中學生物教學中開展科學方法教育的調查研究

高俊英+祁建欣

生物學科屬于科學課程的范疇，提高學生的生物科學素養是生物課程的基本理念，而科學方法是科學素養的重要維度，促進學生理解并應用科學方法解決生活和工作中的各種問題，是生物課程的重要目標。但現實教學中，教師對科學方法類的目標層級和內容遠不如對概念和原理類知識那么明晰，導致在教學實踐中，教師對科學方法教育的目標和內容出現盲目性和隨意性，影響了教學的有效性。為了進一步明確生物教學中科學方法教育的目標和內容，筆者所在課題組采用文獻法和調查法，分別對初中和高中兩個階段生物教學中的科學方法的認知內容和認知水平層級做了研究。

一、對科學方法概念和研究范圍的界定

不同研究者對“科學方法”的定義和要素界定有所差異，通過文獻研究，綜合學者的認識，從中學生物教學的角度，我們認為：科學方法主要是對科學家在研究過程中所運用的各種思維方法以及操作工具的總稱。科學研究實際是一個不斷發現和提出科學問題，獲取和整理科學事實，形成科學理論，并進行檢驗和評價的過程，科學方法也就包括發現和提出問題的方法、獲取科學事實的方法（如觀察、測量和實驗方法）、概括科學事實的方法（如比較、分類、歸納、抽象、靈感和頓悟等）、形成和發展科學理論的方法（如數學方法、假說方法、跨學科方法、系統方法）、對理論進行評價的方法等。

本研究基于基礎教育階段的目標和學生的特點，就生物學科涉及的科學研究的一般方法（程序）和一些具體科學方法，如觀察法、實驗方法、模擬方法、歸納與演繹、假說方法、數學方法、系統方法等進行調查研究。

二、研究過程和方法

1.通過文獻綜述工作，了解研究現狀，開闊研究思路

課題組通過文獻分析，對科學方法教育的已有研究進行梳理，從而為本研究選擇視角和研究定位提供依據，為理解科學方法的概念、內涵，建立科學方法的教育目標和內容體系奠定基礎。

在文獻研究的基礎上，課題組梳理了生物課程所涉及的具體科學方法的種類，并對每一種科學方法做出簡單闡述，有利于研究教師把握每種方法的特征，形成統一的認識。

2.研制工具，開展調查研究

在梳理中學生物教學所涉及科學方法的基礎上，課題組結合生物課程的目標和內容標準，列出中學水平涉及的具體科學方法，選擇了其中的13種，包括觀察法、實驗法、調查法、模擬法、比較與分類、分析和綜合、歸納法、演繹法、類比推理法、模型法、假說方法、數學方法、系統方法。

參考布魯姆的教育目標分類法，課題組初步確立了科學方法的5個認知水平層級——知道、理解、應用、評價和創造，并對每個維度的含義做出了解釋（見表1），用于確立各種科學方法的認知維度的調查研究。

調查問卷由兩部分組成，第一部分為選擇題，主要涉及兩個方面：在高中/初中生物教學中，應該對學生進行哪些科學方法的培養？高中/初中學生經過兩年的生物課程學習，對科學方法的掌握應達到什么程度？第二部分為開放題：請列舉幾個對學生進行科學方法教育的案例。

調查問卷得到了大學哲學專業的教師、海淀區教研員的指導，使問卷結構更加科學、可信。

3.選擇調查對象

為了更加全面、科學地確立科學方法的認知內容和認知水平層次，課題組綜合多方人員的觀點，選取一線生物教師、生物學科的市區級教研員、大學教師和生物教材的編寫人員等與生物和科學課程相關的人員為被試，從不同角度全面分析，提高調查結果的普遍性和權威性。本次調查共發出問卷104份，收回有效問卷100份，回收率為96%。調查問卷采用無記名方式。

