生物学教材习题中科学推理能力的定量分析*

吴金翔 任山章

（杭州师范大学生命与环境科学学院 浙江杭州 311121）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称为“新课程标准”）强调生物学培养学生的四大核心素养：生命观念、科学探究、科学思维、社会责任。对于科学思维的界定,新课程标准定义为：“是尊重事实和证据，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”［1］。学生需逐步提升自己的科学思维，其中就包括运用推理等方法。而国际上同样重视学生的科学思维、科学推理，以美国为例，帮助学生理解科学家如何推理、论证以得出科学结论仍是科学教学的中心目标。学生若要通过生物学教育提升科学思维，必须提升科学推理能力。因此，科学推理能力对学生至关重要，是科学论证、探究、发现必须具备的能力。

1 概念界定

科学推理能力（scientific reasoning ability，简称SRA），最初是在皮亚杰的认知发展理论中提出的,皮亚杰认为具体阶段的学生会发展科学推理能力，最终转变为形式操作阶段［2］。之后不断有学者对科学推理进行研究，Kwen、Lederman、Stuessy、Lawson 等对科学推理的概念、测量量表等获得了一定的研究成果。目前未有对科学推理的统一界定，但综合前人的定义，科学推理基本内涵是个体思维发展到一定高度所具有的、应用于假设检验或问题解决的推理类型。现有的科学推理能力测量工具包括：ACT、SRLT 和LCTSR 等。ACT 主要应用于美国中西部各州，SRLT 主要在美国和波兰使用［3］。而LCTSR 最早于1978年由Lawson 开发，之后不断发展改进，其将科学推理能力具体分为守恒推理、比例推理、概率推理、相关性推理、控制变量推理、假设演绎推理这6 个维度进行测量［4］。其量表被广泛使用，Lin Bao 曾使用该量表对中、美两国学生进行测量，发现虽两国学生科学知识成绩差异较大但科学推理能力无明显差别，引起国内外广泛关注与讨论［5］。据此本文以Lawson 划分的科学推理能力6 个维度进行研究。

1.1 守恒推理（conservation reasoning，简称CR） 守恒概念最早由皮亚杰提出，认为具体运算阶段的儿童能掌握守恒概念而认识到守恒事物的可逆性、补偿和同一性,这要求儿童有一定数的基础，并了解整体与部分之间的关系［6］。对于测量学生守恒推理能力的习题，定义为：题目中具体问题的解决需要推理得出其中守恒的规律。其核心思维过程为：找到已知或题目给出的守恒规律，分析在变化之中始终不变的量或关系,利用其解决问题，得出未知变量。

1.2 比例推理（proportional reasoning，简称PR） 皮亚杰将比例推理定义为：“以数学的形式陈述和阐述函数关系”。对于测量学生比例推理能力的习题，定义为：题目中具体问题的解决需要利用一定条件推理得出二者或多者之间的比例关系，或利用已知的比例关系进行推理。其核心思维过程为：利用题目所给的背景等信息，通过计算等途径得出二者或多者之间的比例关系,并以数学的形式表达以解决问题；或找到题目中所蕴含的比例关系或在已知的比例关系中找到最适的关系，根据比例关系和已知数值推理得到未知数值以解决问题。

1.3 概率推理（probability，简称P） 概率的基本定义为,在一定条件下某一现象或事件在其限定范围内所有现象或事件出现频次的占比。对于测量学生概率推理能力的习题，定义为：题目中具体问题的解决需要对某一事件的发生概率进行计算推理。其核心思维过程为：利用题目所给出的背景和已知的相关信息，通过判断、数学计算等得出该事件可能发生的概率。

1.4 相关性推理（relevance reasoning，简称RR） 相关性推理是通过事物现象对事物之间是否存在某种依存关系的推理,根据依存关系和确定程度可分为函数关系和相关关系［7］。对于测量学生相关性推理能力的习题，定义为：题目中具体问题的解决，需要利用给出的现象（事件）进行2 个或多个子现象（事件）之间推理是否具有或具有何种相关性。其核心思维过程为：利用题目给出的现象或事件，找出其包含的2 个或多个子现象（事件），观察找出的子现象（事件），推理其中是否有相关性，有则进一步推理其中具体的相关性，以推理得到的相关性作为依据解决问题。

1.5 控制变量推理（controlling variable，简称CV） 皮亚杰将控制变量推理简单概括为 “其他因素不变”推理，认为具有此能力的儿童能对变量进行识别和控制。对于测量学生控制变量推理能力的习题，定义为：题目中具体问题的解决，需要对2个或多个变量进行控制（对2 个或多个变量进行实验或实验设计时，控制多个变量一致，仅研究针对的变量改变）。其核心思维过程为：在题目给出的信息或图表中找寻2 个或多个变量,根据题目推理出所需要控制的变量，控制多个变量一致，推理分析出单一变量变化时产生的结果,依此解决问题。

