物體內成千上萬的化學反應，同時反應的產物又會反作用于基因的表達，這些基因的傳遞并不簡單地遵循孟德爾遺傳定律，這種基因與環(huán)境之間高度復雜的交互作用決定某種性狀出現(xiàn)的傾向性和易感性，并非因果關系。生命運動的每一個過程都有非常多的發(fā)展方向，生物體內中某個微小的變化就可能改變這個系統(tǒng)的演化方向，正是因為生命系統(tǒng)具有混沌和非線性的特點，生命現(xiàn)象和生命活動的規(guī)律往往并不遵循因果決定原則，大都表現(xiàn)為統(tǒng)計學意義上的規(guī)律，這種概率性源于生物的個體差異和隨機性，與機械運動有著明顯的不同。

教師在教學過程中滲透自組織與非因果決定性思想，可以幫助學生從整體觀來認識生命運動的不確定性，用多元、理性和寬容的觀點來看待生命科學的發(fā)展。

2.3信息流思想

生命系統(tǒng)是物質、能量和信息的統(tǒng)一體，掌握生命活動的規(guī)律，不僅要研究生命活動中的物質和能量的變化，還要研究系統(tǒng)內部的信息傳遞作用。生命活動中的許多過程，如生長發(fā)育繁衍過程、免疫反應以及生態(tài)平衡等，雖然外部表現(xiàn)為物質或能量的變化，但本質都是信息的傳遞和交流的過程。

生命活動的信息流主要包括遺傳信息流、生命活動信息流與生態(tài)系統(tǒng)信息流。遺傳信息流即“中心法則”，指遺傳信息的傳遞與表達的過程，該過程指導著細胞中物質和能量的一系列變化從而控制生物的性狀；生命活動的信息流即生物體的應激調節(jié)，通過特定細胞釋放的激素、乙酰膽堿等化學信號分子經體液運輸?shù)竭_靶細胞，啟動靶細胞一系列生化反應，以適應不斷變化的外部環(huán)境；生態(tài)系統(tǒng)信息流指生態(tài)系統(tǒng)內部的信息交流，即生物之間通過物理、化學和行為信息等調節(jié)生物的種內與種間關系，從而維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。教師在教學中幫助學生從信息論的視角認識生命現(xiàn)象，有利于使學生認識不同層次生命系統(tǒng)的反饋調節(jié)機制，使他們形成一個較全面的動態(tài)平衡思想，從而更好地理解生產生活實踐中相關原理的運用。2.4生物演化思想

生物進化是指生命形態(tài)發(fā)生、發(fā)展演變的過程。高中生物教材中不僅有專門的章節(jié)表述（人教社必修2的第七章“現(xiàn)代生物進化理論簡介”），而且整個教材不管是內容編排還是知識結構上，都折射出進化的思想。

現(xiàn)代達爾文主義認為，變異、選擇和適應貫穿在任何一個物種的演化過程中，這是生物與環(huán)境相互作用的結果。例如在有性生殖的過程中，由于配子形成過程中染色體組成的多樣性與精卵結合的隨機性，同一雙親的后代呈現(xiàn)幾乎無限的多樣性，另外由于性別、年齡、免疫系統(tǒng)以及在開放系統(tǒng)中所收集到的信息不同，有性生殖的種群中不存在兩個完全相同的個體。再比如高等生物每105～108個生殖細胞才有一個發(fā)生基因突變，但在擁有大量個體的群體中就足以提供豐富的變異來源，多樣性為生物進化提供大量的選擇材料，生物圈就在這樣的物種演變中維持著自身結構與功能的穩(wěn)定性。

教師在教學過程中融入進化的觀點，可幫助學生認識到生物進化是物種演變而非物種進步，因此人類只不過是自然界眾多物種的一個分支，人類的行為作為自組織系統(tǒng)的一個部分也將影響自然界中物種的演變，從而最終改變人類自己。

