科学思维与生物学概念教学(赵占良)

科学思维与生物学概念教学赵占良2018.08.25，沈阳新中国教育出版事业从这里开始……引言科学思维与核心素养的关系科学思维的内涵科学思维与理性思维的关系生物学科科学思维的特点生物学教学中如何培养学生的科学思维为什么要重视概念教学如何加强重要概念的教学一、科学思维与核心素养的关系与学生发展核心素养与学科核心素养全面发展的人文化基础社会参与学生发展核心素养-六大素养（定稿）学会学习健康生活自主发展责任担当实践创新人文底蕴科学精神学生发展核心素养举例科学精神：主要是学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现。具体包括理性思维、批判质疑、勇于探究等基本要点。学生发展核心素养中的理性思维学生发展核心素养的六大素养之一——科学精神科学精神的三个要点之一——理性思维学科核心素养的内涵学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。——普通高中生物学课程标准物理学科核心素养物理学科核心素养物理观念科学思维科学探究科学态度与责任化学学科核心素养化学学科核心素养宏观辨识与微观探析变化观念与平衡思想证据推理与模型认知科学态度与社会责任实验探究与创新意识生物学学科核心素养——《普通高中生物学课程标准（2017年版）》生物学科核心素养生命观念科学探究科学思维社会责任学科核心素养中的科学思维物理：科学思维化学：证据推理与模型认知生物：科学思维（送审稿中是“理性思维”）小结：科学（理性）思维与核心素养的关系从学生必备品格和关键能力角度看，科学（理性）思维是科学态度、科学世界观和科学价值观的基础；学生要具有分析和解决问题能力，关键要靠科学（理性）思维。从学生发展核心素养的框架体系看，理性思维是作为六大素养之一的科学精神的基本要点。从学科核心素养来看，科学思维是理化生等理科课程标准所凝炼的学科核心素养的重要组成。加里.R.卡比杰弗里.R.古德帕斯特《思维》：“科学与其说是一种知识体系，不如说是一种思维方式。”“我们不是要成为科学家，而是去了解科学研究的基础，从而成为科学信息的明智消费者。”二、科学思维的内涵理性思维：崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法；尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度；逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等。——《学生发展核心素养体系构建》课题组科学思维科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法探讨生命现象及规律，审视或论证生物学议题——《普通高中生物学课程标准（2017年版）》科学思维（物理课标）科学思维（专著解释）张大松《科学思维的艺术科学思维方法导论》“科学思维方法是指形成并运用于科学认识活动的、人脑借助信息符号对感性材料进行加工处理的方式与途径。一般来说，科学思维方法比日常思维方法更具有严谨性与科学性。”科学思维（专著解释）马林著《思维科学知识读本》：“科学思维是人们在科学认识和科学实验的活动中所进行的一种思维活动，是以探索真理为目的的思维活动，是反映客观事物本质与规律，以‘理论’掌握世界的方式进行的思维活动。”对“科学思维”的理解从认知角度，是求真的思维。从做事角度，是合规律的思维。科学思维在科学探究中形成，用来解决自然科学问题，也可用来解决自然科学以外的某些问题。科学思维不能解决人类面临的所有问题。科学思维是人类理性精神在思维中的体现。科学思维的核心是理性思维。三、科学思维与理性思维的关系科学思维与理性思维的关系科学思维的核心是理性思维，都是人类理性精神在思维中的体现。