科学解释的生物学教育价值

刘梦琦 安云彦 李秋石

(河北师范大学生命科学学院 石家庄 050024)

科学解释是“将科学理论与科学观察结果或现象相联系的描述[1]”，是一种特殊的科学论证。而科学论证又是一种典型的科学实践。因此，科学解释是关注于科学实践、依赖于科学发展而存在的一种论证方法。科学解释能力就是将现有的科学知识和来自观察、实验或模型的新证据组合成具有内在一致性的、符合逻辑的说明的能力[2]，包括推测事件发生原因、预测可能发生情况、阐明特点现象本质等3个要素。

在高中生物学新课程的课堂教学过程中，科学解释生物学现象和规律是学生获取生物学知识的重要途径。新课程标准提出： 高中生物学课程与教学始终以提高生物学学科核心素养为宗旨，要求学生能主动地参与学习、获取生物学知识、养成科学思维的习惯、形成积极的科学态度、发展终身学习和创新实践能力。体现了高中生物学课程科学性与社会性的统一，这中间的每一个环节都蕴含着科学解释。此外，在高中生物学教学中，科学解释也是一种重要的、具有生物学学科特征的教育性实践。这种学科特征体现在学生在生物学教师的指导下，以生物学问题为中心，有目的地运用所获得的生物学规律，探寻生物学现象的原因、根据和本质，达到对生物学现象的理解和说明，进而将理论回归于实践，在特定的生物学情境中基于多样化的学习过程分析和解决复杂的生物学问题。科学解释的生物学教育价值归于以下4点：

1 科学解释推动生物学探究性学习的进程

在演绎—规律解释模型中，被解释项是经验规律或自然事件，解释项是包含普遍规律的前提。该模型可运用于生物学探究教学。在生物学教学中运用演绎—规律解释模型，就是让学生在真实的情境中，整合现有的科学事实和原理、运用科学的思维和模拟重现生物学规律的探究历程。下面以“物质的跨膜运输”内容为例：

被解释项： 经验规律或自然事件——成熟植物细胞在溶液中发生质壁分离和复原。

解释项： 普遍规律原理——成熟植物细胞中的原生质层具有选择透过性；外界溶液与细胞液之间存在浓度差；原生质层比细胞壁具有更大的伸缩性。

科学实践： 通过镜检判断成熟植物细胞的死活、测定细胞液浓度范围、比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度和鉴别不同种类的溶液等。

在这个过程中，学生真正进行思考、主动发现、解决问题和探究生物学规律的本质，历经了观察情境、现象探究、问题猜测、假说验证和得出结论等五个环节。因此，科学解释不仅促使学生的思维向着更加科学的方向发展，也推动探究性学习的进程，促进学生科学思维的达成。

2 科学解释促进生物学概念性知识的理解

在归纳—统计解释模型中，被解释项是事实或经验的统计规律，解释项是理论的统计规律。该模型可用于生物学概念教学。在生物学教学中运用归纳—统计解释模型，就是学生在实例情境中，结合已有知识和情境中的多个特定实例，统整已有的事实、现象、结果和数据，运用科学思维对于典型线索进行科学分析，形成基于实例的规律并进行归纳，最终得到一般概念。下面以“遗传信息控制生物体的性状”内容为例：

被解释项： 实例①，镰刀型细胞贫血症、囊性纤维病等，经验的统计规律——功能异常←蛋白质结构异常←编码该蛋白的基因异常；实例②，白化病、圆粒和皱粒豌豆，苯丙酮尿症、红眼和白眼果蝇等。经验的统计规律——代谢(功能)异常←酶(蛋白质)的合成异常←编码该酶(蛋白质)的基因异常。

解释项： 理论的统计规律——基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体性状，也能通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而间接控制生物体的性状；但总的来说，基因是通过控制蛋白质的合成(结构或数量)来控制生物体的性状。

在此过程中，学生完整地经历了典型分析、抽象概括和得到一般论断的科学归纳推理。因此，科学解释在促进学生掌握生物学概念性知识的同时，也有利于科学思维的达成。

3 目的—功能解释促进学生科学认识论的建立

在目的—功能解释模型中，被解释项是一般规律，解释项是实现这个一般规律的主体所具有的功能。该模型可用于生物学结构与功能观、稳态与平衡观等的教学。在生物学教学中运用目的—功能解释模型，就是学生就情境中的真实问题进行溯因推理，从生物学现象或事实出发，运用一般性规律知识进行猜测推导，寻找能够解释此生物学现象或事实的根本原因。下面以“人体血糖调节”内容为例：