三、研究結果與分析

1.對科學方法認知內容的研究

科學方法是多種多樣的，面對有限的教學時間和教學內容，教師應該選擇哪些科學方法作為中學生物教學的教學內容，課題組預計通過調研的方法了解中學生物教育相關人員對此問題的看法，在對調查結果進行統計與分析的基礎上得出結論。

（1）針對初中學段科學方法認知內容的研究

對“在初中教學中，應該對學生進行哪些科學方法的培養”的調查結果顯示，中學生物教師、大學教師、專家的觀點基本一致，80%以上的調查人員認同觀察法、實驗法、比較與分類和調查法，尤其是觀察法和實驗法得到了100%的高度認同。70%以上的調查者認為，歸納法、分析和綜合、模擬法也應該成為初中生物教學的內容。

《義務教育生物課程標準（2011版）》明確指出，通過義務教育階段生物學課程的學習，學生應初步學會生物科學探究的一般方法，發展學生提出問題、做出假設、制訂和實施計劃、得出結論、表達和交流的科學探究能力。科學探究需要通過觀察、調查和實驗得到證據，利用數學方法等多種方式分析和整理數據，采用文字、圖表等方式呈現證據、表述結果，對證據、數據等進行分析、歸納和判斷。這些過程均離不開觀察法、實驗法、調查法、邏輯思維方法和數學思維方法。“初步學會運用所學的生物學知識分析和解決某些生活、生產或社會實際問題”也是《義務教育生物課程標準（2011版）》的能力目標之一。解決科學問題常常需要做出假設，需要學生應用已有知識，對問題的答案提出可能的設想，并估計假設的可檢驗性，這就需要學生了解假說——演繹的科學方法。

綜合調查結果和對教材及課標的解讀，我們認為，在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析和綜合、歸納與演繹、模擬法、模型法、假說法、數學方法都應該成為生物教學的重要內容。

（2）針對高中學段科學方法認知內容的研究

被調查者在回答“在高中教學中，應該對學生進行哪些科學方法的培養”時，結果顯示，觀察法、實驗法、比較與分類、調查法、歸納法、分析和綜合、模擬法、類比推理法、模型法、假說法、數學方法和系統方法均得到88%以上的高度認同。分析和綜合、假說法和數學方法三種科學方法得到100%的認同。

2.對科學方法認知水平層級定位的調查研究

（1）針對初中學段科學方法認知水平層級定位的調查研究

調查結果顯示，對于觀察法、實驗法、調查法和比較與分類，約占50%的受調查者認為，這些方法應該定位于應用水平，約有35%的受調查者則認為應該定位于評價水平或創造水平。對于分析與綜合和歸納法，約占50%的受調查者認為，這些方法應該定位于應用水平，約有15%的受調查者認為應該定位于知道水平，約有20%的受調查者認為應該定位于理解水平。對演繹法和類比推理方法的認知維度定位比較分散，定位于知道水平、理解水平和應用水平的各占到約25%。對模擬法和模型法的認知維度定位比較分散，認為定位在知道水平、理解水平和應用水平的各占到20%～25%。對假說法和數學方法的目標定位在知道水平的約占40%，而在理解水平和應用水平的各占到20%左右。

綜上，以“認同度最高頻度”作為標準來定位認知水平，表明在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、邏輯方法定位于應用水平；模型法、假說方法、數學方法定位于知道水平；模擬方法定位于理解水平。

調查結果還顯示，對同一種科學方法的認知水平層級的定位，一線教師和大學教師對初中學生科學方法認知水平層級的定位存在一定差異，且不同科學方法差異不同。對于實驗法，約有50%的一線教師和大學教師都傾向定位在應用水平，有近一半的中學教師定位于評價和創造水平，定位于理解水平的不到10%，而在大學教師中把觀察法定位于理解水平的占了1/3，定位于評價水平的占了17%。對于觀察法，64%的一線教師傾向定位在應用水平，22%定位于創造水平，定位在理解水平的只有2%，而50%的大學教師將之定位于評價水平，30%定位于應用水平，17%定位于理解水平。對于調查法，約有50%的一線教師和大學教師都傾向定位在應用水平，但有近一半的中學教師定位于評價和創造水平，定位在理解水平的不到10%。

