文章发表:高中生物学中推理思维的种类和教学策略
发表文章于《生物学教学》杂志
高中生物学中推理思维的种类和教学
张年逢 (江苏省江阴市华士高级中学 无锡 214400)
摘要 结合高中生物学,阐述了推理思维的五种常见类型,并对其教学策略给出了建议。
关键词 推理思维 科学思维 高中生物学
《普通高中生物学课程标准(2017年版)》在学科核心素养的科学思维中明确提出要发展学生的“演绎与推理”思维。推理思维是指人们基于一系列的逻辑规则、前提和证据进行推导得出结论的思维方式。下面,结合一些实例来说明高中生物学中常见的推理思维种类及其教学策略。
1 推理思维的常见类型
1.1 演绎推理
演绎推理指从一般性的前提推导出个别性结论的推理方式。它通常采用三段论的形式,即大前提、小前提和结论。我们看一个例子:所有绿色植物都要通过叶绿体进行光合作用,黑藻是一种绿色植物,则黑藻含叶绿体且通过叶绿体进行光合作用。这个例子中,大前提是一个普遍的规律,即所有绿色植物通过叶绿体进行光合作用;小前提是一个具体的事实,即黑藻是一种绿色植物;通过演绎推理可能得出结论:黑藻含叶绿体且通过叶绿体进行光合作用。
再看一个考查中的例子,2023年高考生物江苏卷有这样一个选项:通常酵母菌培养基比细菌培养基有更高的碳氮比。这句话的分析过程就是一个演绎推理思维的过程,可以转换成三段论的形式。大前提:淀粉(糖类)与蛋白质相比,碳氮比更高;小前提:培养酵母菌通常用的马铃薯培养基富含淀粉,培养细菌通常用的牛肉膏蛋白胨培养基富含蛋白质;结论:通常酵母菌培养基比细菌培养基有更高的碳氮比。
需要注意,演绎推理的结论在逻辑上必然正确,前提的正确性才能保证结论的可靠性。
1.2 归纳推理
归纳推理指从个别性事实推导出一般性结论的推理方式。通过对大量个别事实的观察和分析,找出它们的共同点和规律,从而得出一般性结论。归纳推理的典型例子是细胞学说的建立过程。植物学家施莱登通过对花粉、胚珠和柱头组织的观察,发现这些组织都是由细胞构成的,而且细胞中都有细胞核。在此基础上,他进行归纳推理,提出了植物细胞学说,即植物体都是由细胞构成的,细胞是植物体的基本单位,新细胞从老细胞中产生。动物学家施旺受到启发,进一步研究了动物细胞的形成机理和个体发育过程,并提出一切动植物都由细胞发育而来的结论。
再看一个考查中的例子,2023年高考生物江苏卷有这样一个情境:对拟南芥野生型WT和突变体ntt1(叶绿体失去运入ATP的能力)保卫细胞的淀粉粒进行了研究,其大小的变化如图1,然后一个选项:长时间光照可使WT叶绿体积累较多的淀粉,问是否合理?这里所考查的思维就是归纳推理,分析柱状图可知,从光照2小时到光照8小时淀粉粒面积明显增大,就可以归纳出结论:长时间光照可使WT叶绿体积累较多的淀粉。
图1
需要注意,归纳推理一般是基于有限观察到的现象,得到的结论在逻辑上可能正确,但也可能存在例外情况,需要在后面实践中进一步加以检验。
1.3 类比推理
类比推理是根据两个或两类对象在某些属性上的相似性,推断它们在其他属性上也可能相似的推理方式。类比推理的典型例子是物理学上光的波动性推导,19世纪物理学家研究光的性质时,曾经将光与声进行类北。声有直线传播、反射和折射等现象,其原因在于它有波动性。后来发现光也有直线传播、反射和折射等现象,因此推测光也可能方波动性。高中生物学中类比推理的典型例子不多,这里需要提出讨论的是,旧人教版教材(2004版)中将萨顿基于基因和染色体在行为上存在着平行关系进而提出基因在染色体上观点的过程归为类比推理,这似乎不符合上面类比推理的定义,因为它不是根据一个事物属性推导另一个事物的属性。现在新人教版教材(2019版)中已将这种说法删除,可能就是基于这方面的考虑。
再看一个考查中的例子,科研人员发明了治疗糖尿病的胰岛素泵,包埋在皮肤下面的血传感器可以测量患者的血糖浓度并将信息发送到控制器,控制器计算出胰岛素释放速度,将信号发送到胰岛素泵,胰岛素泵通过放置在皮肤下面的导管释放胰岛素,如图2。怎么理解胰岛素泵对血糖的调节?可以将它类比成人体内的血糖调节过程。控制器类似于血糖中枢下丘脑,胰岛素泵类似于胰岛B细胞,传感器类似于感受器。我们讲人体血糖调节具有负反馈调节的特点,那么我们可以推导,胰岛素泵对血糖的调节也具有负反馈调节的特点。
图2
需要注意,类比推理有一定合理性,但也可能存在误导性,因为共同属性和推出来的属性可能没有什么关系,这时的类比推理的结论就不可靠了。类比推理得出的结论需要进一步结合实验验证其正确性。
