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引用 有关对照的两个问题  

2010-11-27 15:49:23|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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引用

冰河有关对照的两个问题
本贴现在有两个存在争议的问题: 
一、对照实验(control experiment )和对比试验(comparison  experiment )的关系。 
如果不承认现代自然科学是西方奠定的,就不要看以下文字了。很显然 control和 comparison 英文包含的意思的差别是很显然的,不必细说。从人教社出版的教材和赵占良写的文章《人教版高中生物课标教材中的科学方法体系》可以看到是承认这种差别的。汪古逊先生却引申了对照实验(control experiment ),把对比试验(comparison  experiment )纳到他规定的对照实验体系中,增加了条件对照和相互对照来取代。人教社忠于这种传统认识,但汪古逊先生的对照实验体系更容易被中学生接受。从汪古逊的文章中“通常,一个实验总分为实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组;对照组也称控制组,对实验假设而言,是不接受自变量处理的对象组。”可以看到,他应该知道control experiment的,但不知道他怎么不提及comparison  experiment。 
从下面几篇论文的题目可以看出,对比试验(comparison  experiment )是被多数科学研究的工作者接受的,因此我赞同人教社的说法。 
1、《马铃薯新品种对比试验Comparison Experiment of New Patato Varieties 》 
<<杂粮作物>>2003年 第23卷 第03期   
作者: 林建军, 丘族木, 林永芳,   
期刊 ISSN : 1003-4803(2003)03-0148-02  
2、《小型西瓜品种对比试验Comparison experiment on little watermelon varieties 》 
作 者: 吴宇芬Wu Yufen  作者单位: 福建省农科院良种研究中心,350003  
刊 名: 福建农业科技  年,卷(期): 2005 (4)   
3、《不同饲料不同龄期小蚕人工饲料育比较试验Comparison of the rearing effects of different artificial diets for young silkworm during different instars》 
 <<安徽农业大学学报>>2007年 第34卷 第01期   
作者: 汪萍, 李奕仁, 李桂芳,   
期刊-核心期刊 ISSN : 1672-352X(2007)01-0124-05  
二、如何确定对照实验(control experiment )中的对照组和实验组。 
汪古逊先生:“通常,一个实验总分为实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组;对照组也称控制组,对实验假设而言,是不接受自变量处理的对象组。” 
赵占良先生:“实验的目的是探索仅靠观察所看不到的未知。为了探索这样的未知,必须对研究对象进行人为控制或施加某种影响。在对照实验中,经过这样的控制处理的一组事物称为实验组。为了确证实验组的结果是由人为进行的这种处理引起的,需要用同样的研究对象另外设置不作上述处理的一组事物进行观察,这样的未作实验处理的一组事物称为对照组。”“简单地说,进行了实验处理的事物是实验组,自然状态(未加处理)的事物称为对照组。” 
从以上可以看出汪古逊和赵占良的观点是一致的。但赵占良又用“加减法原理”分析“德国植物学家萨克斯做的证明光合作用产生淀粉的实验:对天竺葵进行“饥饿”处理后,让叶片的一半曝光,一半遮光,过一段时间后用碘蒸气检验。叶片在自然状态下总是要见光的,人为地将一半叶片遮盖起来,让光照(实质是光合作用)这一因素处于缺失状态,这实际上就是运用的减法原理,这一组应当属于实验组,曝光的一半叶片则属于对照组。有人认为结论是相反的,原因有二:一是被“饥饿”处理所迷惑,二是认为遮光的一半叶片缺少实验因素。其实,“饥饿”处理只是为了使实验效果容易检测,与实验中的变量控制是无关的;遮光的一半叶片并非缺少实验因素,而是对实验因素进行的一种控制(即去除)。”这样的分析个人我认为是有问题的,把简单的问题搞复杂了。 
我的观点是:应该从对照的作用来确定实验组和对照组。对照的作用:1、最简单的对照就是确认一个比较的基准,相当于物理学上将的参照系(物),这时常态即“自然状态(未加处理)”的做为对照更为合理。 “常态”为人们所熟识的,这样的参照系(物)更可信和容易被接受。2、对照可以用来消除或平衡无关变量带来的影响。萨克斯做的证明光合作用产生淀粉的实验的实验中,绿叶在实验前已经含有淀粉,“饥饿”处理相当与实验的前测,经过前测处理绿叶已经没有淀粉了,我们只要继续让其保持这种状态就是一个的标准“参照物” “继续让其保持这种状态”其实就相当于“常态” ;遮光的一半叶片还可以还可以消除从别的叶子运输的养分生成淀粉(糖类是以蔗糖的形式在植物的不同的部位运输的,如果实验时间足够长,遮光的一半叶片也含有少量淀粉这种可能是存在的,就象阴生的也叶片消耗养分影响作物的产量一样的道理)这种可能性的影响。 因此,我支持和赵占良相反的观点。比如下面的这道题目: 
设计实验探究元素X是否属于必需矿质元素?某同学的构思大致如下:  

