发表于《生物学杂志》2025年第10期

AI思维链对科学思维教学的启示

——以高中生物学教学为例

张年逢  （江苏省江阴市华士高级中学  无锡  214400）

摘要  新一代的AI模型开始具备思维链和复杂推理的能力，AI中的思维链给我们的科学思维教学带来一些新的启示。在科学思维教学中要关注问题解决的思维全过程、关注思维链这一高阶思维形式、关注思维链的测评。可以通过将以复杂问题解决为载体、思维链显性化、比较问题决的不同思维链等策略进行思维链的教学。

关键词  科学思维  思维链  问题分解  生物学教学

The enlightenment of AI thought chain to scientific thinking teaching

Zhang Nianfeng

(Jiangyin Huashi Senior High School of Jiangsu Province, Wuxi 214400, China)

Abstract  The new generation of AI models began to have the ability of thought chain and complex reasoning, and the thought chain in AI brought some new enlightenment to our scientific thinking teaching. In the teaching of scientific thinking, we should pay attention to the whole process of thinking in problem solving, the high order thinking form of thought chain, and the evaluation of thought chain. The teaching of thought chain can be carried out through the strategies of complex problem solving, thought chain visualization and comparing different thought chains of problem resolution.

Keywords  Scientific thinking; Chain of Thought; Problem decomposition; Biology teaching

科学思维教学中高中生物学课程中占据极其重要的地位。高中生物学课程标准中提出了发展学生的“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”等具体思维形式；高考评价体系中对学生思维认知能力群的考查包括“形象思维能力、抽象思维能力、归纳概括能力、演绎推理能力、批判性思维能力、辩证思维能力”等。这些具体的科学思维的教学相关研究已经比较丰富，但科学思维的内涵是非常丰富的，除了这些具体的思维教学外，还有很多方面可以进一步开展。2024年9月OpenAI发布了名为o1的新一代模型，该模型开始具备思维链和复杂推理的能力。AI中的思维链给我们的科学思维教学带来一些新的启示。

1  AI思维链简介

AI中的思维链(Chain of Thought)是一种模拟人类思考过程的推理机制，通过将复杂的问题逐步分解为一系列简单问题，并逐个解决这些简单问题，从而得出最终结果。这种方法旨在提高AI模型的逻辑推理能力，使其能够处理更复杂的任务，并提供更透明、可解释的结果。

AI思维链是基于对复杂问题的分解，需要注意问题分解不局限的将问题分解成几个步骤，最常见的问题分解可以分成如下三种。

（1）按照解决步骤或流程分解

据解决问题的逻辑顺序或步骤流程，将问题分解为一系列有序的子任务。这也就是我们解题中常说的分步解题，第一步做什么、第二步做什么……直到最后得出结果。

（2）按照问题领域或类别分解

根据问题的性质或所属领域，将其划分为不同的类别或子领域，然后针对每个类别或子领域进行分别处理。这也就是我们解题中常说的分情况讨论，将一个问题分解成几种情况进行讨论分析。

（3）按照假设或可能性分解

针对问题中可能存在的不确定性或多种可能性，做出不同的假设，并针对每个假设进行分析和验证。这其实就是高中生物学中常说的“假说-演绎法”，科学研究中经常需要根据现象、数据等做出多种假设，然后对每个假设进行演绎推理和实验验证。

2  问题解决中的思维链例析

2023年高考江苏卷考查了这样一道遗传问题（部分）：

科学家在果蝇遗传学研究中得到一些突变体。为了研究其遗传特点，进行了一系列杂交实验。请回答下列问题：

（1）下列实验中控制果蝇体色和刚毛长度的基因位于常染色体上，杂交实验及结果如下：

据此分析，F₁雄果蝇产生____种配子。

这个问题的解决，首先需要分步骤，然后在一些步骤的分析中需要做假设分析，具体如图1（为了表述方便，果蝇体色基因用A、a表示、刚毛长度基因用B、b表示）。这个问题的解决过程就体现了分步分析的思维链和假设分析的思维链。

图1  体现分步分析和假设分析的思维链

对上面的题目做简单的改编，去掉右侧的测交实验，只根据左侧杂交实验分析F₁产生的配子类型及比例，则需要做分情况讨论，体现分类分析的思维链，如表1（不考虑互换，否则需要作出更多分类）。

表1  体现分类分析的思维链

类型1：两对基因在二对同源染色体上	根据基因的自由组合定律，F1产生基因型为AB、Ab、aB、ab的四种配子，比例为1:1:1:1。
类型2：两对基因在一对同源染色体上且A与B连锁	根据基因的连锁定律，F1产生基因型为AB、ab的二种配子，比例为1:1。
类型3：两对基因在一对同源染色体上且A与b连锁	根据基因的连锁定律，F1产生基因型为Ab、aB的二种配子，比例为1:1。

