構建高中生物學探究教學中“提出問題”的邏輯

劉芷瑜 楊 青 胡 薇

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

生物科學是人們在科學探究過程中逐步發展起來的，探究始于問題，只有觸及事物本質的問題才能成為科學探究的起點，而對現象或情境引發的好奇與無知只是對疑慮的一種簡單表達，不具“探究性”。一個具有探究性的問題是滲透一定的知識理論、有所知又有所不知的“科學問題”[1]。提出一個“科學問題”是具備科學探究能力的表現，而科學知識要轉化為科學探究能力需要一定的探究技能。教師在進行科學探究教學時，如果其本身缺乏或沒有以正確的外部信息表征方式體現“提出問題”的思維方法和過程，將使學生難以提出“科學問題”。因此，明確“提出問題”的邏輯意義尤其重要。

1 生物科學史中“提出問題”的技能要素

縱觀科學家的探究歷程，在問題提出上都遵循一定的“范式”，現以高中生物學教學中“植物生長素的發現”為例，說明達爾文在“提出問題”中運用的技能。

1.1 科學探究中“提出問題”的歷程 達爾文在植物向光性研究中注意到人們熟視無睹的普遍現象——窗邊植物向窗外生長，且觀察到植物生長方向的改變發生在植株芽幼嫩部分的現象(觀察)。他綜合窗邊植物所處的環境發現這些植物均于單側光的環境下，同時剖析了彎向光源生長的芽內部細胞形態，認為植物向光性是由于單側光下，芽發生不均勻生長(分析)。那么，單側光是如何使植物的芽發生不均勻生長呢？(提出疑問)對此，他以金絲雀虉草為實驗材料進行了對照對比實驗，通過實驗結果推測光接受點與效應點不同(實驗)，并據此假設單側光照射胚芽鞘尖端，使其產生“影響”下傳至胚芽鞘尖端以下部分即伸長區(想象)，使伸長區不均勻生長，導致植物向光性。

1.2 “提出問題”的技能要素 回顧科學史不僅是要明確其研究成果的進化過程，更重要是利用其反思科學的內涵，領悟科學工作者的思維方式，從而以一種科學的態度對待科學及其應用。對高中生物學探究教學中“提出問題”涉及的技能，其要素間的邏輯關系及技能要點歸納如下。

1.2.1 觀察、分析并提出疑問 一個問題要與科學發現發生必然聯系，就必須與發現本身所提供的知識發生某種必然的聯系，就必然會對現有知識提出質疑[2]。這里就涉及一個連續的過程，即觀察、分析和提出疑問。

信息加工理論界定的問題包含三個基本成分——給定(即問題的起始狀態，是導致現象發生的原因)、目標(即問題的目標狀態)和障礙(即問題的起始狀態轉入問題目標狀態的阻礙)。科學問題是蘊含事物本質的初始狀態[3]，通過分析可獲得導致現象發生的原因(給定)，但事物因受非本質屬性干擾，要提出最終的問題，必然會產生障礙。由于障礙一詞對高中學生較為抽象，故特稱為“提出疑問”。其技能要點包括：①觀察：有目的的觀察(即指向引起情境發生的關鍵事物)、在事物間建立聯系的觀察等；②分析：以同中求異、異中求同或求變化程度來獲取事物間普遍聯系的實質，并將其納入概念體系進行比較，進而獲得導致現象發生的原因(即給定)；③提出疑問：將給定與目標狀態進行比較，發現障礙。例如“探究細胞呼吸方式”中利用酵母菌制作饅頭(表1)。

1.2.2 概念分析或實驗 障礙本質的揭示需要科學家對已有知識做進一步處理，從而發現已知與未知存在的某種必然聯系，依照不同情境采用不同處理方式。即運用概念的形式進行分析，比較同一概念體系中的不同事物，運用已知概念對未知對象進行分析，從而獲得未知對象的本質屬性；或利用實驗來驗證對“疑問”的假設性解釋。其中涉及的技能要點包括：① 概念分析：從事物的現象、條件及邏輯等方面入手，分析比較已有概念和給定概念，運用同中求異、異中求同或求變化程度的方式獲得新信息，或通過異中求同歸納兩者共有屬性的本質。例如“探究細胞呼吸方式”中比較物質體外燃燒和饅頭制作(細胞呼吸)在物質和能量方面的變化及發生條件，歸納兩者的本質是徹底氧化分解有機物,釋放大量能量(表1)。②實驗包括設計和實施實驗(含進一步觀察)。