1.6 假设演绎推理（deduction，简称D） 皮亚杰认为假设演绎推理是形式运算阶段的主要特征。Peirce 对演绎进行解释：对提出的假设，推理其产生各种预测结果,最终的预测结果与实验结果一致而得以验证，则支持假设成立［8］。其中就包含了假设演绎推理。对于测量学生假设演绎推理能力的习题，定义为：题目中具体问题的解决，需要在给出的假设基础上推理其预测结果,或对给出的实验结果推理其支持的假设。其核心思维过程为：找到题目中的假设或潜在假设,根据已有的实验设计，推理假设成立的情况下出现的实验结果；或由给出的实验结果推理结果出现的原因,得出支持的假设，以这2 种方式解决问题。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象 浙江科学教育出版社依据新课程准标出版的生物学教材（以下简称“浙科版新教材”），必修1 和必修2 中每节后的“思考与练习”以习题最小编号的题目为单位，计为一题。

2.2 研究方法 根据以上对科学推理能力各维度所界定的核心概念，对研究对象进行判断、计算和统计等定量分析，绘制图表。

2.2.1 科学推理能力及其各维度的测量习题在各范围内的占比

1）总占比=科学推理能力或其某一维度（SRA或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的测量习题数／（必修1 习题数+必修2 习题数）*100%；

2）必修1 占比=科学推理能力或其某一维度（SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的测量习题数／必修1 习题数*100%；

3）必修2 占比=科学推理能力或其某一维度（SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的测量习题数／必修2 习题数*100%。

2.2.2 各节中测量科学推理能力及其各维度的习题占比 各节SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CVD 占比=各 节SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CVD 的习题数/该节习题数*100%。

3 结果与分析

3.1 科学推理能力及其各维度测量习题占比：总体分析 根据科学推理能力的6 个维度对习题进行分析,科学推理能力及其各维度的测量在习题中的占比如表1。

表1 科学推理能力及其各维度的测量习题中在各范围内占比

从表1数据可知，总体上有30%以上的习题涉及了SRA 的测量，且必修1 与必修2 两本教材的占比相当。新教材必修1 未有涉及测量学生PR能力的习题，必修2 习题中未有涉及测量学生CV能力的习题，但总体上看，2 本教材的习题涉及了科学推理能力下所有维度的测量。

这个现象的主要原因在于：

1）必修1 和必修2 因科学内容、概念的划分，其重点培养的核心素养也有侧重与划分。必修2 中学生才学习遗传病的概率判断与计算，而必修1 中没有任意形式的概率学习，因此必修2 中以遗传病概率为依托测量学生的概率推理（PR）能力。

2）必修1 中探究实验较多，且主要集中于必修1，学生能通过探究实验学习控制变量法，并提升控制变量（CV）推理能力，因此必修1 中对控制变量（CV）推理能力的培养有所侧重，在必修2 中未有合适的可依托测量学生控制变量推理能力的内容，但必修2 中没有设计控制变量（CV）推理能力是不合适的。

必修1 中习题占比最多的是对学生RR 能力的测量，其次是D 能力；必修2 中习题占比最多的也是对学生RR 能力的测量,其次是PR 能力。但相比之下,必修1 中测量学生RR 能力的习题占比高达26%，与其次的相差20%，与必修2 的该类习题占比相差17%，这一现象值得深究。

图1是根据表1数据所绘制的逆序刻度雷达图，从图1中可知，无论以总习题还是必修1、必修2 习题分开来看,其在各维度的测量都是不均匀的,对CV、CR 能力的测量缺乏。除共性外，必修1 对P、PR 能力测量缺乏,必修2 在其他维度测量较为均匀。

图1 科学推理能力各维度测量习题占比

3.2 科学推理能力及其各维度测量习题占比：以节为单位分点分析 以各节中测量科学推理能力及其各维度的习题占比进行统计，数据如图2。

图2 各节测量科学推理能力及其各维度的习题占比

3.2.1 从科学推理能力占比最高峰分析 由图2可知：必修2 第1 章第2 节的习题是SRA 测量占比最高的，该节中测量RR 能力最多，其次是PR，再次是P。这一现象与该节的教学内容相关，该节节标题为：孟德尔从2 对相对性状的杂交实验中总结出自由组合定律，新课程标准中这部分内容相关的下位概念为：“阐明有性生殖中基因的分离和自由组合使得子代的基因型和表型有多种可能，并可由此预测子代的遗传形状”。因此在习题设计中，会包含基因型、表型、可能性、子代、遗传性状等多个关键词的内容。对该节的具体5 道习题分析可知,有4 道习题涉及表型与基因型之间的关系，依此测量学生的相关性推理（RR）能力；有2 道习题涉及比例,依此测量学生的比例推理（PR）能力；有1 道习题涉及概率计算，依此测量学生的概率推理（P）能力。相关性推理（RR）能力的测量与另2 个能力的测量有重叠的题目,但总体看，5 道习题中有4 道习题涉及对SRA 测量。

