美国高中主流理科教材中“解释数据”技能的分析

钟永金

［摘 要］美国高中主流理科教材《生物·生命的动力》中的“技能实验”涉及的技能很多，“解释数据”技能就是其中之一。各个技能要素中蕴含着与之相对应的逻辑思维方法。文章以“技能实验”中涉及的“解释数据”技能为例，剖析其技能要素及这些技能要素的运用特点，旨在阐明技能实验内在的教育价值。

［关键词］美国高中主流理科教材；技能实验；解释数据；技能要素

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2022）20-0078-03

美国高中主流理科教材《生物·生命的动力》（以下简称“教材”）中包含了与教学内容构成有机整体的实验栏目，其中的“技能实验”分布在各个章节中，旨在有效指导学生以相应的生物学概念为理论依据，运用各项实验技能解决问题，并在解决问题的过程中掌握各项实验技能及其所蕴含的逻辑思维方法，强化对相关生物学概念的理解与运用。

技能实验的开展不需要借助实验仪器，但是它们可以用来评估其他研究者的实验结果和数据［1］。“教材”中83个技能实验所涉及的技能主要分为两类：（1）将事物的本征信息转化为感知信息和表征信息所需的技能，包括观察与推断、分类、对比与比较、运用概念、解释科学图示、获取信息、绘制与运用图表、理性思维、因果推断、运用数学工具、分析信息等；（2）科学探究的综合技能，包括作出假设、建构模型、实验设计、预测、解释数据、得出结论和分析说明等。两类技能的共同特点是寓逻辑思维方法于技能要素之中。“教材”设置技能实验，不仅是为了训练学生的实验技能，更重在教会学生解决问题的思维逻辑及策略。本文以“解释数据”技能为例，剖析其技能要素及这些技能要素的运用特点，旨在说明技能实验内在的教育价值。

一、 “解释数据”的技能要素及其运用特点

（一） “解释数据”的技能要素

“教材”中所列的13个“解释数据”技能实验的共同特点为：（1）他人的实验数据总是以表格、曲线图、直方图、示意图和图谱等数据形式展示；（2）将解决问题所需的技能要素按问题解决的思维逻辑顺序依次列出；（3）将解决问题的技能要素所对应的逻辑思维方法蕴含在考查理性思维的问题中，启示教师以逻辑思维方法的运用为解决问题的内在线索，实现逻辑思维方法的训练。表1 为“解释数据”技能所涉及的数据形式、技能要素（按各要素使用的顺序进行排列）和逻辑思维方法。从表1中可知，“解释数据”的技能要素所蕴含的逻辑思维方法主要有分析与综合、抽象与概括、推理和说明等。

（二）“解释数据”技能要素的运用特点

第一，以发现型思考题引导学生运用“解释数据”技能对他人的实验数据进行评估，进而在运用技能的过程中理解和掌握技能，领悟技能要素及其所蕴含的逻辑思维方法。

“教材”编排的技能实验包括“实验技能类别”“解决问题”“理性思维”三个部分。“实验技能类别”部分列出了需解决的问题及其相关背景知识；“解决问题”部分以相应的数据形式展示他人的实验结果或数据，以便学生从中获取解决问题的事实依据；“理性思维”部分则按照解决问题的思维逻辑顺序依次列出，并将技能要素以行为动词的形式列入思考题中。

例如，“非生物因素如何影响有机物的合成”这一技能实验，用“温度对滨藜合成有机物（葡萄糖）的影响”的曲线图展示实验数据，以发现型思考题“1. 20 ℃时葡萄糖的合成量是多少？2.曲线图中哪一温度下的葡萄糖合成量最高？3.当温度达到30 ℃时滨藜合成葡萄糖的过程发生怎样的变化？”［1］引导学生运用“分析”这一技能要素对实验数据进行评估，启迪学生在运用该技能要素解决问题的过程中理解：分析是对思维对象从不同的方面加以认识的过程；分析是在思维中把对象整体分解为各个部分、方面、层次、因素而分别加以认识的逻辑思维方法［2］。

第二，将解决问题所需的技能要素按解决问题的逻辑顺序依次列出，启示学生解决问题的思路和策略。

例如，“DNA的化學分析结果”这一技能实验要求学生对埃尔文·查戈夫有关 “DNA样本中每种碱基的百分数”的实验数据进行解释［1］，将解释所需的技能要素“对比与比较”“归纳”依次列出，启示学生依次运用“对比”去发现同一生物不同细胞以及不同生物细胞DNA中A、C、G和T的相对含量的相似性和差异性，在此基础上运用“比较”去发现上述“对比”结果的共同点：无论是何种来源的DNA，其A与T的含量、C与G的含量总是十分相近，进而透过“碱基含量”这一表象，运用“归纳”对细胞DNA中碱基含量的规律进行概括，实现在程序化运用技能要素的过程中学会解决问题的程序化决策。