科学思维=理性思维+直觉、灵感、顿悟等直觉是与生俱来的，灵感和顿悟是可遇而不可求的，教育教学中训练和提升科学思维，主要是指理性思维余自强《生物课程论》：科学思维内容科学抽象思维•判断•推理（归纳、演绎、类比）科学形象思维•表象•模型科学直觉思维和灵感•直觉•灵感直觉思维张大松《科学思维的艺术科学思维方法导论》“直觉思维是人们思维活动中那种超越感性经验和逻辑推理的一种直接洞察与整体判断，它跨越了一系列研发积累和理性分析，往往说不出判断或选择的理由，似乎在当时也不需要说明理由。”“直觉思维是创造性活动中普遍存在的思维方式”理性思维的概念解析理性：合客观+合逻辑合客观：区别于宗教信仰等尽量排除主观因素的影响合逻辑：区别于感性、情感如何做到合客观、合逻辑合客观：靠证据——观察、实验、调查等合逻辑：靠推理——归纳、演绎科学的基本特点科学的基本特点是以怀疑作审视的出发点，以实证为判别尺度，以逻辑作论辩的武器。——高中生物教材《遗传与进化》P128引自美国《国家科学教育标准）以怀疑作审视的出发点以实证为判别尺度以逻辑作论辩的武器合客观合逻辑理性逻辑思维逻辑思维的基本形式：概念、判断、推理、论证逻辑思维的基本方法：归纳和演绎、分析和综合、抽象和概括、比较和分类等理性思维的正例达尔文摩尔根证据和推论之间是严密的逻辑理性思维的反例“一见钟情”：感性思维，无证据无逻辑看风水：有逻辑无证据用进废退：有大量反证高压线附近患白血病几率高：有证据无逻辑63、73、83、93、103：有证据无逻辑理性思维的反例反转斗士砸日系车抢购食盐四、生物学科科学思维的特点与其他自然科学的共同点：都致力于合客观和合逻辑都倡导理性质疑都是基于实证的逻辑思维，都强调形式逻辑思维的严密性。与其他学科的比较优势生物学科在思维训练上的优势（高阶思维）：——辩证思维、整体性思维、复杂性思维这代表了现代科学思维方式辩证思维一分为二、对立统一、发展变化、普遍联系地思考问题，都是辩证思维。摈弃非此即彼、二元对立的思维方式，引导学生全面、辩证地看问题，是培养辩证思维的重要方面之一。高中教材辩证思维训练进化的结果是占领更多的生态位，不一定适应能力更强。整体性思维的范例——生态学思维它不同于传统科学的分析式思维。分析式思维以过分的理性化和机械化为特征，注重事物和过程的单因果的硬性决定论，以及线性的和非循环因素的作用。生态学思维是一种整体性思维，它注重事物和过程多因果的网络结构及概率统计方法的运用，重视非线性的和循环因素的分析；注重将生态系统作为各种组分相异相依、相克相生、共存共荣的有机整体，主张摈弃传统的极端功利型思维，倡导互利型的思维方式。——赵占良《中学生物教育引入生态文化内涵的思考》这是受线性因果决定论影响形成的简单的线性思维引导学生在认识非线性因果关系基础上进行整体性思维整体性思维训练复杂性思维生物学中因果关系的复杂性一因多果某种药物的服用效果：最常见的副作用是：头痛、面部潮红、胃部不适、视力异常，如视觉色彩改变（如有蓝色色晕）和视力模糊、鼻塞或流鼻涕、背痛、肌肉痛、恶心、头晕、皮疹一果多因初中生物：影响种子萌发的外界条件……高中生物：影响身高的多个基因及后天因素影响，影响光合作用强度的环境因素……多因多果初高中生物：生态因素，环境污染对生物的影响，生物多样性锐减的原因和后果……生物学中因果关系的复杂性线性因果关系线状或树状（“一个基因一个酶”，反射，等等）非线性因果关系（环状或网状）循环因果关系：如生命系统各层次的反馈调节，生产者、消费者、分解者之间的关系似乎分不清起点和终点的因果环路高中生物的例子甲状腺激素的浓度是TSH作用的“果”，反过来又成为作用于垂体和下丘脑的“因”，构成一个封闭的反馈环。生物学中的因果关系线性因果关系线状或树状（“一个基因一个酶”，反射，等等）非线性因果关系（环状或网状）循环因果关系：如生命系统各层次的反馈调节网络因果关系：诸多反馈环路之间的相互影响，如神经、体液、免疫调节网络，从基因到性状的调节网络，生物与环境的共同进化、生态系统的稳定性等复杂性思维的反例20、右图为一个生态系统中某些生物的相对数量关系，这些生物构成了一条食物链。