試論科學思維及其在生物學學科中的獨特性

吳成軍

(人民教育出版社/課程教材研究所 北京 100081)

科學思維作為生物學核心素養的主要內容，是形成生命觀念的重要途徑，也是科學探究的重要組成部分。生物學中的一些重要概念，如定律、原理、規律等都是人類科學思維的產物，形成這些概念一般需要進行分析、比較、歸納、演繹、綜合、抽象和概括等科學思維的過程和方法。科學思維既重視概念形成的結果，也關注概念的形成過程。因此，發展學生科學思維的能力和品質是生物學教學的重要目標之一。

1 科學思維的定義及其特征

科學思維有不同的定義。胡衛平等[1]提出：科學思維就是具有意識的人腦對自然界中事物(包括對象、過程、現象、事實等)的本質屬性、內在規律及自然界中事物間的聯系和相互關系的間接的、概括的和能動的反映。這個定義偏重于將思維和概念合為一體，沒有準確地界定科學思維的本質特征；《普通高中生物學課程標準(2017年版)》的表述是：科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度、運用科學的思維方法認識事物，解決實際問題的思維習慣和能力[2]。該定義認為科學思維是一種態度、習慣和能力，缺乏對科學思維的過程和品質的闡釋；《普通高中物理學課程標準(2017年版)》的表述是：科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格[3]。這個定義認為科學思維是一種認識方式、過程、運用、能力與品格的統一，從心理學層面上比較好地闡釋了科學思維的顯性特征。需要指出的是，盡管物理課程標準是以物理學視角來界定科學思維，但所提出的科學思維的這些特征在化學、生物學等自然科學中同樣存在。

基于科學思維的心理學特點，結合上述科學思維的闡述，筆者認為：科學思維是指人對自然界中客觀事物的一種認識行為、認知方式和認知品質的反映。中學科學教育層面的科學思維，還包含有激發學生“崇尚真知，追求科學知識”的認知動機。科學思維具有以下一些顯性特征：①崇尚真知，認同科學知識、原理和方法在解決問題中的作用(認知動機)；②尊重事實和證據，以事實和證據作為科學思維的起點(認知行為)；③正確的邏輯分析，運用科學的思維方法認識事物及事物之間的聯系(認知方式)；④質疑和批判，創造性地提出觀點、方法，以解決具體的問題(認知品質)。這些特征可以用結構圖(圖1)表示它們之間的關系。

圖1 科學思維特征的結構

認知動機是科學思維的起點，只有在“崇尚真知，追求科學知識、原理和方法”的基礎上，我們才會相信科學，進行科學分析，產生“尊重事實和證據”的認知行為；“尊重事實和證據”是科學思維的前提；認知行為如何具體落實為認識方式呢？進行“正確的邏輯分析和推理”是認識事物及事物之間聯系的核心；在認知的過程中，需要堅持質疑和批判的認知精神和品質。由此可見，認知動機、認知行為、認知方式、認知品質是逐級提升的，體現出科學思維鮮明的邏輯層次。而認知品質又會在科學思維的全部過程之中得以體現。

2 科學思維方法的分析

科學思維的表現形式是科學思維方法，即認識事物的本質及事物之間的關系需要一定的方法才能得出正確的結論。科學思維方法有多種分類，其中按思維的抽象程度可以分為：動作思維(直覺)、形象思維(觀察、想象)和邏輯思維(抽象)。邏輯思維是概念形成的重要方式，而科學課程的主要內容之一是形成各種概念、原理和規律，因此，邏輯思維是科學思維的主要表現形式，是科學課程中需要著重培養的思維。邏輯思維主要表現為：比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括等[4]。批判性思維包括三個緊密聯系、相互影響的階段：分析思維方式階段、評估思維方式階段、提高思維方式階段[5]。批判性思維包含了邏輯思維的全部特點，是科學思維的高階水平。

科學思維方法的種類、基本內涵和在生物學中的應用舉例(表1)。

表1 科學思維方法的內涵、相互關系

上述科學思維方法都是形成概念的重要方法，而概念也是一種重要的模型，概念的形成過程就是建立模型的過程，即建立模型也要用到上述科學思維方法。例如，光合作用的概念就是一個概念模型，它是在一系列探索光合作用的原料、條件、場所、產物和過程的基礎上，進行分析與綜合的產物。除概念模型外，數學模型和物理模型的建立都要用到表1中的邏輯思維方法。

