高中生物课堂中有效培养学生科学思维的实践研究

陈丽香

摘 要：高中生物学科作为科学领域的一门基础学科，其学习和研究过程中需要运用多种科学思维方法，在高中生物教学中，对学生实施科学思维培养也具有非常重要的价值。科学思维包括归纳思维、演绎思维、科学实证、变量控制、假说演绎、批判性思维、模型构建和系统思维等，与学生的思维拓展、能力提升关系密切。高中阶段培养学生的科学思维，有利于帮助高中生形成正确的科学态度、求真的科学思维，有利于促进学生的学科知识掌握。

关键词：高中；生物；学科思维

随着新高考改革的深入推进，高中生物教学也面临着新的要求和挑战，包括生命观念、科学思维、科学探究、社会责任、生物学科知识与技能、实验设计与操作技能、生物科学学习方法等多重要求。其中，科学思维在高中生物教学中的价值不言而喻。科学思维能力是指通过观察、实验、推理和验证等方式，进行科学思考和问题解决的能力。在高中生物学科学习中，学生需要运用科学思维能力去理解生物学的概念、原理和方法，探究生命现象和解决实际问题。培养科学思维能力不仅有助于提高生物科学的学习效果，还能够发展学生的创新思维和解决问题的能力，对于学生未来的发展具有重要意义。

一、基于生物科学素养的学生科学思维概述

（一）科学思维相关概述

《普通高中生物学课程标准》（2017年版2020年修订）提出“高中教育阶段的生物学课程是科学领域的重要学科课程之一，其精要是展示生物学的基本内容，反映自然科学的本质”的观点，由此彰显了科学思维的重要性。科学思维是指基于科学原则和科学方法的一种思维方式，它旨在分析和解决自然界和人类生活中的问题，探究和揭示自然规律和生命奥秘。在高中生物学科中，科学思维是学生必须掌握的一项重要能力，它有助于学生理解生物科学知识，提高学生的科学素养，培养学生的创新精神和实践能力。科学思维的基本原则包括客观性、精确性、系统性、逻辑性等。客观性是指要基于事实进行思考和判断，不主观臆断；精确性是指要精确地描述和测量现象，使用准确的术语；系统性是指要全面考虑问题，分析各种因素之间的联系；逻辑性是指要遵循逻辑原则，推理要有据可循。科学思维的特点包括分析性、综合性、创新性、实证性等。分析性是指要对问题进行深入的分析和分解，找出关键因素；综合性是指要将各种信息、观点和方法进行综合，形成完整的认识；创新性是指要敢于提出新的观点和假设，探索新的研究方向；实证性是指要通过实验和观察来验证假设和结论，以事实为依据[1]。

（二）高中生物教学中学生科学思维培养的现状

1.缺乏深度和广度。科学思维作为思维方式之一，在教学中应当随着教学活动的不断深入，实现深度和广度的培养，尤其是对于生物学科而言，学生对知识的理解不能停留在浅层次，而是要确保学生对学科概念、性质的深度把握。但是目前在高中生物教学中，很多教师对于某些科学概念和实验只是简单介绍，以学生知识掌握、记忆和考试为主，而没有深入探讨其原理和应用，这可能导致学生对于科学知识的理解不够深入，限制了其科学思维的发展。

2.缺乏实际操作。生物学科是一门实验性学科，需要通过实验来验证理论和概念，尤其是高中生物所涉及的内容较为抽象，是学生基于抽象概念的理解实现对知识的应用和拓展的过程，因此对学生实际操作的要求更高。只有通过实际操作学生才能切实掌握知识概念，实现科学思维发展。但是目前在高中生物学科教学中，教师通常只是通过讲解或演示来介绍实验，而没有让学生亲自动手操作，这可能导致学生对于科学实验的方法和技巧理解不足，也限制了其科学思维的发展。

3.缺乏与实际生活的联系。生物学科的知识与人们的日常生活密切相关，学生需要运用所学知识去解决实际问题，如分析遗传病、设计实验等，通过不断地解决问题，学生的解决问题能力得到提高，这也为学生未来的工作和学习打下了坚实的基础。然而，在高中生物教学中，虽然部分生物教师也能够将教材中的内容进行拓展，联系实际生活，但是也仅仅局限在教材为学生展示的图片中，没有融合到学生的实际生活中。这会导致学生对于科学知识的应用价值理解不足，也限制了其科学思维的发展。

4.缺乏对科学思维培养的重视。高中生物科学思维并没有明确被列为高中生学科素养之一，但是基于课程标准的概念界定，生物学科作为科学学科的基础之一，在生物教学中培养学生的科学思维是重要内容。树立科学观念是高中生物学科学习的又一重要任务，这需要学生理解科学的本质、方法和价值，树立科学意识和科学观念。但是在目前高中生物学科教学中，部分教师在教学设计时对学生的核心素养关注点更高，但是却忽视了学生的科学思维培养，是高中生物教师对学生科学思维培养不够重视的表现之一[2]。