1.4 溯因推理
溯因推理是根据已知的结果或现象,推断出可能导致这种结果或现象原因的推理方式。高中生物学教材中典型例子是与孟德尔同时代的德国动物学家魏斯曼(A.Weismann),他观察到生殖过程中每个亲代细胞都贡献了一半的染色体给子代细胞,而亲子代细胞中染色体数目是恒定的,他分析原因,推理得出在精子和卵细胞成熟的过程中,必然有一个特殊的过程使染色体数目减少一半,也即减数分裂。后来这一推断被其他科学家通过显微镜观察所证实。我们进一步思考前面萨顿提出基因在染色体上的推理过程,他是分析基因与染色体出现平行关系的原因,进而提出基因在染色体上的观点,应该可以归为溯因推理。
再看一个考查中的例子,2023高考生物江苏卷有这样一个问题,帕金森综合征患者普遍存在溶酶体膜蛋白TMEM175变异,如图3。问TMEM175蛋白变异将影响溶酶体的功能,原因是什么?这是一个典型的溯因推理过程,逻辑的起点是溶酶体膜蛋白TMEM175变异,终点是溶酶体功能异常,需要把起点和终点之间的因果逻辑链讲清楚。具体原因是TMEM175变异,影响H+运出溶酶体,改变溶酶体内pH,进而影响溶酶体内水解酶的活性。
图3
1.5 假设推理
假设推理是通过提出假设来解释已知事实和现象,并通过实验和观察验证假设的推理方式。高中生物学中假设推理的典型例子是孟德尔发现基因的分离定律和自由组合定律。孟德尔先通过豌豆杂交实验观察到一些现象,如3:1、9:3:3:1等分离比,再提出等位基因分离、非等位基因自由组合等假设来解释这些现象,并进一步做了测交实验,来验证前面的假设。另外,摩尔根证明基因在染色体上、梅塞尔森(M.Meselson,)和斯塔尔(F.Stahl)证明DNA是半保留复制也都体现了假设推理。
看一个考查中的例子,2021年高考生物江苏卷有这样一个问题:若F2中果蝇单对杂交实验中出现了一对果蝇的杂交后代雌雄比例为2:1,由此推测该对果蝇的______性个体可能携带隐性致死基因;若继续对其后代进行杂交,后代雌雄比为______时,可进一步验证这个假设(答案:雌、4:3)。这里体现的就是假设推理思维。
假设推理常用于事件发生时已知条件比较少,很难得出结论的情况,如果已知条件较充分,那就直接用溯因推理了。
2. 推理思维的教学策略
2.1 融合教学是途径
高中阶段不可能开设专门的科学思维课,都是融合在学科课程内容中进行科学思维的渗透培养。新的高中生物课程标准将科学思维列为四大学科核心素养之一,我们在教学生物学内容的同时,不要忘记以学科内容为载体,融合发展学生推理等科学思维。平时分析撰写教学目标时,需要单独考虑科学思维发展这个方面的教学目标。
2.2 显性教学更有效
显性教学指有明确的科学思维教学目标,并在教学活动中将其明示给学生。与其相对,隐性教学不特地设置科学思维的教学目标,认为学生通过学科内容的学习会潜移默化地形成一些科学思维。很多研究认为,科学思维的显性教学比隐性教学更有效,强调在学科内容的教学中要及时归纳一些特定的思维模式,并把这种模式明示给学生。像前文所述的五种推理思维都可以在相应学科内容学习中明确告知学生。另外还要创设机会让学生去反思并应用这些思维模式,如此才起到思维教学的较好效果。
2.3 创境设问是关键
学生科学思维的发展最终落实点在课堂上一个个具体情境问题的分析。教师要善于创设真实生动的情境问题,引导学生展开思维,并相互讨论激发,教师适当点拨归纳和引导变式训练,如此学生的思维体验才深刻而清晰。特别要善于结合生产和科学素材,创设真实的科学问题情境,让学生在真问题的分析解决发展推理等科学思维。
推理是一个常规的思维过程,我们每天无意识中都在运用,但如何使我们的推理思维更清晰、更有章法,需要我们在教学中做一些显性化的训练。除了上面归纳的五种常见的推理思维外,还有其它推理思维类型,期待大家的交流。
基金项目:
江苏省教育科学“十三五”规划2020年度重点资助课题“基于大概念的高中生物学主题式教学研究”,No.B—a/2020/02/49
江苏省教育科学“十三五”规划2020年度立项课题“新高考背景下支持能动学习的高中课堂教学新样态实践研究”,No.D/2020/02/267
主要参考文献:
[1]冯利敏.从学选考试题谈发展学生演绎推理思维的教学策略[J].生物学教学,2022,47(04):32-34.