初中生物学科思想方法的研究

杨 威

(湖北省武汉市教育科学研究院 430030)

1 生物学科思想

生物学科思想是人们在认识生物的活动中运用科学方法的思想意识，是对生物的本质、特征和价值的基本认识。控制论、信息论和系统论是以系统与环境之间、系统内部的通信及传递为基础的一种控制系统，这个系统的特点是根据周围环境的某些变化来决定和调整自己的运动；把系统看作是借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现其有目的性的运动，综合研究系统的信息过程；要把事物当作一个整体或系统来加以考察[1]。

1.1 系统论的思想 系统论的核心思想是系统的整体观念。从系统论的观点来看，生命系统是一个高度有序的系统；开放的系统；具有耗散特征的系统(生命的维持需要不断的伴随着物质和能量的消耗)；又是远离平衡态的系统(生长、发育、群落演替、生态结构变迁)[2]。

初中生物学教材第一单元“生物和生物圈”阐明了生物离不开环境，生物与环境共同组成生态系统。在生态系统的结构和功能中，不同生物种群甚至生物个体都是生态系统中的一个元素，它不能独立于这个系统起作用，在生态系统中它有特殊的结构地位和营养级别，也有它的生态位。某一种群的变化，都会在整个系统内产生扰动，直到系统通过食物链、食物网的调节产生新的平衡。其中暗含了生命系统的结构层次，即同种生物的个体构成种群，不同种群相互依存构成群落，群落与无机自然环境构成了生态系统，种类不同的生态系统构成了生物圈。

第二单元“生物体的结构层次”阐明了细胞是最基本的生命系统，除病毒外一切生物都是由细胞构成的。细胞有细胞膜，把细胞与外界环境分隔开，使细胞成为一个相对独立稳定的单位，体现了一个系统一般有明确的边界。线粒体和叶绿体作为细胞的能量转换器体现了生命的维持需要物质能量的代谢。细胞分化形成不同的组织，组织进一步形成器官，器官构成系统和个体，从微观到宏观的顺序体现了生命系统的结构层次。

第三单元“生物圈中的绿色植物”、第四单元“生物圈中的人”、第五单元“生物圈中的其他生物”则分别从植物、动物、微生物三个维度讲述了个体层次的生命活动，各有侧重点。植物学部分主要讲述了植物与生态环境之间的相互关系，包括水循环、呼吸作用、光合作用。动物和微生物部分主要讲述了生物的结构与功能的相关性。

为了更好地了解人类的生理特征，第四单元着重讲述了构成人体的生殖系统、消化系统、呼吸系统、循环系统、排泄系统、神经系统和内分泌系统，各系统密切联系，共同完成人体的生理活动。

1.2 信息论的思想 在初中生物学课程中，最能体现信息论思想的就是细胞核中包含的遗传物质控制生物的性状、生长发育、遗传变异等一切生命活动。“细胞的生活”一节中列举了克隆羊多莉的资料，从细胞水平阐述细胞核的重要功能：控制生物的遗传和发育。“生物的遗传和变异”一章揭示了染色体和基因的结构，并通过孟德尔的豌豆杂交实验和人的性别决定阐明了基因携带的遗传信息在亲代和子代之间传递的规律。此外，还有其他体现信息论学科思想的内容。例如，神经冲动(物理信息)在神经纤维上的传递；激素(化学信息)控制生理活动；免疫活动中抗体与抗原的结合；生态系统的自动调节能力也有赖于生物个体的信息和无机自然环境的信息传递。不难发现，信息论也蕴含着系统论的思想。

例如，基因控制性状、免疫活动、神经激素调节就是分子细胞水平的信息传递；种间关系和种内关系就是个体水平的信息传递；还有生态系统内部的信息传递。

1.3 控制论的思想 控制论的基本思想是反馈，控制论是关于反馈的科学。初中生物学课程中体现控制论思想的主要是人体内环境的稳态调节和生态系统稳态的调节。生物个体、种群、群落、生态系统是不同层次的生命系统，任何系统的存在和发展都需要保持稳态。控制论的思想与信息论密不可分，例如免疫反应、某些激素的调节就是对外界环境变化的反馈。

1.4 马克思主义哲学思想 初中生物学教材不仅承载着丰富的教学内容，而且蕴涵着许多深刻的哲学思想。

例如，生物的起源和进化就是唯物主义思想的体现；遗传和变异是典型的对立统一观点。有意识地将哲学思想渗透到教学中，不仅可以提高学生分析问题、解决问题的能力，还能培养文理兼长的人才。

2 生物学科方法

科学研究的方法大致包括三个层次：①学科内的特殊方法，如生物学研究中的同位素标记示踪法、分离细胞器的方法、解剖方法等；②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；③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。教材中强调的科学方法主要指科学研究的一般方法，因为这些方法对所有学生的发展都具有重要价值，包括获取经验性材料的方法和理性思维的方法两大方面[3]。

2.1 观察法 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，还需要同他人交流看法，进行讨论。

2.2 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进行的观察，它与单纯的观察是不同的。

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实验称为实验组。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实验进行观察，这样的未作实验处理的一组称为对照组。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，进行了实验处理的是实验组，自然状态(未加处理)的称为对照组。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，其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。

例如，在“光对鼠妇分布情况的影响”实验中，有光照的一组是运用加法原理进行控制的实验，没有光照的一组是对照组。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，另一半遮光，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。对单因子实验而言，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且适宜。

2.3 调查法 调查是科学探究常用的方法之一。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会有所体验。

2.4 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， “胸廓的变化与呼吸的关系”实验、“精子与卵子随机结合”实验、“探索原始地球生命起源”实验，所采用的都是模拟法。

2.5 逻辑思维 科学重视证据和逻辑。上述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。

2.5.1 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，两者是互为补充、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。

2.5.2 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。

例如，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，两者是相互依存、相互渗透甚至是相互转化的。

例如，对“细胞的结构和功能”的教学，可先采取分析的方法，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。

2.5.3 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，教材中介绍的对不同种类生物的形态结构进行比较，可以推断它们之间的亲缘关系。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。

2.6 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，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。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。

2.7 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。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。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，而是研究者长期孜孜以求的结果。直觉和灵感是创新能力的要素。

但是，凭借直觉和灵感提出的假说、观点和设想等，往往是不完备、不精确的，还必须运用证据和逻辑作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是无法训练出来的。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。