有关对照的两个问题 - 冰河 - 冰河
    
本实验中采用甲组、乙组之间的空白对照,以及乙组中实验前(无X元素)与实验后(有X元素)之间的自身对照,其中属于对照组的分别是(参考答案 A )  
A.甲组、实验前   B.甲组、实验后   C.乙组、实验前   D.乙组、实验后  
实验前的结果就是一个理想的参照系(物)可以做为对照组。 

参考文献

汪古逊.实验的基本理论.《中学生物教学》.1999.5.3

实验,是在人为控制条件下,研究对象的一种科学方法。是依据假设,在人为控制条件下,对实验变量(以下称自变量)的变化和结果进行捕获解释的科学方法。  

          一、假设与与假设验证原则

  实验的第一个要素是“假设”;第一项原则是“假设验证原则”。

  通常,科学研究起源于假设。假设亦称假说,指用来说明某种现象但未经证实的论题。假设一般分为3个步骤;第一步是提出假设,即依据发现的事实材料和已知的科学原理,通过创造性思维提出初步假定;第二步是作出预期(或推断),即依据提出的假设,进行推理,得出假定性的结论;第三步是验证假设,即依据假设和预期,设计实验方案,进行实验验证。结果,假设或被否定、或被修正、或被证实。如果假设得到证实,预期得以实现,则假设或假说就可以转化为科学理论,故假说是科学发展的基本形式。假设是科学发展的第一个要素。同理,假设验证是科学实验的必要环节和应遵循的程序准则,故假设验证原是科学实验的第一项原则。

            二、变量与单一变量原则

  实验的第二个要素是“变量”,第二项原则是“单一变量原则”。

  变量,亦称因子,指实验操纵控制的特定因素或条件。按性质不同,通常有以下两类四种变量。

  1、自变量与因变量。自变量指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。因变量指实验中由于自变量而引起的变化和结果,二者有因果关系。实验的目的在于捕获解释这种前因后果。

  2、无关变量与额外变量。无关变量,亦称控制变量,指实验中除自变量以外的能影响实验变化和结果的因素或条件。额外变量,亦称干扰变量,指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然,额外变量会对因变量起干扰作用。

  3、单一变量原则。单一变量原则是处理实验中的复杂变量关系的准则之一。它有两层意思:一是确保“单一变量”的实验观测,即不论一个实验中有几个自变量,都应做到一个自变量对应观测一个因变量;二是确保“单一变量”的操作规范,即实验实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。

    (以上内容自:汪古逊.实验的基本理论.《中学生物教学》.1999.5.1)

             三、控制与平衡控制原则

  实验的第三个要素是“控制”;第三项原则是“平衡控制原则”。

  控制,是处理实验中变量关系的又一准则,指实验要严格要严格地操纵自变量,以获取因变量;与此同时,还要严格地均衡无关变量,以消除额外变量。一句话,通过实验控制,尽量消除实验误差,以取得较为精确的实验结果。

  如果说“单一变量原则”主要是对无关变量和额外变量的控制而言的,而这里的“平衡控制原则”,则主要是对无关变量与额外变量的控制而言。意思是说,实验中的无关变量的因素条件,很难避免,只有设法平衡和抵消它们的影响。常用的方法有:

