美國(guó)高中主流理科教材中“解釋數(shù)據(jù)”技能的分析

福建省廈門(mén)第一中學(xué)（361027）鐘永金

美國(guó)高中主流理科教材《生物·生命的動(dòng)力》（以下簡(jiǎn)稱“教材”）中包含了與教學(xué)內(nèi)容構(gòu)成有機(jī)整體的實(shí)驗(yàn)欄目，其中的“技能實(shí)驗(yàn)”分布在各個(gè)章節(jié)中，旨在有效指導(dǎo)學(xué)生以相應(yīng)的生物學(xué)概念為理論依據(jù)，運(yùn)用各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能解決問(wèn)題，并在解決問(wèn)題的過(guò)程中掌握各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能及其所蘊(yùn)含的邏輯思維方法，強(qiáng)化對(duì)相關(guān)生物學(xué)概念的理解與運(yùn)用。

技能實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展不需要借助實(shí)驗(yàn)儀器，但是它們可以用來(lái)評(píng)估其他研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)［1］。“教材”中83 個(gè)技能實(shí)驗(yàn)所涉及的技能主要分為兩類：（1）將事物的本征信息轉(zhuǎn)化為感知信息和表征信息所需的技能，包括觀察與推斷、分類、對(duì)比與比較、運(yùn)用概念、解釋科學(xué)圖示、獲取信息、繪制與運(yùn)用圖表、理性思維、因果推斷、運(yùn)用數(shù)學(xué)工具、分析信息等；（2）科學(xué)探究的綜合技能，包括作出假設(shè)、建構(gòu)模型、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)、解釋數(shù)據(jù)、得出結(jié)論和分析說(shuō)明等。兩類技能的共同特點(diǎn)是寓邏輯思維方法于技能要素之中。“教材”設(shè)置技能實(shí)驗(yàn)，不僅是為了訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，更重在教會(huì)學(xué)生解決問(wèn)題的思維邏輯及策略。本文以“解釋數(shù)據(jù)”技能為例，剖析其技能要素及這些技能要素的運(yùn)用特點(diǎn)，旨在說(shuō)明技能實(shí)驗(yàn)內(nèi)在的教育價(jià)值。

一、“解釋數(shù)據(jù)”的技能要素及其運(yùn)用特點(diǎn)

（一）“解釋數(shù)據(jù)”的技能要素

“教材”中所列的13 個(gè)“解釋數(shù)據(jù)”技能實(shí)驗(yàn)的共同特點(diǎn)為：（1）他人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總是以表格、曲線圖、直方圖、示意圖和圖譜等數(shù)據(jù)形式展示；（2）將解決問(wèn)題所需的技能要素按問(wèn)題解決的思維邏輯順序依次列出；（3）將解決問(wèn)題的技能要素所對(duì)應(yīng)的邏輯思維方法蘊(yùn)含在考查理性思維的問(wèn)題中，啟示教師以邏輯思維方法的運(yùn)用為解決問(wèn)題的內(nèi)在線索，實(shí)現(xiàn)邏輯思維方法的訓(xùn)練。表1 為“解釋數(shù)據(jù)”技能所涉及的數(shù)據(jù)形式、技能要素（按各要素使用的順序進(jìn)行排列）和邏輯思維方法。從表1中可知，“解釋數(shù)據(jù)”的技能要素所蘊(yùn)含的邏輯思維方法主要有分析與綜合、抽象與概括、推理和說(shuō)明等。

表1 “解釋數(shù)據(jù)”之?dāng)?shù)據(jù)形式、技能要素及邏輯思維方法

續(xù)表

（二）“解釋數(shù)據(jù)”技能要素的運(yùn)用特點(diǎn)

第一，以發(fā)現(xiàn)型思考題引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“解釋數(shù)據(jù)”技能對(duì)他人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而在運(yùn)用技能的過(guò)程中理解和掌握技能，領(lǐng)悟技能要素及其所蘊(yùn)含的邏輯思維方法。“教材”編排的技能實(shí)驗(yàn)包括“實(shí)驗(yàn)技能類別”“解決問(wèn)題”“理性思維”三個(gè)部分。“實(shí)驗(yàn)技能類別”部分列出了需解決的問(wèn)題及其相關(guān)背景知識(shí)；“解決問(wèn)題”部分以相應(yīng)的數(shù)據(jù)形式展示他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或數(shù)據(jù)，以便學(xué)生從中獲取解決問(wèn)題的事實(shí)依據(jù)；“理性思維”部分則按照解決問(wèn)題的思維邏輯順序依次列出，并將技能要素以行為動(dòng)詞的形式列入思考題中。

