构建高中生物学探究教学中“提出问题”的逻辑

刘芷瑜 杨 青 胡 薇

(福建师范大学生命科学学院 福州 350108)

生物科学是人们在科学探究过程中逐步发展起来的，探究始于问题，只有触及事物本质的问题才能成为科学探究的起点，而对现象或情境引发的好奇与无知只是对疑虑的一种简单表达，不具“探究性”。一个具有探究性的问题是渗透一定的知识理论、有所知又有所不知的“科学问题”[1]。提出一个“科学问题”是具备科学探究能力的表现，而科学知识要转化为科学探究能力需要一定的探究技能。教师在进行科学探究教学时，如果其本身缺乏或没有以正确的外部信息表征方式体现“提出问题”的思维方法和过程，将使学生难以提出“科学问题”。因此，明确“提出问题”的逻辑意义尤其重要。

1 生物科学史中“提出问题”的技能要素

纵观科学家的探究历程，在问题提出上都遵循一定的“范式”，现以高中生物学教学中“植物生长素的发现”为例，说明达尔文在“提出问题”中运用的技能。

1.1 科学探究中“提出问题”的历程 达尔文在植物向光性研究中注意到人们熟视无睹的普遍现象——窗边植物向窗外生长，且观察到植物生长方向的改变发生在植株芽幼嫩部分的现象(观察)。他综合窗边植物所处的环境发现这些植物均于单侧光的环境下，同时剖析了弯向光源生长的芽内部细胞形态，认为植物向光性是由于单侧光下，芽发生不均匀生长(分析)。那么，单侧光是如何使植物的芽发生不均匀生长呢？(提出疑问)对此，他以金丝雀虉草为实验材料进行了对照对比实验，通过实验结果推测光接受点与效应点不同(实验)，并据此假设单侧光照射胚芽鞘尖端，使其产生“影响”下传至胚芽鞘尖端以下部分即伸长区(想象)，使伸长区不均匀生长，导致植物向光性。

1.2 “提出问题”的技能要素 回顾科学史不仅是要明确其研究成果的进化过程，更重要是利用其反思科学的内涵，领悟科学工作者的思维方式，从而以一种科学的态度对待科学及其应用。对高中生物学探究教学中“提出问题”涉及的技能，其要素间的逻辑关系及技能要点归纳如下。

1.2.1 观察、分析并提出疑问 一个问题要与科学发现发生必然联系，就必须与发现本身所提供的知识发生某种必然的联系，就必然会对现有知识提出质疑[2]。这里就涉及一个连续的过程，即观察、分析和提出疑问。

信息加工理论界定的问题包含三个基本成分——给定(即问题的起始状态，是导致现象发生的原因)、目标(即问题的目标状态)和障碍(即问题的起始状态转入问题目标状态的阻碍)。科学问题是蕴含事物本质的初始状态[3]，通过分析可获得导致现象发生的原因(给定)，但事物因受非本质属性干扰，要提出最终的问题，必然会产生障碍。由于障碍一词对高中学生较为抽象，故特称为“提出疑问”。其技能要点包括：①观察：有目的的观察(即指向引起情境发生的关键事物)、在事物间建立联系的观察等；②分析：以同中求异、异中求同或求变化程度来获取事物间普遍联系的实质，并将其纳入概念体系进行比较，进而获得导致现象发生的原因(即给定)；③提出疑问：将给定与目标状态进行比较，发现障碍。例如“探究细胞呼吸方式”中利用酵母菌制作馒头(表1)。

1.2.2 概念分析或实验 障碍本质的揭示需要科学家对已有知识做进一步处理，从而发现已知与未知存在的某种必然联系，依照不同情境采用不同处理方式。即运用概念的形式进行分析，比较同一概念体系中的不同事物，运用已知概念对未知对象进行分析，从而获得未知对象的本质属性；或利用实验来验证对“疑问”的假设性解释。其中涉及的技能要点包括：① 概念分析：从事物的现象、条件及逻辑等方面入手，分析比较已有概念和给定概念，运用同中求异、异中求同或求变化程度的方式获得新信息，或通过异中求同归纳两者共有属性的本质。例如“探究细胞呼吸方式”中比较物质体外燃烧和馒头制作(细胞呼吸)在物质和能量方面的变化及发生条件，归纳两者的本质是彻底氧化分解有机物,释放大量能量(表1)。②实验包括设计和实施实验(含进一步观察)。