（2）針對高中學段科學方法認知水平層級定位的調查研究

調查結果顯示，對于觀察法，55%的受調查者認為，應該定位于創造水平，約有27%認為應該定位于應用水平，15%認為應該定位于評價水平，與初中階段相比，受調查者對高中階段的定位更加傾向于創造水平。對于實驗法，約50%的受調查者認為，應該定位于評價水平和創造水平。對于調查法，45%的受調查者認為，應該定位于創造水平，35%認為應該定位于應用水平，24%認為應該定位于評價水平。對于比較與分類和分析與綜合法，定位比較分散，基本傾向于定位在應用水平、評價水平和創造水平上，創造水平略顯優勢。對于歸納法，約占50%的受調查者認為，應該定位于評價水平，有27%的受調查者認為應該定位于創造水平。對于演繹法和類比推理方法，約占50%的受調查者認為，應該定位于應用水平，而定位于理解水平、評價水平和創造水平的各占10%～20%。對模擬方法認知維度的定位比較分散，比較集中的水平是應用水平和創造水平，分別約占到1/3。對于數學方法，55%的受調查者認為，應該定位于評價水平，各有18%認為應該定位于理解水平和創造水平。對于模型法和假說方法，64%受調查者的觀點是將這些方法定位于應用水平，定位理解水平、評價水平和創造水平的也各占10%左右。對于系統方法，比較集中的定位水平是理解水平和應用水平，但也都各占到1/3。

綜上，以“認同度最高頻度”作為標準來定位認知水平，表明在高中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析與綜合定位于創造水平；歸納法定位于評價水平；模擬法、模型法、假說方法、數學方法和系統方法定位于應用水平。

四、研究結論

1.對科學方法認知內容的研究

綜合調查結果和對教材及生物課程課標的解讀，我們認為，在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析和綜合、歸納與演繹類比推理、模擬法、模型法和數學方法都應該成為生物教學的重要內容。高中學段的科學方法認知內容，在初中的基礎上，還應該增加假說法和系統方法。

2.對科學方法認知水平層級定位的調查研究

問卷調查結果顯示，被調查人員認為在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、邏輯方法最高的認同度處于應用水平；模型法、假說方法、數學方法最高的認同度處于知道水平。模擬方法最高的認同度處于理解水平。在高中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析與綜合最高的認同度處于創造水平；歸納法最高的認同度處于評價水平；模擬法、模型法、假說方法、數學方法和系統方法最高的認同度處于應用水平。

文獻研究表明，科學過程技能分為基本過程技能和綜合過程技能，初中階段應該定位于發展基本的過程技能，包括觀察、分類、實驗測量、變量的識別和控制等，高中階段應該發展學生的綜合過程技能，包括實驗設計、實驗結果的分析、邏輯推理和建立模型等。

每種科學方法都需要在不同的學習階段反復學習，其中的內容和要求應該是逐級上升的。例如對于模型法，可以要求初中生利用細胞模型來認識和描述細胞結構。但發展到高中階段，要拓展到模型的解釋功能，要求學生能夠建立和使用模型來闡明細胞的結構及其特點。基于以上各種觀點，我們結合中學生物教學實際，對科學方法的認知水平層級作了以下定位。（見表2）

五、問題與思考

本研究結果表明，生物學科專家和中學教師對科學方法認知內容和認知層次水平的定位呈現認識不統一的現象，且此方面的研究成果較少見。因此本研究成果的推廣有利于促進相關專家和中學教師更多地關注科學方法的教學與研究，形成符合并可以促進學生發展的科學方法內容，設計適合各階段學生認知水平的教學方法，使學生的科學素養隨著學習階段的延伸實現連貫一致的發展。

