试论科学思维及其在生物学学科中的独特性

吴成军

(人民教育出版社/课程教材研究所 北京 100081)

科学思维作为生物学核心素养的主要内容，是形成生命观念的重要途径，也是科学探究的重要组成部分。生物学中的一些重要概念，如定律、原理、规律等都是人类科学思维的产物，形成这些概念一般需要进行分析、比较、归纳、演绎、综合、抽象和概括等科学思维的过程和方法。科学思维既重视概念形成的结果，也关注概念的形成过程。因此，发展学生科学思维的能力和品质是生物学教学的重要目标之一。

1 科学思维的定义及其特征

科学思维有不同的定义。胡卫平等[1]提出：科学思维就是具有意识的人脑对自然界中事物(包括对象、过程、现象、事实等)的本质属性、内在规律及自然界中事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映。这个定义偏重于将思维和概念合为一体，没有准确地界定科学思维的本质特征；《普通高中生物学课程标准(2017年版)》的表述是：科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度、运用科学的思维方法认识事物，解决实际问题的思维习惯和能力[2]。该定义认为科学思维是一种态度、习惯和能力，缺乏对科学思维的过程和品质的阐释；《普通高中物理学课程标准(2017年版)》的表述是：科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格[3]。这个定义认为科学思维是一种认识方式、过程、运用、能力与品格的统一，从心理学层面上比较好地阐释了科学思维的显性特征。需要指出的是，尽管物理课程标准是以物理学视角来界定科学思维，但所提出的科学思维的这些特征在化学、生物学等自然科学中同样存在。

基于科学思维的心理学特点，结合上述科学思维的阐述，笔者认为：科学思维是指人对自然界中客观事物的一种认识行为、认知方式和认知品质的反映。中学科学教育层面的科学思维，还包含有激发学生“崇尚真知，追求科学知识”的认知动机。科学思维具有以下一些显性特征：①崇尚真知，认同科学知识、原理和方法在解决问题中的作用(认知动机)；②尊重事实和证据，以事实和证据作为科学思维的起点(认知行为)；③正确的逻辑分析，运用科学的思维方法认识事物及事物之间的联系(认知方式)；④质疑和批判，创造性地提出观点、方法，以解决具体的问题(认知品质)。这些特征可以用结构图(图1)表示它们之间的关系。

图1 科学思维特征的结构

认知动机是科学思维的起点，只有在“崇尚真知，追求科学知识、原理和方法”的基础上，我们才会相信科学，进行科学分析，产生“尊重事实和证据”的认知行为；“尊重事实和证据”是科学思维的前提；认知行为如何具体落实为认识方式呢？进行“正确的逻辑分析和推理”是认识事物及事物之间联系的核心；在认知的过程中，需要坚持质疑和批判的认知精神和品质。由此可见，认知动机、认知行为、认知方式、认知品质是逐级提升的，体现出科学思维鲜明的逻辑层次。而认知品质又会在科学思维的全部过程之中得以体现。

2 科学思维方法的分析

科学思维的表现形式是科学思维方法，即认识事物的本质及事物之间的关系需要一定的方法才能得出正确的结论。科学思维方法有多种分类，其中按思维的抽象程度可以分为：动作思维(直觉)、形象思维(观察、想象)和逻辑思维(抽象)。逻辑思维是概念形成的重要方式，而科学课程的主要内容之一是形成各种概念、原理和规律，因此，逻辑思维是科学思维的主要表现形式，是科学课程中需要着重培养的思维。逻辑思维主要表现为：比较与分类、归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括等[4]。批判性思维包括三个紧密联系、相互影响的阶段：分析思维方式阶段、评估思维方式阶段、提高思维方式阶段[5]。批判性思维包含了逻辑思维的全部特点，是科学思维的高阶水平。

科学思维方法的种类、基本内涵和在生物学中的应用举例(表1)。

表1 科学思维方法的内涵、相互关系

上述科学思维方法都是形成概念的重要方法，而概念也是一种重要的模型，概念的形成过程就是建立模型的过程，即建立模型也要用到上述科学思维方法。例如，光合作用的概念就是一个概念模型，它是在一系列探索光合作用的原料、条件、场所、产物和过程的基础上，进行分析与综合的产物。除概念模型外，数学模型和物理模型的建立都要用到表1中的逻辑思维方法。