1.2.3 想象或推理 由于事物之间存在着直观或非直观的联系，科学家在说明某些问题时，会借助包括推理和想象。达尔文在物种经人工选择与自然选择的变异在生物连续世代发生的论证上，运用了归纳及类比推理。他提出，自然选择和人工选择在变异的存在及其效能上具有众多共同属性，因此人工状态下变异会在连续世代中发生可类比至自然状态下[3]。高中生物学探究教学在“提出问题”的过程中，常用到类比推理、归纳推理及演绎推理等。事实上，在科学发现进程中，仅着眼于逻辑途径探索事物本质是远远不够的，科学探究中的想象需要更为严谨的推理或实证，如果排除孟德尔在建构遗传基本规律中应用的想象(如“遗传因子”),则同样不可能揭开生物遗传的神秘面纱。想象或推理的结果是对障碍本质的假设性解释，“假设非臆测”，需将概念分析或实验获得的概念纳入概念体系，并以此为想象或推理的依据来揭示障碍本质。其中涉及的技能要点为： 想象与推理均需以给定概念、概念体系及已有的科学理论为依据进行，想象指向当下不存在的事物(如达尔文提出的“影响”是他想象出来的)；推理指向挖掘新旧事物的一致性或相似性。

表1 “提出问题”的技能工具训练：利用酵母菌制作馒头

上述的概念分析、推理、想象及实验可根据不同情境择选使用，运用以上技能要素揭示的情境原因和障碍本质，有助于指导定位“科学问题”，从而使科学探究有目的地进行。

1.2.4 分类、归纳和评价 课程标准对学生“提出问题”能力的基本要求包括“尝试书面或口头表述这些问题”，但目前大部分学生往往不能清晰准确地表述问题，甚至对已分析的情境无所适从，其主要原因在于缺乏整合已有信息的能力。“尝试书面或口头表述这些问题”要明确问题所属类别(即分类)；需要将特定的个例划入具有普遍性的概念体系中，以实现个别到一般的过程(即归纳)；将确立的问题运用所涉及的相关概念进行判断，形成问题(即评价)。其中涉及的技能要点：① 分类：划定问题所属类别，例如探究酵母菌呼吸方式隶属细胞代谢类问题；②归纳：将个别事物纳入其所属概念体系，以实现从特殊到一般的过程；③评价：运用概念对事物进行判断，以确定一个科学规范的问题。

例如“细胞在有氧条件条件下进行有氧呼吸产生大量CO2吗？”这里从“酵母菌”到“细胞”就是从个别至一般的过程。

2 构建“提出问题”的逻辑

认知心理学将提出问题的过程分为三个阶段：①构建问题，即深入理解问题情境，明确给定，找出给定与问题目标之间的障碍；②表述问题，即结合已有知识与情境事实，分析揭示障碍的本质和内涵，并通过书面或口头语言表达形式对抽象思维进行呈现，这是一个“已知复求知”的过程；③确定问题，即通过对问题目标进行分类、归纳、评价，以确定问题目标状态的具体内容。可将科学探究中“提出问题”所涉及的技能要素纳入“提出问题”程序，借鉴波普尔“科学博弈的逻辑”[4]，构建“提出问题”的逻辑如图1。

探究能力本身是一种内隐知识，但其建立与培养却需要学生以外显的学习形式进行[5]，即明确“科学探究的逻辑”，可借鉴如表1的工具表形式。同时，探究技能的习得并非一蹴而就，教师应有目的地统整教材中适于训练学生“提出问题”的课程资源，指导学生基于已有知识利用“提出问题”的逻辑提出“科学问题”。由于课时限制，学生很难做到逐一经历探究历程，故可运用案例教学法，将科学探究的逻辑融于案例中，这不仅对教师的专业成长具有促进作用，也利于在学生体验科学探究逻辑的互动中实现有效教学。

图1 “提出问题”的逻辑