二、高中生物课堂中有效培养学生科学思维的路径

（一）创设教学情境，激发学生的科学思维

高中生物课程是生物学的基础，对于学生掌握生物学基本理论和实践技能具有重要意义，情境教学作为一种创新的教学方式，将其引入高中生物课堂，可以带来多方面的价值。情境教学通过创设生动、真实的学习场景，使学生身临其境，激发学生学习生物学的兴趣。在情境中，学生可以感受到生物学的实际应用，了解生物学的社会意义，进一步激发学习热情；情境教学将抽象的生物学知识融入具体的情境中，使学生更容易理解和记忆，动态的情境、形象地展示有助于学生形成深刻的印象，提高记忆效果；情境教学在创设情境的过程中，注重启发学生的科学思维，通过引导学生发现问题、提出假设、设计实验等过程，培养学生的批判性思维、创新思维和科学解决问题的能力；情境教学鼓励学生发挥想象力，尝试解决问题；在情境中，学生面临的问题往往具有多种可能性，这为学生提供了创新的空间，通过引导学生探索新的解决方案，培养学生的创新能力。基于此，通过在高中生物课堂中设置多种情境，有利于加强对学生科学思维的培养。

例如，在高中生物《细胞呼吸的原理和应用》一课的教学中，本部分问题探讨提出“培养酵母菌为什么有的需要通气，有的却需要密封？”酵母是学生生活中比较常见的物品，其核心成分是酵母菌，可以成为制作面食的重要材料，因此，与学生的生活关系更为密切。在探究“酵母菌的呼吸方式”时，在探究实验中，学生得出酵母菌可以进行有氧呼吸和无氧呼吸两种呼吸方式，且有氧呼吸产生大量二氧化碳和水，无氧呼吸产生酒精和少量二氧化碳。基于探究背景，教师可以为学生创设生活实验情境“开放形式酵母菌發面”与“密封形式酵母菌发面”的区别，探究酵母菌的呼吸方式，其对照组为“不使用酵母菌”。在实际的情境中，学生能够探究得到现象：1.“开放形式酵母菌发面”组，发好的面团气孔多，表面有水珠，有发酵气味；2.“密封形式酵母菌发面”组，发好的面团气孔少、小，且有酒精味道；3.“不使用酵母菌”组面团变化不大，内部未产生明显气孔。以学生得出的实验结果，进一步融合生活情境开展探究，促进学生的科学观察，锻炼学生科学应用思维。

（二）应用问题引导，驱动深度学习

科学思维作为一种思维方式，在高中生物学习中的意义重大，而在高中生物课堂教学中，教师可以通过设置驱动问题的方式，引导学生深度探究，实现学生科学思维培养。在新高考背景下，学生课堂的主体性应当被有效激发。问题设置由浅入深，引导学生逐步思考，培养他们的逻辑思维和推理能力，通过问题链的引导，学生可以在探索问题的过程中，不断发现新的知识和解决问题的方法，提高他们的创新思维和实践能力。以问题设计的方式引导学生进行学习，有利于促进学生想象力发展，促进学生在课堂中展示自己真实想法，锻炼学生思维，启发学生思考，学生更加明确教师在课堂中所讲述的关键内容，积极参与课堂学习，有助于实现良好的学习效果。

例如，在高中生物《蛋白质是生命活动的主要承担者》一课的教学中，主要核心内容为：对蛋白质的功能和结构有所了解，明确氨基酸的结构特点及形成蛋白质的过程；了解蛋白质结构和功能多样性的原因。学生初次在细胞与分子中认识蛋白质这一物质，对生物学科的认识开始从具体到抽象，因此，在本部分教学中，教师可以为学生设置层层递进的问题链，彰显对科学思维的引导：1.蛋白质由哪些元素组成？2.蛋白质的基本单位是什么？3.蛋白质有哪些种类？4.蛋白质在生命体中发挥了哪些作用？5.蛋白质的合成过程是怎样的？6.蛋白质多样性的原因是什么？7.蛋白质在生活中的应用举例说明。从这七个问题出发，其中对蛋白质的认识、蛋白质的生物认识、蛋白质的类型认识、蛋白质的特性、合成过程、多样性等多个方面，由微观到宏观，由抽象到具体，层层递进，对学生的科学思维发展进行全面考查，在问题中实现学生科学思维培养。

（三）开展项目探究，培养创新能力

项目探究活动在高中生物科学思维培养中具有重要价值。通过项目探究，学生可以在实践中亲身体验生物学知识，培养觀察、实验和独立思考的能力，项目教学对于高中生科学思维的培养意义深远。