  1、单组实验法。对一组(或一个)对象,既用A法,又用B法, 顺序随机或轮流循环,这是生物实验常用的实验方法。单组实验法,由于对象同一,无关变量的影响也就被平衡和抵消了。

  2、等组实验法。将状况相等的对象,分成两组或多组,一组用A法,另一组用B法。这对无关变量的影响也可起到平衡和消除作用。

  3、轮组实验法。对两组或两组以上的对象,轮番循环两个或两个以上的实验处理,如甲组――A法、B法;乙组――B法、A法等。这样能有效地平衡和抵消无关变量的影响。

             四、对照与实验对照原则

  实验的第四个要素是“对照”,第四项原则是“实验对照原则”。

  对照是实验控制的有效手段之一,目的在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比,既可排除无关变量的影响,又可增加实验结果的可信度和说服力。

  通常,一个实验总分为实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组;对照组也称控制组,对实验假设而言,是不接受自变量处理的对象组。至于哪一个作为实验组,哪一个作为对照组,一般是随机决定的。这样,从理论上说,由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的、被平衡了的,故实验组与对照组两者之差异,则可以认定为是来自自变量的效果,这样的实验结果是可信的。

  1、空白对照。指不做任何实验处理的对象组。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果,增强了说服力。

  2、自身对照。指实验与对照在同一对象上进行,不另设对照。自身对照方法简便,关键是要看清楚实验处理前后实验对象本身变化的差异,实验处理前的对象状况为对照组,实验处理后的对象变化状况为实验组。

  3、条件对照。指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理不是实验假设所给定的自变量。设置条件对照,能更充分地说明自变量对因变量的影响。

  4。、相互对照。指不另设对照组,而是几个实验组相互比较对照。在等级实验法中,若不设空白对照,则大多是运用相互对照。

    (以上内容自:汪古逊.实验的基本理论.《中学生物教学》.1999.5.2)

            五、捕获解释和真实客观原则

  实验的第五个要素是“捕获”和“解释”,第五项原则是“客观真实原则”。

  观察、实验的实质即在于捕获事实和解释事实。捕获,即捕捉、记录实验中的事实、现象和数据,用术语说,即捕捉记录由自变量带来的因变量。解释,即论证、说明实验中的事实、现象、数据,用术语说,即论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系,从而得出结论进行讨论。

  真实客观原则是科学实验所必须遵循的基本准则,即实验中的捕获解释一定要实事求是,一切从实际出发,使获取的材料(事实、现象、数据)尽可能地反映客观事物的本来面目,不能主观臆造,不能凭空胡诌,不能片面武断。所谓事实,有两类性质:一类是“客观事实”,它是事物的客观存在,具原本性质;一类是“经验事实”,它是人们对客观事物的主观反映,具经验性质。实验即在于捕获真实客观的能反映客观事物的本来面目的经验事实,并加以合理的解释。

            六、实验与观察的联系与区别

  实验离不开观察。观察是在自然条件下研究对象的方法,或者说观察是在自然条件下对研究对象的事实现象进行捕获解释的方法。实验通常包括观察,观察与实验在结构要素和方法要素等方面,既有联系、有共同之处,又有区别和差异,其要点简要叙述如下表:

             实验与观察的要点比较表

 

 

     观察

     实验

   涵义

在自然条件下研究对象

在控制条件下研究对象

结构要素

主体

都是有主体有目的有计划的能动活动

工具

都要使用感官、仪器、设备等中介手段

客体

都是研究对象的事实现象

方法要素

都在于对研究对象进行捕获和解释

条件状态

以不变革对象为牲,处于自然常态条件下

以变革对象为特征,处于控制操纵条件下

控制工具(主要方法)

变量比较直观、简单、观测比较被动

使用假设.变量.控制.对照等中介手段,能使对象纯化.强化,增进了可观测性和可重复性等

 