（作者單位：北京市中關村中學）

（責任編輯：張迿 史雅寧）

（1）針對初中學段科學方法認知水平層級定位的調查研究

調查結果顯示，對于觀察法、實驗法、調查法和比較與分類，約占50%的受調查者認為，這些方法應該定位于應用水平，約有35%的受調查者則認為應該定位于評價水平或創造水平。對于分析與綜合和歸納法，約占50%的受調查者認為，這些方法應該定位于應用水平，約有15%的受調查者認為應該定位于知道水平，約有20%的受調查者認為應該定位于理解水平。對演繹法和類比推理方法的認知維度定位比較分散，定位于知道水平、理解水平和應用水平的各占到約25%。對模擬法和模型法的認知維度定位比較分散，認為定位在知道水平、理解水平和應用水平的各占到20%～25%。對假說法和數學方法的目標定位在知道水平的約占40%，而在理解水平和應用水平的各占到20%左右。

綜上，以“認同度最高頻度”作為標準來定位認知水平，表明在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、邏輯方法定位于應用水平；模型法、假說方法、數學方法定位于知道水平；模擬方法定位于理解水平。

調查結果還顯示，對同一種科學方法的認知水平層級的定位，一線教師和大學教師對初中學生科學方法認知水平層級的定位存在一定差異，且不同科學方法差異不同。對于實驗法，約有50%的一線教師和大學教師都傾向定位在應用水平，有近一半的中學教師定位于評價和創造水平，定位于理解水平的不到10%，而在大學教師中把觀察法定位于理解水平的占了1/3，定位于評價水平的占了17%。對于觀察法，64%的一線教師傾向定位在應用水平，22%定位于創造水平，定位在理解水平的只有2%，而50%的大學教師將之定位于評價水平，30%定位于應用水平，17%定位于理解水平。對于調查法，約有50%的一線教師和大學教師都傾向定位在應用水平，但有近一半的中學教師定位于評價和創造水平，定位在理解水平的不到10%。

（2）針對高中學段科學方法認知水平層級定位的調查研究

調查結果顯示，對于觀察法，55%的受調查者認為，應該定位于創造水平，約有27%認為應該定位于應用水平，15%認為應該定位于評價水平，與初中階段相比，受調查者對高中階段的定位更加傾向于創造水平。對于實驗法，約50%的受調查者認為，應該定位于評價水平和創造水平。對于調查法，45%的受調查者認為，應該定位于創造水平，35%認為應該定位于應用水平，24%認為應該定位于評價水平。對于比較與分類和分析與綜合法，定位比較分散，基本傾向于定位在應用水平、評價水平和創造水平上，創造水平略顯優勢。對于歸納法，約占50%的受調查者認為，應該定位于評價水平，有27%的受調查者認為應該定位于創造水平。對于演繹法和類比推理方法，約占50%的受調查者認為，應該定位于應用水平，而定位于理解水平、評價水平和創造水平的各占10%～20%。對模擬方法認知維度的定位比較分散，比較集中的水平是應用水平和創造水平，分別約占到1/3。對于數學方法，55%的受調查者認為，應該定位于評價水平，各有18%認為應該定位于理解水平和創造水平。對于模型法和假說方法，64%受調查者的觀點是將這些方法定位于應用水平，定位理解水平、評價水平和創造水平的也各占10%左右。對于系統方法，比較集中的定位水平是理解水平和應用水平，但也都各占到1/3。

綜上，以“認同度最高頻度”作為標準來定位認知水平，表明在高中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析與綜合定位于創造水平；歸納法定位于評價水平；模擬法、模型法、假說方法、數學方法和系統方法定位于應用水平。