3  AI思维链给科学思维教学的启示

3.1  关注问题解决的思维全过程

高中生物学课程标准中所说的“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”等更多是关注思维的形式或结果，而思维链则更多是关注问题解决的思维全过程。这两个方面不是包含关系，也不是并列关系，而是不同角度的阐述，它们可以相互融合，比如在思维链的具体某个步骤或某种类型中可以应用“演绎与推理”等具体的思维方法。思维链的提出提醒我们教学中不仅要关注思维的具体形式或结果，也需要关注问题解决的思维全过程。对复杂问题的解决，某种程度上整体思维链的搭建更为重要，一个清晰、连贯的思维链能够帮助学生系统地分析问题，有条理地推进解决步骤，提高解决问题的效率。

3.2  关注思维链这一高阶思维形式

随着对科学思维教学的重视，高阶思维教学引起人们的关注与研究。一般所讲的高阶思维缘于布鲁姆（B.S.Boom）的教育目标分类。1956年布鲁姆以认知为主导，将学习目标分成知识、理解、应用、分析、综合和评价六类，其中知识、理解、应用称为低阶思维，分析、综合、评价称为高阶思维，如表2。也有学者从其它角度对高阶思维作出阐述，如美国学者瑞斯尼克（Resnick）指出，高阶思维是不规则且复杂的，能够产生多种解决方案，具有不确定性、应用多重标准和自动调节等特征。

思维链是复杂问题解决过程的思维过程，可能存在不同解决方案的思维链，具有不确定性；另外思维链需要规划、设计解决问题的系统过程，需要多个阶段的分析、推断，需要不断的评价、评估问题解决效果，应归为高阶思维。训练学生的复杂问题解决过程的思维链是高阶思维教学的重要形式。

表2  布鲁姆认知目标分类及其相应行为动词表

3.3  关注思维链的测评

SOLO分类理论为思维测评提供了较好的依据。SOLO全称为“Structure of the Observed Learning Outcome”，意为“可观察的学习结果的结构”，是由澳大利亚教育心理学家比格斯（J.B.Biggs）及其同事首创的一种学生学业评价方法。这种理论以等级描述为特征，旨在通过观察学生在解决问题时所展现出来的思维结构来评价其学习成果（表3）。

表3  SOLO分类理论的5个层次

如果学生在问题解决中呈现较好的思维链，则至少对应SOLO层级中的关联结构层次，因为思维链就是一种逻辑网络。在科学思维的测评中可以通过观察学生是否形成思维链来反应其思维是否达到R层级。

4  训练学生思维链形成的教学策略

4.1  将思维链显性化

思维及思维链蕴含在问题解决的过程中，是隐性的，需要学生在问题的解决过程中自行领悟。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。思维链的教学同样如此，通过一些方式将思维链可视化地表示出来，便于学生理解和掌握，进而提升学生思维链的应用能力。

常用的将思维链显性化的方式有思维导图和表格。思维导图是一种图形化的思维工具，它通过将各种信息以图形化的方式呈现出来，从而将复杂、抽象或混乱的思维过程转化为清晰、直观、结构化的视觉表示（如图1）。有一些专门的软件可以帮助人们快速构建思维导图。表格是另一种有效的思维链显性化工具，它通过行列的交互结构化地呈现信息，使人们清晰地看到信息之间的联系和差异，从而清晰地反应思维的过程和脉络（如表1）。

4.2  以复杂问题解决为载体

思维链蕴含在复杂问题的解决过程中，思维链的形成是基于对复杂问题的分解。面对复杂问题，训练学生将复杂问题分解为更小的、可解决的部分，然后系统地分析和解决这些部分，最终整合各部分解决方案以解决整个问题，并在这个过程中提炼、外显思维链，由此训练学生形成思维链的能力。关于问题分解，中学阶段着重训练复杂问题分步骤、分情况、分假设三种分解方法，这也是形成思维链的三种基本形式。现在教学中对工程学问题、跨学科问题关注研究比较多，这些问题的解决需要不断地进行任务的分解与整合，需要用到复杂的思维链，是训练学生思维链的好载体。

4.3  比较问题解决的不同思维链

比较解决同一问题的不同思维链是深入训练学生思维链能力的有效方法。复杂问题的解决思路具有多样性，不同人由于其背景知识、已有经验、思维方式的不同，可能会产生不同的思维链。展示并比较这些不同的思维链，促进学生反思自己原有的思维链，看到自己原有思维链的盲点和不足，然后做出进一步的优化调整。教学中要善于选取典型问题，组织学生讨论，展示多种解决思路和思维链，并引导学生进行比较、评价、优化等。经常的这种训练必能提升学生形成系统清晰思维链的能力，提升解决复杂问题的能力。

AI思维链本是借鉴人脑的思维过程，AI能应用思维链解决复杂问题又给我们的科学思维教学一些启示。AI思维链的应用如同一面镜子，映照出我们在科学思维教学方面有待加强的方面，启示我们不断探索如何更好地培养学生的科学思维。

主要参考文献：

[1]叶振宇,孙星雨,王占军.基于SOLO分类理论的生物学情境化试题分析——以2024年九省联考新高考生物学适应性测试为例[J].生物学教学,2024,49(09):68-71.

[2]吴举宏.学习进阶与高阶思维教学——以中学生物学教学为例[J].中学生物教学,2023,(31):4-7.

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