首先，以预测分析做好科学思维培养准备，在活动开始前，学生可以根据已有的知识进行预测，然后在实验中通过观察和记录数据进行验证。这种预测和分析的过程可以帮助学生深化对生物学知识的理解，同时也训练了他们的科学思维方法。其次，以项目探究活动强调科学思维培养，尤其是在进行生物实验时，学生需要设计实验流程、选择合适的实验设备、分析实验数据等。这个过程不仅培养了学生的动手能力，还让他们在实践中学习到科学的研究方法，进一步提升了他们的科学思维能力。最后，以兴趣引导进一步促进学生的思维培养，项目探究活动通常具有趣味性和实用性，可以激发学生对生物学的兴趣，使他们更加主动地学习和探究生物科学知识，当学生感到学习是有意义的事情的时候，他们会更愿意投入时间和精力去思考和探索问题，这也为培养他们的科学思维提供了良好的环境。

例如，在高中生物《细胞的衰老和死亡》一课的教学中，教师可以为学生设置驱动项目“个体衰老与细胞衰老的关系”，基于总体项目及学生的科学思维培养目标，教师还为学生设置了子项目“人体衰老症状及其出现的原因”“细胞死亡的概念”等，在项目背景下，教师为学生展示了“烫伤表皮的细胞死亡图片”“骨折后细胞死亡的3D动态演示”“癌症病毒攻击人体细胞导致细胞死亡的动态演示”等驱动活动，引导学生在驱动下开展项目学习。在项目中，教师对学生提出问题“细胞衰老和细胞凋亡的区别”“细胞凋亡的利弊分析”，为学生的科学思维发展提供进阶引导，以任务为切口，引导学生实现思维与学科知识的交流互动，为学生的科学思维发展提供途径，助推学生科学思维的构建。

（四）构建数据模型，发展逻辑思维

在高中生物学习中，数据模型是一种重要的学习方法，能够帮助我们更好地理解和掌握生物学的概念和原理，其包括分子结构模型、细胞结构模型、生物过程模型、生态系统模型、遗传模型、生物多样性模型、生物进化模型和药物作用模型，融合了高中生物各阶段的学习内容。一方面，通过引导学生建构数据模型，可以培养学生的洞察力和透过事物现象揭示本质特性的能力。数据模型是一种描述和表达生物现象和生命活动规律的有效工具，它能够将复杂的生物现象简化和抽象化，帮助学生更好地理解生物学的本质。

例如，在《生长素的生理作用》一课的教学中，可以通过引入数学曲线模型，让学生理解生长素作用的两重性，掌握生长素浓度的最适范围以及不同浓度的生长素对植物生长的影响。另一方面，借助虚拟仿真实验开展概念模型教学，可以激发学生的好奇心和求知欲，为他们提供更多思考和探究的机会。虚拟仿真实验能够模拟真实的生物学实验，让学生亲身体验实验过程，加深对生物学知识的理解和记忆。同时，概念模型也是一种有效的学习工具，它能够将复杂的生物现象简化和抽象化，帮助学生更好地理解生物学的概念和原理[3]。

例如，在高中生物“被动运输”知识点的学习中，植物的吸水和失水过程是渗透系统在完成作用，但是生物毕竟是微观的，通过肉眼对植物的吸水和失水过程观察并不明显，且极少数高中会为学生配备开展实验探究的相关器材，因此高中生物教师可以通过构建动态数据模型的方式，引导学生深入了解该知识点。首先，教师要结合该知识点为学生准备相关模型材料，包括玻璃纸、透析膜、漏斗等，玻璃纸的作用是模拟细胞膜；其次，教师在课堂中不要着急为学生演示模型，而是先引导学生开展科学思考，猜想“物质是如何实现运输的”？激发学生对生物学科的浓厚兴趣；最后，教师引导学生通过分组的方式利用材料模拟被动运输过程，让学生明确看到漏斗内液体高度变化，观察并总结被动运输现象，理解植物细胞的吸水和失水过程，使抽象知识具体化，实现学生科学思维的培养。

结束语

综上所述，在新高考背景下，高中生物教学培养学生的科学思维已成必然趋势。对于高中生物教师而言，应当提高对学生科学思维培养的重视度，改变教学观念，通过多样方法培养学生的科学思维，提高学生对生物知识的理解、掌握和应用能力，为学生的思维发展奠定良好基础，提高学生综合素养的同时落实高中生物学科育人的基本要求。

参考文献

[1]胡广伟.高中生物教学中学生科学思维培养策略的实践研究[J].知识文库，2023，39（13）：55-57.

[2]孙天宝.高中生物教学中学生科学思维的培养[J].新课程研究，2023（18）：105-107.

[3]敬红星，李艳红，胡杰，等.基于问题导向培养学生科学思维的高中生物教学实践：以“细胞器之间的协调配合”一课为例[J].科学咨询（教育科研），2023（6）：170-173.