被解释项： 一般规律——人体内血糖水平不会无限上升或无限下降。

连锁问题： ①为什么血糖浓度会降低和升高？因为有胰岛素和胰高血糖素分别控制血糖的降低和升高。②为什么血糖浓度到了一定程度就不再降低或升高了？因为胰岛素或胰高血糖素不再分泌。③为什么胰岛素或胰高血糖素会停止分泌？因为胰岛B细胞或胰岛A细胞受到了抑制。

解释项： 功能——胰岛素和胰高血糖素相互拮抗，通过反馈调节机制维持机体稳态。

在此过程中，学生就一个起始问题产生连锁问题、进行连锁推理，逐渐形成“如果要达到解释项，那么就要发生被解释项，所以可能的原因是解释项”的连贯的科学逻辑思维，进而推广应用到其他类似的问题中。因此，科学解释促进学生建立起科学的认识论模型并进行科学实践。

4 发生论解释促进学生科学认识论的建立

在发生论解释模型中，被解释项是系统的当前状态，解释项是系统的过去状态。该模型可用于生物学进化与适应观的教学。在生物学教学中运用发生论解释模型，就是学生在真实情境中发现系统当前状态中存在的问题，借助已知生物学规律和事实线索，以当今时间为起点，向过去的时间和更加广阔的范围追溯并搜索历史证据，探知造成系统当前状态的历史根源，依据历史提出当前状态中问题的解决方案。下面以“生物多样性”内容为例：

被解释项： 当前状态——生物多样性锐减。

历史溯源： ①生物多样性锐减的直接原因： 新物种形成的速度大大落后于现有物种灭绝的速度；②现有物种灭绝的原因： 植被破坏、海洋污染和全球气候变暖，都是导致现有物种灭绝的原因；③造成灭绝性事件的主体： 绝大多数的灭绝原因都可以追溯到人类活动；④如何阻止生物多样性锐减： 将人类活动的影响降到最低才能阻止生物多样性的锐减；⑤保护生物多样性的措施。

解释项： 过去状态——生物多样性增加，生态系统健康发展。

在这个过程中，学生经历了连贯追本溯源，通过分析证据链，认识到一个系统的发生、发展不仅需要经历漫长的时间跨度，还需要多因素的协同作用；而一个系统的崩溃却是如此的轻易和迅速。因此，学生在科学解释的过程中感悟生命观念、体会社会责任，促进公民素养的提升。

5 总结

以上4种科学解释模型仅分别从一个侧面体现科学解释能力在高中生物学教学中的价值，但生物学教学中用到的科学解释模型并不单纯只有一种，很多时候是由多个科学解释模型交叉而成。下面以“分离定律与自由组合定律”内容为例：

被解释项： 经验规律或自然事件——生物的性状是由遗传因子决定的；体细胞中的遗传因子成对存在。经验的统计规律——亲本具有两对相对性状；子一代均表现为显性性状，子二代出现性状分离。

解释项： 理论的统计规律——每一对相对性状的遗传都遵循分离定律。

普遍规律原理——位于同源染色体上的等位基因在减数第一次分裂后期发生等位基因分离，分别进入不同的配子，随雌雄配子的随机结合遗传给后代；同时，位于非同源染色体上的非等位基因自由组合。

总之，以往的生物学教学中，教师通常注意的是学生对知识产生过程的认识，而忽略了学生对于该过程中的活动的本质认识。教师应充分地重视科学解释的生物学教育价值，重视学生科学解释能力的培养，把握科学解释的推测原因、预测可能和阐明本质这三个要素，保证解释方向的科学性、逻辑推理的严明性和素养达成的完整性[3]。关注学生将具体经验与科学概念的本质属性相联系的认识与能力的提升，促进学生生物学核心素养的达成。

(基金项目： 2017～2018年河北省高等教育教学改革研究与实践项目，No.2017GJJG507；河北省教育科学研究“十三五”规划2016年度重点资助课题，No.1602055；*通信作者)