甲、乙、丙三者在食物链中正确的顺序是A甲→乙→丙B乙→丙→甲数量C丙→乙→甲D甲→丙→乙甲乙丙复杂性思维的反例(5)若将雌雄成鼠各若干只，放在大小一定的笼内饲养，让它们交配繁殖，且供给足够的饲料和水，则笼内鼠数变化和饲养时间之间的关系应为下图中的曲线。缺乏复杂性思维的表现五、如何培养学生的科学思维1.注重怀疑态度、质疑精神介绍科学史有关实例在教学活动中鼓励质疑，培养问题意识“不唯上，不唯书，只唯实”围绕提出问题进行思维训练五、如何培养学生的科学思维2.通过各种学习探究活动培养学生的实证意识、寻求证据的能力，注重证据的客观性如测定人的反应速率测定种子发芽率减少误差两条钢轨之间距离（视错觉）追求证据的客观性首先应重视模拟探究的教育价值。活动中应要求学生尽量避免主观因素影响。让学生意识到利用工具进行测量是排除主观、力求客观的有效手段。证据高中新教材中的例子五、如何培养学生的科学思维3.引导学生从证据推导出结论，训练逻辑思维的流畅性、严密性训练理性思维教材举例：八年级下册P54五、如何培养学生的科学思维4.在训练学生形式逻辑思维基础上，训练学生的高阶思维生物学科在思维训练上的优势：——辩证思维、整体性思维、复杂性思维体现生物学因果关系的复杂性训练辩证思维科学思维之外感性思维（如审美）对于人的发展，特别是人工智能越来越发达的将来，也是核心素养的重要组成部分以生物学教学为载体，强化科学（理性）思维的训练和思维习惯的养成，同时重视科学与人文的结合，全面提升学生的核心素养，是培养全面发展的人的题中应有之义。六为什么要重视概念教学个人理解：从科学知识论来看，科学本身不是事实的堆积，而是概念体系。概念都不是孤立存在的，而是处于许多相关概念构成的网络中的。概念教学帮助学生所学知识结构化，形成良好的知识结构。只有结构化的知识才是良好的知识。事实是不能迁移的，概念是能够迁移的，可以迁移到新情境中，用来分析和解决问题。概念教学本身是透过现象看本质，通过个别看一般，借助特殊探普遍的过程，概念作为思维的材料和基本形式，学习概念的过程就是培养思维能力的过程，分析成因、预测未来的过程。概念教学为什么重要？概念是形成思想观念的基础。学习科学概念有助于形成科学的世界观。学生应该在较好地理解了生物学概念性知识的基础上形成生命观念，如结构与功能观、进化与适应观、稳态与平衡观、物质与能量观等，并能够用生命观念认识生命世界、解释生命现象。——《高中生物课程标准（征求意见稿）》七、如何加强重要概念的教学认真钻研课标，理清重要概念、次位概念和具体概念的关系，以重要概念为统领认真钻研教材，特别是章引言、本节聚焦和本章小结，使教学聚焦重要概念认真了解学情，注重探查学生的前概念（包括错误概念）概念教学要重在理解概念的实质概念的理解不能过于机械或绝对，要有灵活性和包容性概念教学的教学设计思路1.依据课标，分析教材，确定章节重要概念。2.弄清概念的内涵，了解并分析学生的已有知识和前概念，设置问题情境，引发认知冲突。确定本节中心问题。3.将中心问题依次分解成具体问题，设计问题串。4.每个问题的解决需要学生获得什么事实性材料，如何获得，从而设计相应教学活动。5.获取事实性材料基础上引导学生抽象概括，形成概念内涵。6.举例说明概念外延（正例，反例）。7.总结概念内涵、外延，与已学概念建立联系。8.练习巩固，学以致用。强化重要概念教学的教学策略一、情境创设策略创设问题情境，激发兴趣，利用学生的生活经验和前概念，引发认知冲突。二、问题驱动策略以问题驱动学习过程（思考、讨论、资料分析、观察、实验等），层层深入，螺旋上升三、概念建构策略让学生感知事实，在此基础上引导学生归纳概括，帮助学生形成科学概念。强化重要概念教学的教学策略四、先行组织者策略先给学生一段概括性强、与原有知识有联系、引出新知识的引导性材料。（请关注章引言）五、概念表述策略准确、清晰地表述概念的内涵。六、概念网络化策略利用概念图或知识网络图（师生均可绘制），建立概念之间联系，形成良好知识结构。七、检测与应用策略利用练习题，检测概念的掌握情