  以上实验的5个要素、5项原则,是相互联系、整合为一体的。它们是进行实验设计、制定实验方案的理论依据。正规的实验方案包括:课题、实验假设、实验预期、实验目的要求、实验方法类型、实验对照类型、实验材料用具、实验方法步骤和实验结论与讨论等项目。而在中学生物课本的实验指导中,实验假设和实验预期大都隐含在“实验原理”项目中;实验方法类型、实验对照类型则一般隐含在“方法步骤”项目里。

实验基本理论的探讨,还为改进实验教学,推行素质教育,特别是为发展学生的探索能力、动手能力、创造意识、创新能力、科学态度和科学精神,提高实验教学质量,提供了理论依据和实验指南。

    (以上内容自:汪古逊.实验的基本理论.《中学生物教学》.1999.5.3)

 

人教版高中生物课标教材中的科学方法体系

课程教材研究所 赵占良

新课程十分注重培养学生的科学探究能力。科学探究能力的培养离不开三个要素:知识、方法和过程技能。人教版普通高中生物课程标准实验教科书在着力构建知识体系的同时,也力图构建符合高中学生探究能力发展需要的科学方法体系和技能体系。下面对教材中的科学方法体系作简要的分析。

 

引用 有关对照的两个问题 - 叮叮当当 - 香蕈的博客

科学研究的方法大致包括三个层次:第一层次是学科内的特殊的方法,如生物学研究中的同位素标记示踪法、分离细胞器的方法、解剖的方法等;第二层次是科学研究的一般方法,这些方法是从物理、化学、生物学等自然科学研究中概括出来的适用于各门自然科学研究的共同方法;第三层次是最具有普遍意义的哲学方法,如唯物辩证法、矛盾分析法等,这些方法适用于自然科学、社会科学和思维科学。

 

教材中强调的科学方法主要指科学研究的一般方法,因为这些方法对所有学生的发展都具有重要价值。科学研究的一般方法包括获取经验性材料的方法和理性思维的方法两大方面(见下图)。

 

图  人教版高中生物新课标教材中的科学方法体系

 

1.观察法

 

观察法是指人们在自然发生的条件下,通过感官或借助于仪器,有目的有计划地考察研究对象,从而获得有关经验性材料的方法。人教版初中生物学教科书中对观察法已经做过这样的表述:“观察是科学探究的一种基本方法。科学观察可以直接用肉眼,也可以借助放大镜、显微镜等仪器,或利用照相机、录音机、摄像机等工具,有时还需要测量。科学观察不同于一般的观察,要有明确的目的;观察时要全面、细致和实事求是,并及时记录下来;对于需要较长时间的观察,要有计划,有耐心;观察时要积极思考,多问几个为什么。在观察的基础上,还需要同别人交流看法,进行讨论。热烈的讨论能让你迸发思想的火花。”为避免与初中教材重复,高中教材中未对观察法的内涵和要求作正式表述,而是通过介绍有关科学史内容、安排观察活动等,让学生领悟和运用观察法。

 

2.实验法

 

在科学研究中,经验性材料的获取仅靠观察法是不够的,许多情况下还要通过实验。正如生理学家巴甫洛夫所说,观察是收集自然界所提供的东西,而实验则是从自然现象中提取人们所期望的东西。关于实验法,人教版初中生物学教科书中已经作了初步介绍,高中教材中又进一步结合具体实验作了阐述,包括“控制变量”“对比实验”等。下面就高中教材中有关实验法的几个问题作简要说明。

 

(1)科学方法论中的实验与中学生物教学中的实验

 

科学方法论中的实验是指根据一定的研究目的,在人为控制或干预研究对象的条件下进行的观察。它与单纯的观察是不同的。而中学生物教学中的实验,通常是指在实验室利用仪器设备进行的各种探究活动,它既包括科学方法论意义上的实验,也包括单纯观察类的活动,如观察多种多样的细胞、观察细胞的有丝分裂等。

 

(2)实验组和对照组

 