四、研究結論

1.對科學方法認知內容的研究

綜合調查結果和對教材及生物課程課標的解讀，我們認為，在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析和綜合、歸納與演繹類比推理、模擬法、模型法和數學方法都應該成為生物教學的重要內容。高中學段的科學方法認知內容，在初中的基礎上，還應該增加假說法和系統方法。

2.對科學方法認知水平層級定位的調查研究

問卷調查結果顯示，被調查人員認為在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、邏輯方法最高的認同度處于應用水平；模型法、假說方法、數學方法最高的認同度處于知道水平。模擬方法最高的認同度處于理解水平。在高中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析與綜合最高的認同度處于創造水平；歸納法最高的認同度處于評價水平；模擬法、模型法、假說方法、數學方法和系統方法最高的認同度處于應用水平。

文獻研究表明，科學過程技能分為基本過程技能和綜合過程技能，初中階段應該定位于發展基本的過程技能，包括觀察、分類、實驗測量、變量的識別和控制等，高中階段應該發展學生的綜合過程技能，包括實驗設計、實驗結果的分析、邏輯推理和建立模型等。

每種科學方法都需要在不同的學習階段反復學習，其中的內容和要求應該是逐級上升的。例如對于模型法，可以要求初中生利用細胞模型來認識和描述細胞結構。但發展到高中階段，要拓展到模型的解釋功能，要求學生能夠建立和使用模型來闡明細胞的結構及其特點。基于以上各種觀點，我們結合中學生物教學實際，對科學方法的認知水平層級作了以下定位。（見表2）

五、問題與思考

本研究結果表明，生物學科專家和中學教師對科學方法認知內容和認知層次水平的定位呈現認識不統一的現象，且此方面的研究成果較少見。因此本研究成果的推廣有利于促進相關專家和中學教師更多地關注科學方法的教學與研究，形成符合并可以促進學生發展的科學方法內容，設計適合各階段學生認知水平的教學方法，使學生的科學素養隨著學習階段的延伸實現連貫一致的發展。

（作者單位：北京市中關村中學）

（責任編輯：張迿 史雅寧）

（1）針對初中學段科學方法認知水平層級定位的調查研究

調查結果顯示，對于觀察法、實驗法、調查法和比較與分類，約占50%的受調查者認為，這些方法應該定位于應用水平，約有35%的受調查者則認為應該定位于評價水平或創造水平。對于分析與綜合和歸納法，約占50%的受調查者認為，這些方法應該定位于應用水平，約有15%的受調查者認為應該定位于知道水平，約有20%的受調查者認為應該定位于理解水平。對演繹法和類比推理方法的認知維度定位比較分散，定位于知道水平、理解水平和應用水平的各占到約25%。對模擬法和模型法的認知維度定位比較分散，認為定位在知道水平、理解水平和應用水平的各占到20%～25%。對假說法和數學方法的目標定位在知道水平的約占40%，而在理解水平和應用水平的各占到20%左右。

綜上，以“認同度最高頻度”作為標準來定位認知水平，表明在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、邏輯方法定位于應用水平；模型法、假說方法、數學方法定位于知道水平；模擬方法定位于理解水平。

調查結果還顯示，對同一種科學方法的認知水平層級的定位，一線教師和大學教師對初中學生科學方法認知水平層級的定位存在一定差異，且不同科學方法差異不同。對于實驗法，約有50%的一線教師和大學教師都傾向定位在應用水平，有近一半的中學教師定位于評價和創造水平，定位于理解水平的不到10%，而在大學教師中把觀察法定位于理解水平的占了1/3，定位于評價水平的占了17%。對于觀察法，64%的一線教師傾向定位在應用水平，22%定位于創造水平，定位在理解水平的只有2%，而50%的大學教師將之定位于評價水平，30%定位于應用水平，17%定位于理解水平。對于調查法，約有50%的一線教師和大學教師都傾向定位在應用水平，但有近一半的中學教師定位于評價和創造水平，定位在理解水平的不到10%。