邏輯思維在概念的形成中有著重要作用。某種概念的形成既有可能是比較與分類、歸納與演繹的結果，也可能是分析與綜合、抽象與概括的結果。例如，學生學習有關魚的特征就是一個鮮活的事例。教師讓學生觀察各種各樣的魚，分析這些魚的外部形態和生理特征，從中歸納和概括出魚所具有的共同特征：生活在水中，身體呈流線型，體表有鱗片，用鰭平衡和游泳，用鰓呼吸。在這個過程中就使用了分析、歸納、抽象和概括。因此，概念的建構要用到多種邏輯思維方法，其中分析和比較是基礎的邏輯思維方法，其他方法都是建立在分析、比較的基礎上的。抽象程度越高的概念，用到的邏輯思維方法就越高級。圖2呈現了常用的幾種邏輯思維方法之間的關系。

圖2 常用的幾種科學思維方法之間的關系

3 科學思維在生物學科中的獨特性

生物學研究的對象十分復雜而且多樣，因而決定了科學思維在生物學中的復雜性、靈活性和整體性。從復雜性來看，人既是研究的主體，也是研究的對象，所有的生物都是生物學研究的對象；除病毒外，這些生物的結構組成單位都是細胞，其基本的物質組成大致相同，因為有共同特征；各種生物的形態結構差異極大，這些生物所依賴的環境各不相同，而且在同一環境中的生物也差異極大，這就決定了研究這些生物要有復雜性思維。從靈活性來看，盡管在研究生物及生命現象的各個層面上有著許多的共性，但所形成的概念沒有絕對的論述。例如，相對于其他體細胞來說，紅細胞既沒有細胞核，也沒有相應的細胞器，不能用共性的特征來硬套所有的研究對象；又如，對于“生物是不斷進化的，是從水生到陸生、從簡單到復雜，從低等到高等進化的”的認知，就要以靈活的思維來分析，否則就無從解釋現在的地球上為什么還有那么多的低等生物在生存，而且它們還表現出對環境的適應；再如，同樣的水體污染，不同的地理和人文環境決定了污染的方式各不相同，農村的水體污染可能是農田施用化肥過多或者生活污水排入所致，城市的水體污染有可能是化工廠排污所致，這就需要針對污染的周邊環境、所處地理位置的不同而進行不同的考慮。從整體性來看，看待生物及其生命現象，既要進行局部分析，更要進行整體考量。例如，分泌蛋白的形成，不能僅從合成蛋白質的最初場所核糖體來考慮，還要考慮內質網、高爾基體的作用，同時不能忘了線粒體提供的能量；研究一個生態系統的營養結構，不能過分夸大生產者的作用，不能簡單地認為消費者可有可無，這就是整體思維的作用。

生命觀念既是一種認知結論，也是一種認知方式[6]；科學思維強調認知方式，是形成生命觀念的重要途徑，因此，科學思維和生命觀念有著共同的特征，即認知方式的統一(圖3)。例如，“進化和適應”是一種生命觀念，是科學思維的產物，但也可以用進化和適應的思維來看待和分析一些生物現象。例如，人們經常用進化的思維來分析一些生物的結構和功能的不同之處，用適應的思維來分析一些生物所具有的結構與功能的必然聯系。

圖3 科學思維和生命觀念關系圖

正是因為生命觀念與科學思維在認知方式上的共性關系，因而極大地豐富了科學思維在生物學中的內涵。一些具有生命觀念的科學思維就組成了生物學科學思維的獨特性，如生命系統思維、平衡思維、多因素思維、統一性和多樣性思維等。這些思維要求對事物進行多因素、多角度的客觀分析，既要有邏輯推理，又要考慮到實際情況，進行綜合理解。例如，對概念、規律和原理不能作絕對的理解，對問題的求解不過分追求非此即彼的標準答案。下面以多因素思維為例進行分析。在分析生命及其活動規律時，既要分析影響生物的各種因素，也要從中找出最主要的因素。例如，影響光合作用的因素有光照(光照時間、光照強度、光質)、溫度、濕度等；影響種子萌發的條件有溫度、水分、氧氣、光照等。在一個特定的情境下，有時為了弄清楚各種因素的影響程度，還需要人為地控制變量，形成單一變量以設置對照實驗進行處理。多因素思維還需要學生理解生物科學中復雜的因果關系。除經典的一因一果(如一個基因產生一種酶，決定一種性狀)之外，還需要學會理解和分析一因多果、多因一果、多因多果的邏輯關系。多因素分析有利于學生認識事物的復雜性，形成透過問題看本質、分清主要因素和次要因素的哲學觀念，有利于學生更好地認識事物，適應復雜的社會生活。