例如，“非生物因素如何影響有機(jī)物的合成”這一技能實(shí)驗(yàn)，用“溫度對(duì)濱藜合成有機(jī)物（葡萄糖）的影響”的曲線圖展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)型思考題“1.20 ℃時(shí)葡萄糖的合成量是多少？2.曲線圖中哪一溫度下的葡萄糖合成量最高？3.當(dāng)溫度達(dá)到30 ℃時(shí)濱藜合成葡萄糖的過(guò)程發(fā)生怎樣的變化？”［1］引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“分析”這一技能要素對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，啟迪學(xué)生在運(yùn)用該技能要素解決問(wèn)題的過(guò)程中理解：分析是對(duì)思維對(duì)象從不同的方面加以認(rèn)識(shí)的過(guò)程；分析是在思維中把對(duì)象整體分解為各個(gè)部分、方面、層次、因素而分別加以認(rèn)識(shí)的邏輯思維方法［2］。

第二，將解決問(wèn)題所需的技能要素按解決問(wèn)題的邏輯順序依次列出，啟示學(xué)生解決問(wèn)題的思路和策略。

例如，“DNA 的化學(xué)分析結(jié)果”這一技能實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生對(duì)埃爾文·查戈夫有關(guān)“DNA 樣本中每種堿基的百分?jǐn)?shù)”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋［1］，將解釋所需的技能要素“對(duì)比與比較”“歸納”依次列出，啟示學(xué)生依次運(yùn)用“對(duì)比”去發(fā)現(xiàn)同一生物不同細(xì)胞以及不同生物細(xì)胞DNA中A、C、G 和T 的相對(duì)含量的相似性和差異性，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用“比較”去發(fā)現(xiàn)上述“對(duì)比”結(jié)果的共同點(diǎn)：無(wú)論是何種來(lái)源的DNA，其A 與T的含量、C 與G 的含量總是十分相近，進(jìn)而透過(guò)“堿基含量”這一表象，運(yùn)用“歸納”對(duì)細(xì)胞DNA中堿基含量的規(guī)律進(jìn)行概括，實(shí)現(xiàn)在程序化運(yùn)用技能要素的過(guò)程中學(xué)會(huì)解決問(wèn)題的程序化決策。

技能屬于程序性知識(shí)，其有效學(xué)習(xí)方法就是在運(yùn)用技能的過(guò)程中掌握技能，技能實(shí)驗(yàn)正是讓學(xué)生在運(yùn)用技能解決問(wèn)題的過(guò)程中掌握技能的有效途徑。

二、“解釋數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)分析方法

“解釋數(shù)據(jù)”技能所解釋的數(shù)據(jù)，包括定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)，因計(jì)量類型不同，在測(cè)量層次、數(shù)學(xué)特征、數(shù)據(jù)分析方法及得出結(jié)論的方法等方面各具特點(diǎn)（見(jiàn)表2）。要科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)，要求以不同的數(shù)據(jù)形式（如表格、曲線圖、直方圖等）展示不同類型的數(shù)據(jù)，以便于解釋。

表2 不同計(jì)量類型的測(cè)量層次、數(shù)學(xué)特征、數(shù)據(jù)分析方法及得出結(jié)論的方法一覽表

（一）定性數(shù)據(jù)的解釋方法

定性數(shù)據(jù)的獲取是基于圖文表達(dá)的意義，通常利用概念進(jìn)行分析，從需要分類的非標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中得出結(jié)論［3］；而概念的形成，需用到分析、綜合、抽象和概括等邏輯思維方法，可通過(guò)演繹推理檢驗(yàn)概念。

例，“鳥(niǎo)類如何學(xué)習(xí)鳴叫”這一技能實(shí)驗(yàn)以圖譜形式呈現(xiàn)“野生白冠帶鹀與獨(dú)自長(zhǎng)大的白冠帶鹀的鳴叫聲譜”（見(jiàn)圖1）［1］，屬于圖文表述型數(shù)據(jù)，期望學(xué)生運(yùn)用“解釋數(shù)據(jù)”技能解決一般性問(wèn)題——“鳥(niǎo)類如何學(xué)習(xí)鳴叫”。

