美國高中主流理科教材中“解釋數據”技能的分析

鐘永金

［摘 要］美國高中主流理科教材《生物·生命的動力》中的“技能實驗”涉及的技能很多，“解釋數據”技能就是其中之一。各個技能要素中蘊含著與之相對應的邏輯思維方法。文章以“技能實驗”中涉及的“解釋數據”技能為例，剖析其技能要素及這些技能要素的運用特點，旨在闡明技能實驗內在的教育價值。

［關鍵詞］美國高中主流理科教材；技能實驗；解釋數據；技能要素

［中圖分類號］ ? ?G633.91 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2022）20-0078-03

美國高中主流理科教材《生物·生命的動力》（以下簡稱“教材”）中包含了與教學內容構成有機整體的實驗欄目，其中的“技能實驗”分布在各個章節中，旨在有效指導學生以相應的生物學概念為理論依據，運用各項實驗技能解決問題，并在解決問題的過程中掌握各項實驗技能及其所蘊含的邏輯思維方法，強化對相關生物學概念的理解與運用。

技能實驗的開展不需要借助實驗儀器，但是它們可以用來評估其他研究者的實驗結果和數據［1］。“教材”中83個技能實驗所涉及的技能主要分為兩類：（1）將事物的本征信息轉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、對比與比較、運用概念、解釋科學圖示、獲取信息、繪制與運用圖表、理性思維、因果推斷、運用數學工具、分析信息等；（2）科學探究的綜合技能，包括作出假設、建構模型、實驗設計、預測、解釋數據、得出結論和分析說明等。兩類技能的共同特點是寓邏輯思維方法于技能要素之中。“教材”設置技能實驗，不僅是為了訓練學生的實驗技能，更重在教會學生解決問題的思維邏輯及策略。本文以“解釋數據”技能為例，剖析其技能要素及這些技能要素的運用特點，旨在說明技能實驗內在的教育價值。

一、 “解釋數據”的技能要素及其運用特點

（一） “解釋數據”的技能要素

“教材”中所列的13個“解釋數據”技能實驗的共同特點為：（1）他人的實驗數據總是以表格、曲線圖、直方圖、示意圖和圖譜等數據形式展示；（2）將解決問題所需的技能要素按問題解決的思維邏輯順序依次列出；（3）將解決問題的技能要素所對應的邏輯思維方法蘊含在考查理性思維的問題中，啟示教師以邏輯思維方法的運用為解決問題的內在線索，實現邏輯思維方法的訓練。表1 為“解釋數據”技能所涉及的數據形式、技能要素（按各要素使用的順序進行排列）和邏輯思維方法。從表1中可知，“解釋數據”的技能要素所蘊含的邏輯思維方法主要有分析與綜合、抽象與概括、推理和說明等。

（二）“解釋數據”技能要素的運用特點

第一，以發現型思考題引導學生運用“解釋數據”技能對他人的實驗數據進行評估，進而在運用技能的過程中理解和掌握技能，領悟技能要素及其所蘊含的邏輯思維方法。

“教材”編排的技能實驗包括“實驗技能類別”“解決問題”“理性思維”三個部分。“實驗技能類別”部分列出了需解決的問題及其相關背景知識；“解決問題”部分以相應的數據形式展示他人的實驗結果或數據，以便學生從中獲取解決問題的事實依據；“理性思維”部分則按照解決問題的思維邏輯順序依次列出，并將技能要素以行為動詞的形式列入思考題中。

例如，“非生物因素如何影響有機物的合成”這一技能實驗，用“溫度對濱藜合成有機物（葡萄糖）的影響”的曲線圖展示實驗數據，以發現型思考題“1. 20 ℃時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.當溫度達到30 ℃時濱藜合成葡萄糖的過程發生怎樣的變化？”［1］引導學生運用“分析”這一技能要素對實驗數據進行評估，啟迪學生在運用該技能要素解決問題的過程中理解：分析是對思維對象從不同的方面加以認識的過程；分析是在思維中把對象整體分解為各個部分、方面、層次、因素而分別加以認識的邏輯思維方法［2］。

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

例如，“DNA的化學分析結果”這一技能實驗要求學生對埃爾文·查戈夫有關 “DNA樣本中每種堿基的百分數”的實驗數據進行解釋［1］，將解釋所需的技能要素“對比與比較”“歸納”依次列出，啟示學生依次運用“對比”去發現同一生物不同細胞以及不同生物細胞DNA中A、C、G和T的相對含量的相似性和差異性，在此基礎上運用“比較”去發現上述“對比”結果的共同點：無論是何種來源的DNA，其A與T的含量、C與G的含量總是十分相近，進而透過“堿基含量”這一表象，運用“歸納”對細胞DNA中堿基含量的規律進行概括，實現在程序化運用技能要素的過程中學會解決問題的程序化決策。