实验的目的是探索仅靠观察所看不到的未知。为了探索这样的未知,必须对研究对象进行人为控制或施加某种影响。在对照实验中,经过这样的控制处理的一组事物称为实验组。为了确证实验组的结果是由人为进行的这种处理引起的,需要用同样的研究对象另外设置不作上述处理的一组事物进行观察,这样的未作实验处理的一组事物称为对照组。这里之所以强调“一组”,主要是考虑到平行重复的问题。简单地说,进行了实验处理的事物是实验组,自然状态(未加处理)的事物称为对照组。针对具体的实验区分实验组和对照组时,需要清楚实验控制的原理。实验控制的原理不外乎加法原理和减法原理两种:与常态相比,人为增加某种影响因素即加法原理,人为去除某种因素即减法原理。对不少教师来说,运用加法原理设计的实验,区分实验组和对照组比较容易;运用减法原理设计的实验,区分实验组和对照组时则常常困惑。例如,在“比较过氧化氢酶在不同条件下的分解”实验中,1号试管处于常温环境(不加热),也不加任何催化剂,2号试管加热、3号试管加FeCL3溶液,4号试管加肝脏研磨液。这显然是运用加法原理进行控制的实验,1号属于对照组,2号、3号、4号属于实验组。又如,德国植物学家萨克斯做的证明光合作用产生淀粉的实验:对天竺葵进行“饥饿”处理后,让叶片的一半曝光,一半遮光,过一段时间后用碘蒸气检验。叶片在自然状态下总是要见光的,人为地将一半叶片遮盖起来,让光照(实质是光合作用)这一因素处于缺失状态,这实际上就是运用的减法原理,这一组应当属于实验组,曝光的一半叶片则属于对照组。有人认为结论是相反的,原因有二:一是被“饥饿”处理所迷惑,二是认为遮光的一半叶片缺少实验因素。其实,“饥饿”处理只是为了使实验效果容易检测,与实验中的变量控制是无关的;遮光的一半叶片并非缺少实验因素,而是对实验因素进行的一种控制(即去除)。

 

(3)设置对照的必要性

 

生物学中大多数实验需要设置对照。换言之,并非所有的实验都必须设置对照。例如,孟德尔的豌豆杂交实验就未设对照,因为在自然状态下豌豆都是自花受粉的,其后代都是纯种,做杂交实验时当然就没有必要设置对照了。是否设置对照组,关键要分析设置对照的必要性。

 

  (4)单因子实验和多因子实验

 

  教材在介绍“控制变量”时有这样一句话:“在对照实验中,除了要观察的变量外,其他变量都应当始终保持相同。”不少老师对这句话反复强调,甚至推而广之——“所有的生物学实验都要保证自变量只有一个”。其实,这句话只是就单因子实验来说的。对双因子实验或多因子实验来说,这句话就显得过于简单和绝对了。例如,人教版教材《生物选修1生物技术实践》中的“果胶酶在果汁生产中的作用”这一课题,要求学生将温度和pH作为同时存在的因素,探究果胶酶活性发挥作用最佳所需的温度和pH。因为果胶酶在不同温度下会有不同的最适pH,在不同pH下也会有不同的最适温度,因此,这就是一个双因子实验,它是由一系列单因子实验所组成的,每一个单因子实验可以看做只有一个自变量的对比实验。

 

  3.调查法

 

  人教版初中生物学教科书中对调查法已经做过这样的表述:“调查是科学探究常用的方法之一。我国的森林资源每五年清查一次,这就是调查。人口普查也是调查。调查时首先要明确调查目的和调查对象,制订合理的调查方案。有时因为调查的范围很大,不可能逐个调查,就要选取一部分调查对象作为样本。调查过程中要如实记录。对调查的结果要进行整理和分析,有时要用数学方法进行统计。”学生在初中阶段对随机取样、确定样本大小、设计记录数据的表格、计算平均值等调查方法已经有所体验,在高中仍需要进一步练习,如“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”,“土壤中小动物类群丰富度的研究”,“调查当地农田生态系统中的能量流动情况”等。

 

  4.模拟法

 

