高中生物课程中的科学方法探究

陕西师范大学生命科学学院 邵博文 潘何伟

摘要：高中新课标强调提高学生的科学素养，科学方法正是科学素养的核心内容。文章分析、整理了高中教材中展现的科学方法，研究了课标的指导意义及要求，辨析了相关的科学方法，以期对课堂教学有所帮助。

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关键词 ：高中生物教材；科学方法

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2014）18-0089-02

人教版高中生物教材必修一《分子与细胞》“生物膜的流动镶嵌模型”一节中，讲述第一部分的知识点“对生物膜结构的探索历程”，以科学史的方式讲述生物膜的发现过程——欧文顿经过实验发现溶于脂质的物质比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜得出结论：膜是由脂质组成的。这里展示了欧文顿用观察法和实验法得出可供分析的实验结果，然后运用分析归纳法得出结论。关于细微的看不见的不容易想象的磷脂分子，课本给出了磷脂分子的结构示意图，这是物理模型法。罗伯特森用实验法发现了细胞膜“暗—亮—暗”的结构，课本也给出了图片形式的物理模型，直接展示了罗伯特森所拍到的电镜照片，可以清楚地看见细胞膜“暗—亮—暗”的三层结构。在细胞膜流动镶嵌模型这一知识点上，课本首先描述了荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验，利用实验法并用图片明确记忆，向学生展示了发现的过程，在给出结论的时候，同时运用了物理模型和概念模型，既有用文字具体描述的流动镶嵌模型如何存在的概念模型，也有用图片直接展示出来的物理模型。

上述实验法、归纳法、物理模型和概念模型等都是科学研究中所运用到的科学方法。在一课时的教材中就蕴含如此多的科学方法，但是，在生物课堂上对于科学方法的教育和培养却很是缺乏。究其原因，一方面是教师对科学方法概念的理解不到位、范围不清楚所致；另一方面是课堂上科学方法教育教学策略的欠缺。本文将系统阐述一下科学方法的概念及分类。

一、科学方法的概念及层次

在科学研究过程中，为解决科学问题技术难点所使用的方法称为科研方法。科研方法分为三个层次：第一层次是适用于各门学科特点的特殊方法，如生物化学中的原子示踪法、粒子物理中的核—核碰撞实验方法等；第二层次是各门学科研究的一般方法，是特殊方法的归纳和总结，对各门学科研究具有比较普遍的指导意义，如观察法、实验法等；第三层次是最具有普遍意义的哲学方法，是一种世界观又是一种方法论，最本质上是思维方法，是研究各类科研方法的理论基础和指导思想。

我们在此处说的科学方法是指第二层次的一般方法。一般方法是特殊方法的归纳和综合，以哲学方法为指导，对各门学科都具有较普遍的指导意义。“提高生物学素养”是新课程的基本理念，科学方法则是科学素养中最核心的内容，在初高中阶段的各学科基础知识的教学中，让学生接触并了解乃至亲身应用这些科学方法，对培养学生缜密的科学思维、提高科学素养具有重大的作用及意义。

科学研究只有建立在大量事实材料的基础上，通过逻辑思维方法对这些材料进行加工整理才能不断地发展与进步。所以，科学方法根据科学研究中的步骤可分为获得数据或事实材料的方法和分析处理材料的方法两大类。

二、获得数据或事实材料的方法

获得数据或事实材料的方法主要有观察法、实验法和调查法。观察法是指人们在自然条件下通过感官或者一定的仪器，有目的、有计划地观察研究对象并及时记录下来以获得相关科研材料的方法，实验法是观察法的补充和发展。当通过观察提出未知的问题时，可以通过实验来提取出我们所期望的、可以解答问题的答案。实验法人为干预自然中的各个因素更有利于揭示自然事物的本质。在大多数情况下，观察法和实验法相辅相成、共同作用。如孟德尔的豌豆杂交实验，孟德尔在做实验的时候，必须先观察豌豆的相对性状，才可以设计出杂交的方案，杂交过程是实验法，在收获种子的时候也要观察好豌豆种子的形状及数量。调查法是指为了达到某一目的，制定一个计划全面或者比较全面地收集研究对象某一特定方面的材料，以供我们分析、综合得到结论的科研方法。调查法比较适合从群落或者系统层次上发现问题，是生态学研究的重要方法。在科学家研究曼彻斯特地区桦尺蠖体色基因频率的变化中，应用了观察法和调查法。要先观察出桦尺蠖体色的相对性状，然后运用调查法，统计一定数量的桦尺蠖中深色与浅色的数量，对比工业革命之前与之后桦尺蠖体色的数量比，可以明显看出种群的基因发生率变化。