逻辑思维在概念的形成中有着重要作用。某种概念的形成既有可能是比较与分类、归纳与演绎的结果，也可能是分析与综合、抽象与概括的结果。例如，学生学习有关鱼的特征就是一个鲜活的事例。教师让学生观察各种各样的鱼，分析这些鱼的外部形态和生理特征，从中归纳和概括出鱼所具有的共同特征：生活在水中，身体呈流线型，体表有鳞片，用鳍平衡和游泳，用鳃呼吸。在这个过程中就使用了分析、归纳、抽象和概括。因此，概念的建构要用到多种逻辑思维方法，其中分析和比较是基础的逻辑思维方法，其他方法都是建立在分析、比较的基础上的。抽象程度越高的概念，用到的逻辑思维方法就越高级。图2呈现了常用的几种逻辑思维方法之间的关系。

图2 常用的几种科学思维方法之间的关系

3 科学思维在生物学科中的独特性

生物学研究的对象十分复杂而且多样，因而决定了科学思维在生物学中的复杂性、灵活性和整体性。从复杂性来看，人既是研究的主体，也是研究的对象，所有的生物都是生物学研究的对象；除病毒外，这些生物的结构组成单位都是细胞，其基本的物质组成大致相同，因为有共同特征；各种生物的形态结构差异极大，这些生物所依赖的环境各不相同，而且在同一环境中的生物也差异极大，这就决定了研究这些生物要有复杂性思维。从灵活性来看，尽管在研究生物及生命现象的各个层面上有着许多的共性，但所形成的概念没有绝对的论述。例如，相对于其他体细胞来说，红细胞既没有细胞核，也没有相应的细胞器，不能用共性的特征来硬套所有的研究对象；又如，对于“生物是不断进化的，是从水生到陆生、从简单到复杂，从低等到高等进化的”的认知，就要以灵活的思维来分析，否则就无从解释现在的地球上为什么还有那么多的低等生物在生存，而且它们还表现出对环境的适应；再如，同样的水体污染，不同的地理和人文环境决定了污染的方式各不相同，农村的水体污染可能是农田施用化肥过多或者生活污水排入所致，城市的水体污染有可能是化工厂排污所致，这就需要针对污染的周边环境、所处地理位置的不同而进行不同的考虑。从整体性来看，看待生物及其生命现象，既要进行局部分析，更要进行整体考量。例如，分泌蛋白的形成，不能仅从合成蛋白质的最初场所核糖体来考虑，还要考虑内质网、高尔基体的作用，同时不能忘了线粒体提供的能量；研究一个生态系统的营养结构，不能过分夸大生产者的作用，不能简单地认为消费者可有可无，这就是整体思维的作用。

生命观念既是一种认知结论，也是一种认知方式[6]；科学思维强调认知方式，是形成生命观念的重要途径，因此，科学思维和生命观念有着共同的特征，即认知方式的统一(图3)。例如，“进化和适应”是一种生命观念，是科学思维的产物，但也可以用进化和适应的思维来看待和分析一些生物现象。例如，人们经常用进化的思维来分析一些生物的结构和功能的不同之处，用适应的思维来分析一些生物所具有的结构与功能的必然联系。

图3 科学思维和生命观念关系图

正是因为生命观念与科学思维在认知方式上的共性关系，因而极大地丰富了科学思维在生物学中的内涵。一些具有生命观念的科学思维就组成了生物学科学思维的独特性，如生命系统思维、平衡思维、多因素思维、统一性和多样性思维等。这些思维要求对事物进行多因素、多角度的客观分析，既要有逻辑推理，又要考虑到实际情况，进行综合理解。例如，对概念、规律和原理不能作绝对的理解，对问题的求解不过分追求非此即彼的标准答案。下面以多因素思维为例进行分析。在分析生命及其活动规律时，既要分析影响生物的各种因素，也要从中找出最主要的因素。例如，影响光合作用的因素有光照(光照时间、光照强度、光质)、温度、湿度等；影响种子萌发的条件有温度、水分、氧气、光照等。在一个特定的情境下，有时为了弄清楚各种因素的影响程度，还需要人为地控制变量，形成单一变量以设置对照实验进行处理。多因素思维还需要学生理解生物科学中复杂的因果关系。除经典的一因一果(如一个基因产生一种酶，决定一种性状)之外，还需要学会理解和分析一因多果、多因一果、多因多果的逻辑关系。多因素分析有利于学生认识事物的复杂性，形成透过问题看本质、分清主要因素和次要因素的哲学观念，有利于学生更好地认识事物，适应复杂的社会生活。