  在科学研究中,有时不能对研究对象直接进行控制或干预性的操作,需要设计和构想出研究对象的替代物,通过对替代物的实验来获取经验性材料,这种方法称为模拟法。例如,必修1教材中“细胞大小与物质运输的关系”实验,必修2教材中“性状分离比的模拟实验”,必修3教材中“生物体维持pH稳定的机制”实验,所采用的都是模拟法。

 

  5.逻辑思维

 

  科学重视证据和逻辑。上面所述4种方法主要是用于获取证据的,下面对逻辑思维的方法作简要说明。

 

  (1)归纳和演绎

 

  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的的推理形式和思维方法,演绎是从一般到特殊,根据一类事物都有的一般属性、关系、本质来推断这类事物中的个别事物所具有的属性、关系和本质的推理形式和思维方法。细胞学说的提出,显然是运用了归纳推理;孟德尔对测交实验的预测,则是运用了演绎推理。归纳和演绎各有优势,也各有局限性,二者是互为补充、相辅相成的。从近代科学到现代科学,以观察(实验)—归纳为主的方法逐渐让位给以假说—演绎为主的方法。这是因为现代科学从总体上来说,已经不是处在经验材料的收集阶段,而是处于高度的理论概括和演绎的阶段。由于数学、计算机科学等工具学科的发展,人们能够凭借这些工具提出假说,然后演绎出理论体系或具体推论,再通过观察和实验来检验。当然,在应用假说—演绎法时,仍需要以经验归纳法作补充,以一定的实验事实为根据。

 

  (2)分析和综合

 

  分析是把研究对象的整体分解为一个个部分分别加以研究的方法。例如,为了研究各种细胞器的化学组成,必须将各种细胞器从细胞中分离出来,分别加以研究。从近代科学到现代科学,一个基本特点就是把事物分成一段段、一层层地去研究,比如生物学中从个体到器官、组织、细胞、细胞各部分的结构、细胞各种结构的化学成分、DNA和RNA、基因……。这样的研究使人们对事物的认识越来越深入,但也容易导致只见树木不见森林。综合是指把研究对象的各个部分或各个方面联系起来考察,从整体上去认识和把握研究对象的思维方法。分析是综合的基础,综合是分析的发展,二者是相互依存、相互渗透甚至是相互转化的。例如,关于细胞的结构和功能,教材先采取分析的方法,引导学生认识细胞膜、细胞核和各种细胞器的结构和功能,这就是分析;接不来引导学生认识细胞内各种细胞器的协调配合、细胞的生物膜系统,从整体上认识细胞,这就是综合。

 

  (3)类比

 

  类比是指根据两个研究对象的相同或相似方面来推断它们在其他方面一致性的一种思维方法和推理形式。与归纳和演绎不同的是,类比是从特殊到特殊、从一般到一般的推理。例如,教材中介绍的萨顿的推理(根据基因和染色体行为之间的平行行为,推断基因位于染色体上),就是类比推理的范例。在科学研究中,类比推理是提出假说的重要途径,往往可以导致新发现、新理论。但是,应当注意的是,类比推理的结论具有或然性,可能是正确的,也可能是错误的,其证实或证伪还需要通过观察或实验。

 

  6.形象思维

 

  形象思维是借助头脑中的形象材料来思考问题的一种思维方法。形象思维包括表象的再现、想像和联想。学生在学习生物学的过程中,会接触到许多直观的形象,这些形象会在学生头脑中形成表象。形象思维的过程就是这些表象的再现、联络和融合的过程。两个或两个以上表象的联络就是联想,许多表象的融合形成新表象的过程就是想象。生物学概念的建构离不开形象思维,例如,关于真核细胞的结构模型,仅记住各种结构名词是不够的,还需要学生在头脑中有一个立体的细胞形象。科学探究能力的发展也离不开形象思维。善于联想和想像是创造性思维的重要特征,教材为此安排了专门的内容。例如,在《免疫调节》中的非特异性免疫和特异性免疫部分,让学生联想城墙和城市中巡逻的警察;关于激素调节和神经调节的关系,让学生联想人类社会的两种通讯方式——广播和打电话;在群落的结构部分,让学生想像森林群落通过自然选择形成分层结构的大致过程。联想和想像活动给学生提供了十分广阔的思维空间,对于提高学生思维的广阔性、深刻性和灵活性是大有裨益的。