1.2.3 想象或推理 由于事物之間存在著直觀或非直觀的聯系，科學家在說明某些問題時，會借助包括推理和想象。達爾文在物種經人工選擇與自然選擇的變異在生物連續世代發生的論證上，運用了歸納及類比推理。他提出，自然選擇和人工選擇在變異的存在及其效能上具有眾多共同屬性，因此人工狀態下變異會在連續世代中發生可類比至自然狀態下[3]。高中生物學探究教學在“提出問題”的過程中，常用到類比推理、歸納推理及演繹推理等。事實上，在科學發現進程中，僅著眼于邏輯途徑探索事物本質是遠遠不夠的，科學探究中的想象需要更為嚴謹的推理或實證，如果排除孟德爾在建構遺傳基本規律中應用的想象(如“遺傳因子”),則同樣不可能揭開生物遺傳的神秘面紗。想象或推理的結果是對障礙本質的假設性解釋，“假設非臆測”，需將概念分析或實驗獲得的概念納入概念體系，并以此為想象或推理的依據來揭示障礙本質。其中涉及的技能要點為： 想象與推理均需以給定概念、概念體系及已有的科學理論為依據進行，想象指向當下不存在的事物(如達爾文提出的“影響”是他想象出來的)；推理指向挖掘新舊事物的一致性或相似性。

表1 “提出問題”的技能工具訓練：利用酵母菌制作饅頭

上述的概念分析、推理、想象及實驗可根據不同情境擇選使用，運用以上技能要素揭示的情境原因和障礙本質，有助于指導定位“科學問題”，從而使科學探究有目的地進行。

1.2.4 分類、歸納和評價 課程標準對學生“提出問題”能力的基本要求包括“嘗試書面或口頭表述這些問題”，但目前大部分學生往往不能清晰準確地表述問題，甚至對已分析的情境無所適從，其主要原因在于缺乏整合已有信息的能力。“嘗試書面或口頭表述這些問題”要明確問題所屬類別(即分類)；需要將特定的個例劃入具有普遍性的概念體系中，以實現個別到一般的過程(即歸納)；將確立的問題運用所涉及的相關概念進行判斷，形成問題(即評價)。其中涉及的技能要點：① 分類：劃定問題所屬類別，例如探究酵母菌呼吸方式隸屬細胞代謝類問題；②歸納：將個別事物納入其所屬概念體系，以實現從特殊到一般的過程；③評價：運用概念對事物進行判斷，以確定一個科學規范的問題。

例如“細胞在有氧條件條件下進行有氧呼吸產生大量CO2嗎？”這里從“酵母菌”到“細胞”就是從個別至一般的過程。

2 構建“提出問題”的邏輯

認知心理學將提出問題的過程分為三個階段：①構建問題，即深入理解問題情境，明確給定，找出給定與問題目標之間的障礙；②表述問題，即結合已有知識與情境事實，分析揭示障礙的本質和內涵，并通過書面或口頭語言表達形式對抽象思維進行呈現，這是一個“已知復求知”的過程；③確定問題，即通過對問題目標進行分類、歸納、評價，以確定問題目標狀態的具體內容。可將科學探究中“提出問題”所涉及的技能要素納入“提出問題”程序，借鑒波普爾“科學博弈的邏輯”[4]，構建“提出問題”的邏輯如圖1。

探究能力本身是一種內隱知識，但其建立與培養卻需要學生以外顯的學習形式進行[5]，即明確“科學探究的邏輯”，可借鑒如表1的工具表形式。同時，探究技能的習得并非一蹴而就，教師應有目的地統整教材中適于訓練學生“提出問題”的課程資源，指導學生基于已有知識利用“提出問題”的邏輯提出“科學問題”。由于課時限制，學生很難做到逐一經歷探究歷程，故可運用案例教學法，將科學探究的邏輯融于案例中，這不僅對教師的專業成長具有促進作用，也利于在學生體驗科學探究邏輯的互動中實現有效教學。

圖1 “提出問題”的邏輯