技能属于程序性知识，其有效学习方法就是在运用技能的过程中掌握技能，技能实验正是让学生在运用技能解决问题的过程中掌握技能的有效途径。

二、“解释数据”的数据分析方法

“解释数据”技能所解释的数据，包括定性数据和定量数据，因计量类型不同，在测量层次、数学特征、数据分析方法及得出结论的方法等方面各具特点（见表2）。要科学地解释数据，要求以不同的数据形式（如表格、曲线图、直方图等）展示不同类型的数据，以便于解释。

（一）定性数据的解释方法

定性数据的获取是基于图文表达的意义，通常利用概念进行分析，从需要分类的非标准化的数据中得出结论［3］；而概念的形成，需用到分析、综合、抽象和概括等逻辑思维方法，可通过演绎推理检验概念。

例，“鸟类如何学习鸣叫”这一技能实验以图谱形式呈现“野生白冠带鹀与独自长大的白冠带鹀的鸣叫声谱”（见图1）［1］，属于图文表述型数据，期望学生运用“解释数据”技能解决一般性问题——“鸟类如何学习鸣叫”。

“教材”启示，利用概念分析方法解决问题的程序如下：首先，通过“对比与比较”野生白冠带鹀与独自长大的白冠带鹀的声谱幅差异，对带鹀的鸣叫行为类别进行判断（先后天综合行为）；其次，通过观察与分析图谱，从带鹀的声谱幅在B和C區段上的显著差异，获取有关带鹀的特有鸣叫声主要是学习行为的事实依据；最后，以“学习是掌握物种特有鸣叫声的关键”为理论依据，推理：独自长大的白冠带鹀雏鸟，若获得学习的机会（听野生白冠带鹀的鸣叫声的录音），将最终学会白冠带鹀特有的鸣叫声。

（二） 定量数据的解释方法

定量数据从数字中获取，通过图表探索、数据展示，如用表格展示具体数值，用直方图展示最大、最小值，用饼图说明比例，用箱形图说明分布，用散点图说明变量之间的关系，用曲线图说明趋势等等，最后用统计方法检验关系、差异和趋势，从数字化和标准化的数据中得出结论［3］。

例如，“DNA的化学分析结果”这一技能实验以表格形式呈现DNA样本中每种碱基的百分数（见图2）［1］，期望学生能运用“解释数据”技能归纳出DNA（无论来源如何）的总体组成的一般性概念。

“教材”启示，运用统计方法从 “DNA样本中每种碱基的百分数”的实验数据中获取意义的程序如下：首先，运用“分析”这一逻辑思维方法从不同的方面（异中求同、同中求异）、不同的层次（同种间、不同种间）“对比”每一种DNA中A、T、G和C含量的相似性和差异性；其次，运用“综合”这一逻辑思维方法“比较”上述“对比”结果的共同点——无论是何种来源的DNA，其A与T的含量、C与G的含量总是十分相近；再次，运用“抽象”这一逻辑思维方法，采用统计方法，对DNA样本中每种碱基的百分数进行除法运算，透过碱基含量这一表象，抽象出“A∶T=1∶1”“C∶G=1∶1”这一碱基含量规律的内在本质；最后，运用“概括”这一逻辑思维方法“归纳”结论：无论是何种来源的DNA，其总体均由4种核苷酸组成，4种核苷酸分别含有A、T、C和G四种碱基，且A∶T=1∶1，C∶G=1∶1。

“教材”中该“技能实验”展示了运用统计方法分析定量数据的程序，启示学生“对比与比较”“归纳”所蕴含的逻辑思维方法，在指导学生运用“解释数据”技能分析定量数据的同时，教会学生问题解决程序中所蕴含的逻辑思维方法。

三、得到的启示

建构生物学概念是生物学教学的中心任务，而概念所反映的是对象的本质属性，需由表及里、从形象到抽象加以概括，才能获得。“教材”所开设的技能实验展现了获得概念的过程，是训练学生运用逻辑思维方法获得概念的有效平台。

生命科学作为一门实验科学，要求学生掌握大量的实验技能，而实验技能的获得只有通过“做科学”才能实现，技能实验就是这个“做科学”的平台。开展技能实验旨在让学生在运用实验技能解决问题的过程中掌握实验技能。

“教材”中的“技能实验”的“理性思维”部分，将解决问题所需的技能要素按解决问题的程序依次列出，引导学生顺着其逻辑思路发现并解决问题，帮助学生在解决问题的过程中习得解决问题的思路和策略，从而达到“授之以渔”的目的。

［   参   考   文   献   ］

［1］  比格斯. 科学发现者：生物：生命的动力［M］. 廖苏梅，曾立，译.杭州：浙江教育出版社，2008.

［2］  田运.思维辞典［M］. 杭州：浙江教育出版社，1998.

［3］  王静龙，梁小筠. 定性数据分析［M］. 上海：华东师范大学出版社，2005.

（责任编辑 黄春香）