 

  7.直觉和灵感

 

  直觉思维是指未经过推理分析而直接对问题的答案作出猜测、设想或顿悟的思维。直觉思维的本质特征是非逻辑性,它能打破常规思维定势和逻辑规则的束缚,因而是创造性思维的重要形式,发挥着逻辑思维不可取代的作用。正如一位学者所说:“光是逻辑是不能够使一个人产生新思想的,正像单凭语法不能激起诗意,单凭和声理论不能产生交响乐一样。”(1)爱因斯坦曾说过,在科学创造中“真正可贵的因素是直觉”。但是,直觉并非无中生有,它的产生是与掌握相关的知识和经验以及丰富的实际活动密切相关的(2)。

 

  灵感是指人们对于反复探究而未能解决的问题,因某种偶然因素的刺激感到灵光一现,突然领悟到答案的一种心理活动状态。其主要特征是突发性、不可重复性、综合性和模糊性。灵感不是凭空产生的,是研究者长期孜孜以求的结果。同时,它又是可遇而不可求的,正因如此才更可宝贵。

 

  直觉和灵感是创新能力的重要要素。许多重大科学发现都离不开它们。但是,凭借直觉和灵感提出的假说、观点、设想等,往往是不完备、不精确的,还必须运用证据和逻辑作大量的工作才能使之渐趋完善。

 

  应当说明的是,一个人的直觉和灵感是无法训练出来的。因此,教材中没有安排有关的思维训练的内容,而是通过介绍科学家的故事,让学生在这方面有所感悟。

 

  8.数学方法

 

  近现代科学的发展,是同数学方法的的应用和发展紧密相联的。科学数学化成了现代科学发展的一个重要特点。马克思认为一种科学只有在成功地运用了数学之后,才算达到了完善的地步(3)。

 

  教材中需要运用数学方法学习的主要内容有:孟德尔的遗传规律,DNA中遗传信息的多样性,遗传密码,种群基因频率的变化,种群的增长,生态系统的能量流动。需要运用数学方法进行探究的活动有:(1)必修1教材中细胞大小与物质运输关系的实验;(2)必修2教材中性状分离比的模拟实验,探究脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性,碱基与氨基酸对应关系(思考与讨论),调查人群中的遗传病,用数学方法讨论基因频率的变化(思考与讨论),探究自然选择对种群基因频率的影响;(3)必修3教材中用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度,探究培养液中酵母菌种群数量的变化,土壤中小动物类群丰富度的研究,生态系统的能量流动特点(资料分析),分析和处理数据(技能训练)。此外,在选修1教材中也安排了需要运用数学方法的探究活动。

 

  9.模型方法

 

无论在科学研究还是在学习科学的过程中,模型和模型方法都起着十分重要的作用。《标准》已将模型纳入基础知识范畴,并且将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。

 

必修1教材对模型的定义是:“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的描述,这种描述可以是定性的,也可以是定量的;有的借助于具体的实物或其他形象化的手段,有的则通过抽象的形式来表达”。《美国国家科学教育标准》中的表述是:“模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构。”

 

模型的方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法,是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。

 

关于模型的形式或种类,不同论著中的说法不尽相同。有的将模型分为物理模型、理想模型和数学模型三类,其中理想模型是指具有高度的抽象性又具有某种极限特征的理想客体或事物,如理想气体、理想刚体、理想质点等;(4)有的将模型分为物理模型和数学模型两大类,而物理模型又包括物质模型和思想模型两类,其中思想模型是物质模型在思维中的引申,包括具象模型和抽象的理想化模型;(5)。有的将模型分为物理模型、概念模型和数学模型三类,“学生的探究活动最终应该构造一种解释方案或一个模型。模型可以是物理模型、概念模型或数学模型。”(6)“物理模型、数学模型和概念模型是用来学习被认为相似的事物的工具。”(7)考虑到高中学生的认知水平和教师教学处理的便利,教材中采用的是最后一种分类。