技能屬于程序性知識，其有效學習方法就是在運用技能的過程中掌握技能，技能實驗正是讓學生在運用技能解決問題的過程中掌握技能的有效途徑。

二、“解釋數據”的數據分析方法

“解釋數據”技能所解釋的數據，包括定性數據和定量數據，因計量類型不同，在測量層次、數學特征、數據分析方法及得出結論的方法等方面各具特點（見表2）。要科學地解釋數據，要求以不同的數據形式（如表格、曲線圖、直方圖等）展示不同類型的數據，以便于解釋。

（一）定性數據的解釋方法

定性數據的獲取是基于圖文表達的意義，通常利用概念進行分析，從需要分類的非標準化的數據中得出結論［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，可通過演繹推理檢驗概念。

例，“鳥類如何學習鳴叫”這一技能實驗以圖譜形式呈現“野生白冠帶鹀與獨自長大的白冠帶鹀的鳴叫聲譜”（見圖1）［1］，屬于圖文表述型數據，期望學生運用“解釋數據”技能解決一般性問題——“鳥類如何學習鳴叫”。

“教材”啟示，利用概念分析方法解決問題的程序如下：首先，通過“對比與比較”野生白冠帶鹀與獨自長大的白冠帶鹀的聲譜幅差異，對帶鹀的鳴叫行為類別進行判斷（先后天綜合行為）；其次，通過觀察與分析圖譜，從帶鹀的聲譜幅在B和C區段上的顯著差異，獲取有關帶鹀的特有鳴叫聲主要是學習行為的事實依據；最后，以“學習是掌握物種特有鳴叫聲的關鍵”為理論依據，推理：獨自長大的白冠帶鹀雛鳥，若獲得學習的機會（聽野生白冠帶鹀的鳴叫聲的錄音），將最終學會白冠帶鹀特有的鳴叫聲。

（二） 定量數據的解釋方法

定量數據從數字中獲取，通過圖表探索、數據展示，如用表格展示具體數值，用直方圖展示最大、最小值，用餅圖說明比例，用箱形圖說明分布，用散點圖說明變量之間的關系，用曲線圖說明趨勢等等，最后用統計方法檢驗關系、差異和趨勢，從數字化和標準化的數據中得出結論［3］。

例如，“DNA的化學分析結果”這一技能實驗以表格形式呈現DNA樣本中每種堿基的百分數（見圖2）［1］，期望學生能運用“解釋數據”技能歸納出DNA（無論來源如何）的總體組成的一般性概念。

“教材”啟示，運用統計方法從 “DNA樣本中每種堿基的百分數”的實驗數據中獲取意義的程序如下：首先，運用“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）“對比”每一種DNA中A、T、G和C含量的相似性和差異性；其次，運用“綜合”這一邏輯思維方法“比較”上述“對比”結果的共同點——無論是何種來源的DNA，其A與T的含量、C與G的含量總是十分相近；再次，運用“抽象”這一邏輯思維方法，采用統計方法，對DNA樣本中每種堿基的百分數進行除法運算，透過堿基含量這一表象，抽象出“A∶T=1∶1”“C∶G=1∶1”這一堿基含量規律的內在本質；最后，運用“概括”這一邏輯思維方法“歸納”結論：無論是何種來源的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“技能實驗”展示了運用統計方法分析定量數據的程序，啟示學生“對比與比較”“歸納”所蘊含的邏輯思維方法，在指導學生運用“解釋數據”技能分析定量數據的同時，教會學生問題解決程序中所蘊含的邏輯思維方法。

三、得到的啟示

建構生物學概念是生物學教學的中心任務，而概念所反映的是對象的本質屬性，需由表及里、從形象到抽象加以概括，才能獲得。“教材”所開設的技能實驗展現了獲得概念的過程，是訓練學生運用邏輯思維方法獲得概念的有效平臺。

生命科學作為一門實驗科學，要求學生掌握大量的實驗技能，而實驗技能的獲得只有通過“做科學”才能實現，技能實驗就是這個“做科學”的平臺。開展技能實驗旨在讓學生在運用實驗技能解決問題的過程中掌握實驗技能。

“教材”中的“技能實驗”的“理性思維”部分，將解決問題所需的技能要素按解決問題的程序依次列出，引導學生順著其邏輯思路發現并解決問題，幫助學生在解決問題的過程中習得解決問題的思路和策略，從而達到“授之以漁”的目的。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?比格斯. 科學發現者：生物：生命的動力［M］. 廖蘇梅，曾立，譯.杭州：浙江教育出版社，2008.

［2］ ?田運.思維辭典［M］. 杭州：浙江教育出版社，1998.

［3］ ?王靜龍，梁小筠. 定性數據分析［M］. 上海：華東師范大學出版社，2005.

（責任編輯 黃春香）