圖1 野生白冠帶鹀與獨(dú)自長(zhǎng)大的白冠帶鹀的鳴叫聲譜

“教材”啟示，利用概念分析方法解決問(wèn)題的程序如下：首先，通過(guò)“對(duì)比與比較”野生白冠帶鹀與獨(dú)自長(zhǎng)大的白冠帶鹀的聲譜幅差異，對(duì)帶鹀的鳴叫行為類別進(jìn)行判斷（先后天綜合行為）；其次，通過(guò)觀察與分析圖譜，從帶鹀的聲譜幅在B 和C 區(qū)段上的顯著差異，獲取有關(guān)帶鹀的特有鳴叫聲主要是學(xué)習(xí)行為的事實(shí)依據(jù)；最后，以“學(xué)習(xí)是掌握物種特有鳴叫聲的關(guān)鍵”為理論依據(jù)，推理：獨(dú)自長(zhǎng)大的白冠帶鹀雛鳥(niǎo)，若獲得學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)（聽(tīng)野生白冠帶鹀的鳴叫聲的錄音），將最終學(xué)會(huì)白冠帶鹀特有的鳴叫聲。

（二）定量數(shù)據(jù)的解釋方法

定量數(shù)據(jù)從數(shù)字中獲取，通過(guò)圖表探索、數(shù)據(jù)展示，如用表格展示具體數(shù)值，用直方圖展示最大、最小值，用餅圖說(shuō)明比例，用箱形圖說(shuō)明分布，用散點(diǎn)圖說(shuō)明變量之間的關(guān)系，用曲線圖說(shuō)明趨勢(shì)等等，最后用統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)關(guān)系、差異和趨勢(shì)，從數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中得出結(jié)論［3］。

例如，“DNA 的化學(xué)分析結(jié)果”這一技能實(shí)驗(yàn)以表格形式呈現(xiàn)DNA 樣本中每種堿基的百分?jǐn)?shù)（見(jiàn)圖2）［1］，期望學(xué)生能運(yùn)用“解釋數(shù)據(jù)”技能歸納出DNA（無(wú)論來(lái)源如何）的總體組成的一般性概念。

圖2 DNA樣本中每種堿基的百分?jǐn)?shù)

“教材”啟示，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法從“DNA 樣本中每種堿基的百分?jǐn)?shù)”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲取意義的程序如下：首先，運(yùn)用“分析”這一邏輯思維方法從不同的方面（異中求同、同中求異）、不同的層次（同種間、不同種間）“對(duì)比”每一種DNA中A、T、G 和C 含量的相似性和差異性；其次，運(yùn)用“綜合”這一邏輯思維方法“比較”上述“對(duì)比”結(jié)果的共同點(diǎn)——無(wú)論是何種來(lái)源的DNA，其A與T的含量、C與G的含量總是十分相近；再次，運(yùn)用“抽象”這一邏輯思維方法，采用統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)DNA 樣本中每種堿基的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行除法運(yùn)算，透過(guò)堿基含量這一表象，抽象出“A∶T=1∶1”“C∶G=1∶1”這一堿基含量規(guī)律的內(nèi)在本質(zhì)；最后，運(yùn)用“概括”這一邏輯思維方法“歸納”結(jié)論：無(wú)論是何種來(lái)源的DNA，其總體均由4 種核苷酸組成，4 種核苷酸分別含有A、T、C 和G 四種堿基，且A∶T=1∶1，C∶G=1∶1。

“教材”中該“技能實(shí)驗(yàn)”展示了運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析定量數(shù)據(jù)的程序，啟示學(xué)生“對(duì)比與比較”“歸納”所蘊(yùn)含的邏輯思維方法，在指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“解釋數(shù)據(jù)”技能分析定量數(shù)據(jù)的同時(shí)，教會(huì)學(xué)生問(wèn)題解決程序中所蘊(yùn)含的邏輯思維方法。

三、得到的啟示

建構(gòu)生物學(xué)概念是生物學(xué)教學(xué)的中心任務(wù)，而概念所反映的是對(duì)象的本質(zhì)屬性，需由表及里、從形象到抽象加以概括，才能獲得。“教材”所開(kāi)設(shè)的技能實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了獲得概念的過(guò)程，是訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用邏輯思維方法獲得概念的有效平臺(tái)。

生命科學(xué)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，要求學(xué)生掌握大量的實(shí)驗(yàn)技能，而實(shí)驗(yàn)技能的獲得只有通過(guò)“做科學(xué)”才能實(shí)現(xiàn)，技能實(shí)驗(yàn)就是這個(gè)“做科學(xué)”的平臺(tái)。開(kāi)展技能實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生在運(yùn)用實(shí)驗(yàn)技能解決問(wèn)題的過(guò)程中掌握實(shí)驗(yàn)技能。

“教材”中的“技能實(shí)驗(yàn)”的“理性思維”部分，將解決問(wèn)題所需的技能要素按解決問(wèn)題的程序依次列出，引導(dǎo)學(xué)生順著其邏輯思路發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，幫助學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中習(xí)得解決問(wèn)題的思路和策略，從而達(dá)到“授之以漁”的目的。