 

教材中所说的三种模型的含义如下:物理模型是指以实物或图画形式直观地表达认识对象特征的模型,如人工制作或绘制的DNA分子双螺旋结构模型、真核细胞三维结构模型等;概念模型是指以文字表述来抽象概括出事物本质特征的模型,如对真核细胞结构共同特征的文字描述、达尔文的自然选择学说的解释模型等;数学模型是指用来描述一个系统或它的性质的数学形式,如“J”型种群增长的数学模型Nt=N0λt。应该指出,物理模型既包括静态的结构模型,又包括动态的过程模型,如教材中学生动手构建的减数分裂中染色体变化的模型、血糖调节的模型等,就是动态的物理模型。

 

10.系统分析方法

 

《标准》在“课程设计思路”中指出,“生物3:稳态与环境”模块有助于学生领悟系统分析、建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用。可见,系统分析的方法是必修3科学方法的侧重点之一。

 

系统分析是明确系统的边界后,在分析系统组成要素、层次结构的基础上,分析系统各组分间相互影响的定量关系,建立系统的数学模型,并利用计算机对系统结构优化,使系统具有功能整合作用的问题分析方法。系统分析一般包括四个阶段:第一阶段是定性分析,包括划分系统边界、确定系统组分、分析系统层次、明确问题及研究目标;第二阶段为定量研究阶段,包括定量研究各组分间的影响关系、建立系统数学模型;第三阶段为模型分析阶段,是在认识系统动态规律的基础上,确定系统模型的参数,进行模型试验,优化系统功能;第四阶段为系统结构优化阶段,是通过模拟分析,优化系统结构,实行系统调控,使系统具有系统功能整合特性,实现优化的系统功能。限于高中学生的发展水平和需要,本模块并不要求学生掌握如此完整的系统分析方法,而是重在领悟系统方法的思想,初步学会从系统的整体出发,分析整体与局部、部分与部分、整体与外部环境之间的相互关系。在进行有关系统分析的探究活动时,主要做系统分析的第一阶段的工作,有些活动可深入到第二阶段,比如建立种群增长的数学模型、生态系统的能流分析等。

 

11.三个必修模块教材的科学方法教育侧重点

 

上述科学方法的内容广泛分布在每个必修模块的教材中,但是,每个必修模块教材的科学方法教育又有不同的侧重点。从研究问题的思路上来说,必修1教材侧重在观察—归纳法,必修2教材侧重在假说—演绎法,必修3教材侧重在系统分析法。从具体的研究方法来说,必修1教材侧重在观察法和实验法,必修2教材侧重在演绎推理的方法,必修3教材侧重在调查法和数学模型的方法。

 

综上所述,人教版高中生物新课标教材中的科学方法内容丰富,并且根据不同模块教学内容特点和学生认知规律进行了整体化的设计和编排。在教材中,这些科学方法有些是作了专门介绍的,有些是渗透在字里行间的;有些是让学生通过科学探究活动来练习和运用的,有些则是让学生通过科学研究案例的分析来体会和领悟的。教师在教学过程中,应当对整套教材的科学方法体系了然于胸,有计划有步骤地进行科学方法内容的教学,不断提高学生的科学探究能力。

 

主要参考文献

 

1.李建珊,科学方法概览,科学出版社,2002年第1版。

 

2.胡继飞、郑晓蕙,生物学教育心理学,广东高等教育出版社,2002年第1版。

 

3.吴元樑,科学方法论基础,中国社会科学出版社,1984年第1版。

 

4.胡志强、肖显静,科学理性方法,科学出版社,2002年第1版。

 

5.生物课程标准研制组,生物课程标准(实验)解读,江苏教育出版社,2004年第1版。

 

6.美国国家研究理事会,美国国家科学教育标准,科学技术文献出版社,1999年第1版。

 

7.美国科学促进会,科学素养的基准,科学普及出版社,2001年第1版。

 (原载《中学生物教学》2007年第3期)

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