三、分析处理材料的方法

分析处理材料主要有逻辑思维（包括归纳与演绎、分析与综合、类比）、非逻辑思维（包含形象思维和直觉与灵感）、模型方法和系统方法等。

1.逻辑思维是人们在认识过程中借助于概念、判断、推理反映事实的过程。归纳和演绎是一对思维方向相反的推理形式和思维方法，归纳是从特殊事实中概括出一般原理或规律，演绎是从普遍性结论或一般性事理推导出个别性结论，二者互为补充、相辅相成。孟德尔在豌豆杂交试验中，通过实验数据归纳出性状是由基因控制的，所有具有相对性状的生物都符合基因分离定律这一普遍性的规律，这是运用归纳法由个别结果推测普遍规律。为了验证这一假说的正确性，孟德尔预测了豌豆测交的结果，通过第二年测交实验验证了预测的正确，测交实验是孟德尔运用了演绎法通过一般规律推测个别结论。分析与综合也是互为表里的一对思维方法，分析是将研究对象整体分解为一个个部分来研究，综合是将研究对象的各个部分整合起来从整体上去认识和把握。如上面曼彻斯特桦尺蠖种族基因频率与环境污染间的关系，就有运用这两种方法。最初科学家只是统计调查出深色桦尺蠖所站的比例越来越大，并不清楚这种变化的原因，这是和大环境割裂开来只分析生物的原因。与环境综合起来对比，就很容易发现桦尺蠖体色的变化和曼彻斯特地区的污染息息相关。类比是指由两个对象的某些相同或相似的方面来推断它们在其它性质上也有可能相同或相似，是从特殊到特殊，从一般到一般的推理。萨顿的关于基因位于染色体上的推理就是典型的类比推理。

2.非逻辑思维包括形象思维和直觉与灵感。形象思维指人们在认识事物过程中对事物表象进行取舍时形成的，只用直观形象的表象解决问题的思维方法。形象思维包括表象的再现、想象和联想。而直觉和灵感是当问题无法解决，是大脑不加思考而产生的想法，不具有逻辑性和必然性，对错与否也要经过证明，但是却是创新能力形成的重要因素。

3.模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。模型舍去了原型的一些次要细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，是连接理论和应用的桥梁。模型主要分为数学模型、物理模型和概念模型。数学模型是指用数学的方法来描述两件事物之间的联系；物理模型是指以实物或者图片等形式直观地表达认识对象的特征；概念模型是指以文字对真实世界中的问题或者理论的描述。在教材展示的孟德尔豌豆杂交实验中，这三种模型都有用到。教材中用概念图的形式清楚地展示了杂交的过程以及母本和子代的形状，这是图片形式的物理模型，有助于形象记忆。而子代的性状以及数量比例都可以运用数学中的概率计算得出，这是一种数学模型，用一种数学式表达集中因素之间的关系。最后孟德尔得出的文字描述的遗传第一定律与第二定律，这是一种概念模型。

4.系统方法是指在明确系统边界后，在分析组成系统各要素、层次结构的基础上分析系统内各组分间关系的方法。系统方法适用于生态学方面，桦尺蠖的研究也在一定程度上应用了系统方法。以曼彻斯特地区的大环境为系统，系统中对桦尺蠖体色有影响的关键因素有树干、树干上的地衣，捕食桦尺蠖的鸟儿以及环境污染。工业革命之前，曼彻斯特森林茂密没有污染，所以树干上长满浅色的地衣，桦尺蠖趴在树干上，深色的容易被鸟儿看见吃掉，所以浅色个体占大多数。工业革命之后，污染严重，地衣死亡，煤灰将树干染成黑色，深色的桦尺蠖容易躲过鸟儿的眼睛而存活下来，所以深色个体占绝对优势。这是以系统整体分析各个要素、层次的系统方法。

在教材中通过教学将科学方法渗透给学生，是培养学生严谨科学思维、提高科学素养的绝佳素材。

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参考文献：

[1]张伟刚.科学研究方法导论[M].北京:科学出版社,2009.

[2]李建珊.科学方法概览[M].北京:科学出版社,2002.

[3]赵占良,人教版高中生物课标教材中的科学方法体系[J].中学生物教学,2007,(3).

（编辑：杨迪）