高中生物学教学中两种运算思维的教学*

蒋选荣

摘   要   基于对科学思维核心的界定，比较了具体运算思维、形式运算思维的特征，建构了两种科学思维的教学策略。具体运算思维的教学策略包括：通过直观教学的方式感知生命特征和规律，通过分类、排序等思维训练提高认识能力，让学生表述自己的观点暴露思维过程，给予学生更多动手操作机会让思维物化。形式运算思维教学策略包括：创设情境让学生尝试作出假设，提供学生进行科学探究的机会，密切与经验联系能动建构大概念。

关键词   科学思维  具体运算思维  形式运算思维

科学思维的核心是在对一个多变量系统进行推断时表现出的科学推理能力[1]，高中学生科学思维的发展主要是在具体运算思维的发展基础上、培养形式运算思维。根据皮亚杰的认知发展学说，具体运算思维是指对物理世界逻辑稳定性的认知，意识到变化或者转化的元素仍保有它们原有的特征，并且这些改变是可逆的[2]。具体运算思维的焦点是回答“是什么”。形式运算思维是抽象思维，是对众多变量进行系统分析的思维，焦点是回答“可能是什么”。具体运算思维在小学阶段已经发展起来，形式运算思维通常在初中阶段开始发展，形式运算思维的发展是建立在具体运算思维基础之上的。

一、具体运算思维的教学

在高中生物学教学中，运算思维是直观的，是对生命特征认识的心理系统。既包括对生物体形态结构、特征、规律的认识，又包括对生命系统及其规律进行分组和归类，用对生命现象的认识解释生物学问题，包括守恒、分类、排序等运算能力。守恒能力是指对生命系统变化的认识能力，分类能力是指从不同角度对生命系统进行分类，排序是指对生命系统及其组成成分之间复杂关系的认识（关联度的认识）。

1.通过直观教学的方式感知生命特征和规律

在生物学教学中，通过实物、模型、图片、图形等载体传递教学信息，让学生认识生物形态结构、生命活动规律。对于复杂的生命活动、生理机制可以通过直观教学明晰特征、特点、规律。如一定条件下，种群数量变化规律，可以通过绘制曲线图揭示变化趋势，分析影响种群数量增长的因素。

2.通过分类、排序等思维训练提高认识能力

在高中生物学学习过程中，学生会接触到纷繁复杂的生命现象，教师通过引导学生对生命系统或有关概念进行分类，厘清生命系统之间、生命系统与环境之间的关系，提高对生命现象或生命活动规律的认识能力。如学生在学习了有关免疫内容后，教师要求学生对免疫类型进行分类，从形成机制、免疫器官、免疫过程等方面列表比较。

3.通过学生自己的表述暴露思维过程

在课堂教学中，鼓励学生根据自己的认识，运用自己的语言阐述自己的观点，从而暴露思维过程，有利于师生相互评价。如在了解孟德尔杂交实验的过程后，鼓励学生对豌豆1对相对性状的遗传实验现象进行解释（提出假设），在此基础上，教师讲述孟德尔对实验现象的解释，引导学生对照分析自己的思维，有利于发展科学思维的能力。

4.通过学生的动手操作促进思维物化

在教学过程中，学生通过绘图、制作模型、实验、设计方案等操作形式让思维的结果可视化，物化成具体形式，从而有利于检验思维的过程、思维的品质，促进学生形成进行积极思维的心智态度。染色体数目和行为的变化是区别减数分裂和有丝分裂各时期特征的依据，学生需要通过分类、排序等具体运算思维过程理解分裂各时期特征，在此基础上，教师引导学生用橡皮泥制作有丝分裂、减数分裂各时期的模型图，有利于学生根据物理模型反思思维过程、评估思维结果。

二、形式运算思维的教学

在高中生物学学习过程中，学生发展了对生命现象、规律认识的具体运算思维。在此基础上，逐步培养应用归纳、分析、建模、假说演绎等科学方法阐释生命现象及规律的形式运算思维。形式运算思维是一种高级思维，是对生命系统进行推理、归纳、假说—演绎等复杂的心理过程，是对众多变量进行科学控制的操作，是一种抽象的思维形式。

1.创设情境让学生尝试作出假设

对生命现象、生物学问题作出的解释即提出假说。生物学规律的揭示是基于假说基础之上，假说的提出是建立在已有的科学事实和科学原理上的。让学生针对特定情境，尝试应用所学知识作出解释，可以基于生物学事实和证据，发展其创造性思维。如摩尔根的果蝇实验，其创设了事实性情境：①白眼雄蝇和红眼雌蝇杂交，F1全是红眼;②F1红眼雌蝇和白眼雄蝇回交，结果是红眼∶白眼=1∶1，雌蝇∶雄蝇=1∶1;③白眼雌蝇与纯种红眼雄蝇（无亲缘关系）杂交，结果F1中雌蝇全为红眼，雄蝇全为白眼。根据上述实验现象，要求学生作出解释（提出假说），提出假说后，引导学生演绎，即通过绘制常染色体遗传和伴X染色体遗传图解，将红眼基因（W）和白眼基因（w）的性状遗传展示出来，根据遗传图解进行推理。

2.提供学生进行科学探究的机会

“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论能力[3]。科学探究按时间可以发生在课前、课中、课后，按教学内容可以发生在事实性知识的教学过程中、科学史教学过程中、实验教学过程中。科学探究的过程体现科学方法的运用、论据的分析、逻辑关系的建构（如因果关系、辩证关系等）。“科学探究”是学生主动构建知识、运用科学方法、培养科学思维的过程。给予学生科学探究的机会就是让学生经历认识生命本质的过程，“发现”事物变化的因果关系及其内在联系，形成概念，获得原理。如“物质跨膜运输”一节课，在课前布置学生探究农作物施肥过多，造成“烧苗”现象的原因;教學过程中科学探究的设计如下。

3.联系经验能动建构大概念

思维活动的产物和结果形成概念，概念建构过程是小概念向大概念发展的过程，大概念在小概念基础上建立。生物学大概念是有组织、有结构的生物学知识和模型，能在较大范围内解释生物学现象。学生已经形成的对生物学的认知是进行归纳、推理、假说演绎等抽象思维的基础。教学中，教师尽可能借助与学生经验密切相关的材料和观念，而不是局限于提供一些具体的事实。如高中生物必修1“分子与细胞”模块有2个大概念，其中“细胞是生物体结构和生命活动的基本单位”大概念由“细胞有多种多样的分子组成”“细胞各部分结构分工合作，共同执行细胞各项生命活动”“各种细胞具有相似的结构，但在形态功能上有差异”等重要概念构成，这些概念包含更小的概念。对重要概念及其下位概念的认知是形成大概念的经验，只有在对重要概念及其下位概念的本质属性认识的基础上，才能提炼构建大概念。观察、实验、制作模型等学习活动有助于学生增加感性认识，获得对生命世界微观结构的认识经验。如建构并使用细胞结构模型，阐明细胞各部分结构既有分工又有联系，形成相互协调的有机整体，实现细胞水平的各项生命活动;鼓励学生搜集有关生物学研究和应用方面的信息，进行交流，加深对科学、技术、社会相互关系的认识，丰富学习生物学的经验。

参考文献

[1] Kuhn.（1989）.Child ren and adults as intuitive scien tists.Psychological review.96：674-689.

[2] Anita Woolfolk.教育心理学[M].伍新春，等，译.北京：机械工业出版社，2015：36.

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准[S].北京：人民教育出版社，2017：5.【责任编辑  郭振玲】