3生物學科方法示例

認識生命現(xiàn)象，探究生命活動本質的過程離不開科學的方法。從方法論的角度看，生命科學研究的方法包括一般科學方法和具體科學方法。一般科學方法包括觀察、調查、分類、實驗、分析等。具體科學方法指控制變量法、假說演繹法、模型構建法等。生命科學的研究往往是通過大量的實驗證據(jù)來支持某個生物學的觀點，圖1以實驗探究為例說明生命科學研究的特殊方法。

實驗探究是針對研究目的，在人為控制條件的基礎上，對研究對象進行干預或處理后，觀測所產生效應的研究方法。該過程包括提出問題、作出假設、設計實驗方案、實施實驗、分析實驗結果等（圖1）。

案例：探究鉛中毒對大鼠學習記憶的影響。

步驟一：提出問題，做出假設。

汽車尾氣及工廠排放出的廢氣使空氣中聚集大量的鉛塵，鉛塵懸浮物離地面大約0.8m，因此鉛會輕易地通過呼吸道和消化道進入兒童體內；另外兒童喜食的膨化食品、經常用的蠟筆、鉛筆和一些色彩特別鮮艷的圖書、餐具以及用油漆刷過的積木等玩具，都含有鉛的成分，經常接觸鉛的孩子行為活動能力減慢。由該背景作出假設：鉛中毒可能影響動物的神經活動。

步驟二：設計實驗方案并實施。

選擇大鼠為實驗對象，分為四組，設置三個醋酸鉛溶液飲用水平：0.05、1、2g?L-1，對照組飲用蒸餾水。連續(xù)飼喂60d后，進行水迷宮實驗，在池水中加入少量墨水使大鼠無法看到水下隱蔽平臺。讓大鼠從四個方向入水點入水，訓練其尋找水面下隱蔽平臺。重復訓練4d后撤去平臺。

本實驗醋酸鉛染毒組為實驗組，飲水組為對照組，測定從入水點到原平臺水域的時間用以反映大鼠學習記憶的能力。如果條件許可，還可測定腦組織勻漿鉛含量及乙酰膽堿酯酶（AchE）活性。

步驟三：記錄與整理數(shù)據(jù)。

本實驗可能受到的影響因素很多，大鼠的個體差異、水浴溫度、入水方向、人為操作與觀察角度的變化等因素均可能干擾大鼠尋找平臺。為減少誤差，由同一人采用固定的操作模式，大鼠訓練時不要有人在場，在另一處用視頻探頭跟蹤觀察。應盡可能采集足夠的樣本數(shù)量，及時記錄并整理。

步驟四：分析實驗結果是否支持假設。

飲用水中醋酸鉛濃度越高，大鼠到達原平臺水域的時間越長，說明鉛中毒可能影響大鼠的學習記憶能力，支持假設。

該活動涉及到生命周期、環(huán)境控制、變化緩慢等問題，實驗數(shù)據(jù)的離散度比較大，得出結論并非易事，。在討論交流的過程中，學生認識到對于復雜的生命系統(tǒng)的研究，不能只進行單因子分析，還應分析無關變量對實驗結果的影響，揭示控制條件與觀測結果的對應關系必須有大量的樣本支持，該活動的結果表現(xiàn)為統(tǒng)計學意義上的規(guī)律。

該案例為2024年全國高考福建生物卷第27題的背景，其中所蘊含的生物學科思想和方法非常豐富，校本選修活動借鑒該背景開展實驗探究，有利于培養(yǎng)學生科學探究的能力和勇于探索的科學精神。

總而言之，學科思想方法的教育理念對教師的專業(yè)素養(yǎng)與引導水平提出了更高的要求，教師有意識地通過生物學科知識引發(fā)學生思考，讓學生在“方法”或“哲學”層面上認識生命運動的一般規(guī)律，是生物課程教育價值的重要體現(xiàn)。

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