（2）針對高中學段科學方法認知水平層級定位的調查研究

調查結果顯示，對于觀察法，55%的受調查者認為，應該定位于創造水平，約有27%認為應該定位于應用水平，15%認為應該定位于評價水平，與初中階段相比，受調查者對高中階段的定位更加傾向于創造水平。對于實驗法，約50%的受調查者認為，應該定位于評價水平和創造水平。對于調查法，45%的受調查者認為，應該定位于創造水平，35%認為應該定位于應用水平，24%認為應該定位于評價水平。對于比較與分類和分析與綜合法，定位比較分散，基本傾向于定位在應用水平、評價水平和創造水平上，創造水平略顯優勢。對于歸納法，約占50%的受調查者認為，應該定位于評價水平，有27%的受調查者認為應該定位于創造水平。對于演繹法和類比推理方法，約占50%的受調查者認為，應該定位于應用水平，而定位于理解水平、評價水平和創造水平的各占10%～20%。對模擬方法認知維度的定位比較分散，比較集中的水平是應用水平和創造水平，分別約占到1/3。對于數學方法，55%的受調查者認為，應該定位于評價水平，各有18%認為應該定位于理解水平和創造水平。對于模型法和假說方法，64%受調查者的觀點是將這些方法定位于應用水平，定位理解水平、評價水平和創造水平的也各占10%左右。對于系統方法，比較集中的定位水平是理解水平和應用水平，但也都各占到1/3。

綜上，以“認同度最高頻度”作為標準來定位認知水平，表明在高中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析與綜合定位于創造水平；歸納法定位于評價水平；模擬法、模型法、假說方法、數學方法和系統方法定位于應用水平。

四、研究結論

1.對科學方法認知內容的研究

綜合調查結果和對教材及生物課程課標的解讀，我們認為，在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析和綜合、歸納與演繹類比推理、模擬法、模型法和數學方法都應該成為生物教學的重要內容。高中學段的科學方法認知內容，在初中的基礎上，還應該增加假說法和系統方法。

2.對科學方法認知水平層級定位的調查研究

問卷調查結果顯示，被調查人員認為在初中階段，觀察法、實驗法、調查法、邏輯方法最高的認同度處于應用水平；模型法、假說方法、數學方法最高的認同度處于知道水平。模擬方法最高的認同度處于理解水平。在高中階段，觀察法、實驗法、調查法、比較與分類、分析與綜合最高的認同度處于創造水平；歸納法最高的認同度處于評價水平；模擬法、模型法、假說方法、數學方法和系統方法最高的認同度處于應用水平。

文獻研究表明，科學過程技能分為基本過程技能和綜合過程技能，初中階段應該定位于發展基本的過程技能，包括觀察、分類、實驗測量、變量的識別和控制等，高中階段應該發展學生的綜合過程技能，包括實驗設計、實驗結果的分析、邏輯推理和建立模型等。

每種科學方法都需要在不同的學習階段反復學習，其中的內容和要求應該是逐級上升的。例如對于模型法，可以要求初中生利用細胞模型來認識和描述細胞結構。但發展到高中階段，要拓展到模型的解釋功能，要求學生能夠建立和使用模型來闡明細胞的結構及其特點。基于以上各種觀點，我們結合中學生物教學實際，對科學方法的認知水平層級作了以下定位。（見表2）

五、問題與思考

本研究結果表明，生物學科專家和中學教師對科學方法認知內容和認知層次水平的定位呈現認識不統一的現象，且此方面的研究成果較少見。因此本研究成果的推廣有利于促進相關專家和中學教師更多地關注科學方法的教學與研究，形成符合并可以促進學生發展的科學方法內容，設計適合各階段學生認知水平的教學方法，使學生的科學素養隨著學習階段的延伸實現連貫一致的發展。

（作者單位：北京市中關村中學）

（責任編輯：張迿 史雅寧）