3.2.2 从科学推理能力各维度测量习题占比的最高峰分析 由图2可知：

1）对CR 能力的测量习题占比高峰在必修1第1 章第2 节，达20%。该节的节标题为：生物大分子以碳链为骨架，具体涉及生物有机大分子，例如：糖类、油脂、蛋白质、DNA、RNA 的结构、功能等内容。在该节5 道习题中，有1 道习题测量学生的CR 能力,该题以蛋白质的结构变化为依托进行测量。

2）对PR 能力的测量习题占比高峰在必修2第3 章第3 节，超过40%。该节的节标题为：DNA通过复制传递遗传信息。该节测量PR 能力的习题均与DNA 标记实验有关，该实验主要为同位素标记DNA，经历n 代复制后，带有同位素与无同位素的DNA 之比,以探究DNA 是以何种方式复制，因实验的内容，测量PR 能力是合适的。

3）对P 能力的测量习题占比高峰在必修2第4 章第4 节，接近70%。该节的节标题为：人类遗传病是可以检测和预防的,该节6 道习题中，4道涉及P 能力测量，这些题目中，涉及患病风险、概率的预测判断或计算。此现象原因主要是：与其他节相比，该节内容涉及风险概率的评估较多，能够测量P 能力的依托内容较多。

4）对RR 能力的测量习题占比高峰在必修2第1 章第2 节，达80%，具体分析见上。

5）对CV 能力的测量习题占比高峰在必修1第3 章第2 节，接近10%。但除了这一节，其他节习题中均未涉及CV 能力的测量。一般而言，CV能力的测量会依托于探究实验题目之中。纵观全部习题，为该题型的题目只有3 个，分布在必修1第3 章第1 节、第2 节和必修第4 章第1 节，必修2 无此题型。在此3 个题中，只有第1 题的第1 小题涉及CV 能力测量，是不合适的。

6）对D 能力的测量习题占比高峰在必修2第2 章第3 节，达60%。该节节标题为：性染色体上基因的传递和性别相关联,在该节5 道习题中涉及该能力测量的有3 题，一题为由结果（子代表现型）推理出支持的假设（亲本基因型），一题为由假设（亲本表型）推理出预测结果（子代表型），一题直接涉及假设演绎推理（由正、反交推理伴性遗传或由伴性遗传推理正、反交）。

4 讨论与建议

4.1 科学推理能力测量分布有侧重 科学推理能力（SRA）的测量需要依托相关的知识内容进行测量，因此其测量的习题分布不均匀，出现集中处和空白处。教材内容结合图数据分析中可知，概率推理、比例推理、守恒推理等都集中于一个或多个概念中，其测量的展开只能限于此。在表数据也有呈现：概率推理能力仅必修2 有测量的习题，控制变量推理能力仅必修1 有测量的习题,其数据现象的原因之一就在于无依托的相关内容而导致难以设计对科学推理能力各维度的测量。

4.2 相关性推理能力的测量习题最多 相关性推理（RR）本质上是一类科学探究所涉及的推理能力，而科学就是一个探究的过程，这是自然科学的本质与特征之一［9］。而属于自然科学的生物学也具有这样的特征，因此该类能力测量习题最多，是由生物学特征所决定的。以必修1 为例，细胞呼吸、光合作用这2 个生物重要的代谢活动，在教材的章节中都重点强调了其效率的影响因素；必修2中，表型与基因型之间的关系同样被重点讨论，是遗传学的重要内容。

4.3 控制变量推理能力的空白有待填补 控制变量推理（CV）在高中、甚至初中阶段科学教育教学中均非常重视。高中阶段，不仅强调科学探究中的自变量、因变量，还更多重视无关变量，但学生往往欠缺这方面的认识。除要求学生清晰认知这3 类变量,还要求学生应能在实验中找到这3 类变量的控制方法［10］。无论是认知还是实践，这一类的提升都离不开控制变量推理能力的提升，因此习题对这方面测量需要增加,学生能依托此对自身能力有一定认识。可对有探究实验的习题增加测量控制变量推理能力的小题,可增加探究实验题目的数量,可将函数相关读图题改进为探究实验题目,可将一自变量一因变量的实验改为多因素多水平的实验题目涉及相关测量题目。

4.4 新教材重视科学推理能力，习题为师生提供评价工具 总体来说,新教材的习题涉及科学推理能力下各维度的测量,从习题中可体现教材对学生科学思维中科学推理能力的重视,为教师与学生提供了测量学生科学推理能力的纸笔评价工具，为教师指导、学生自我评价提供了依据。必修1和必修2 对科学推理能力各维度的测量各有侧重,教师可依据研究内容与结果,对重点涉及章节，着重指导学生提升相应的科学推理能力。