什么是科学思维?

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认知动机是科学思维的起点,只有在“崇尚真知,追求科学知识、原理和方法”的基础上,我们才会相信科学,进行科学分析,产生“尊重事实和证据”的认知行为,“尊重事实和证据”是科学思维的前提;认知行为如何具体落实为认识方式呢?进行“正确的逻辑分析和推理”是认识事物及事物之间联系的核心;在认知的过程中,需要坚持质疑和批判的认知精神和品质。由此可见,认知动机、认知行为、认知方式、认知品质,是逐级提升的,体现出科学思维鲜明的逻辑层次。而认知品质又会科学思维的全部过程之中得以体现。

2.科学思维方法的分析

科学思维的表现形式是科学思维方法,即认识事物的本质及事物之间的关系需要一定的方法才能得出正确的结论。科学思维方法有多种分类,其中按思维的抽象程度可以分为:动作思维(直觉)、形象思维(观察、想象)和逻辑思维(抽象)。逻辑思维是概念形成的重要方式,而科学课程的主要内容之一是形成各种概念、原理和规律,因此,逻辑思维是科学思维的主要表现形式,是科学课程中需要着重培养的思维。逻辑思维主要表现为:比较与分类、归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括等。批判性思维包括三个紧密联系、相互影响的阶段:分析思维方式阶段、评估思维方式阶段、提高思维方式阶段。批判性思维包含了逻辑思维的全部特点,是科学思维的高阶水平。

科学思维方法的种类、基本内涵和在生物学中的应用举例(如表1所示)。

上述科学思维方法都是形成概念的重要方法,而概念也是一种重要的模型,概念的形成过程就是建立模型的过程,即建立模型也要用到上述科学思维方法。如光合作用的概念就是一个概念模型,它是在一系列探索光合作用的原料、条件、场所、产物和过程的基础上,进行分析与综合的产物。除概念模型外,数学模型和物理模型的建立都要用到表1中的逻辑思维方法。

图2 常用的几种科学思维方法之间的关系

3.科学思维在生物学科中的独特性

生物学研究的对象十分复杂而且多样,因而决定了科学思维在生物学中的复杂性、灵活性和整体性。从复杂性来看,人既是研究的主体,也是研究的对象,所有的生物都是生物学研究的对象;除病毒外,这些生物的结构组成单位都是细胞,其基本的物质组成大致相同,因为有共同特征;各种生物的形态结构差异极大,这些生物所依赖的环境各不相同,而且在同一环境中的生物也差异极大,这就决定了研究这些生物要有复杂性思维。从灵活性来看,尽管在研究生物及生命现象的各个层面上有着各不相同的共性,但所形成的概念没有绝对的论述。例如,相对于其他体细胞来说,红细胞既没有细胞核,也没有相应的细胞器,不能用共性的特征来硬套所有的研究对象;又如,对于“生物是不断进化的,是从水生到陆生、从简单到复杂,从低等到高等进化的”的认知,就要以灵活的思维来分析,否则就无从解释现在的地球上为什么还有那么多的低等生物在生存,还且它们还是表现出对环境的适应;再如,同样的水体污染,不同的地理和人文环境决定了污染的方式各不相同,农村的水体污染可能是农田施用化肥过多或者生活污水排入所致,城市的水体污染有可能是化工厂排污所致,这就需要针对污染的周边环境、所处地理位置的不同而进行不同的考虑。从整体性来看,看待生物及其生命现象,既要进行局部分析,更要进行整体考量。例如,分泌蛋白的形成,不能仅从合成蛋白质的最初场所核糖体来考虑,还要考虑内质网、高尔基体的作用,同时不能忘了线粒体提供的能量;研究一个生态系统的营养结构,不能过分夸大生产者的作用,不能简单地认为消费者可有可无,这就是整体思维的作用。

正是因为生命观念与科学思维在认知方式上的共性关系,因而极大地丰富了科学思维在生物学中的内涵。一些具有生命观念的科学思维就组成了生物学科学思维的独特性,如生命系统思维、平衡思维、多因素思维、统一性和多样性思维,等等。这些思维要求对事物进行多因素、多角度的客观分析,既要有逻辑推理,又要考虑到实际情况,进行综合理解,如对概念、规律和原理不能作绝对的理解,对问题的求解不过分追求非此即彼的标准答案。下面以多因素思维为例进行分析。在分析生命及其活动规律时,既要分析影响生物的各种因素,也要从中找出最主要的因素。例如,影响光合作用的因素有光照(光照时间、光照强度、光质)、温度、湿度等;影响种子萌发的条件有温度、水分、氧气、光照等。在一个特定的情境下,有时为了弄清楚各种因素的影响程度,还需要人为地控制变量,形成单一变量以设置对照实验进行处理。多因素思维还需要学生理解生物科学中复杂的因果关系。除经典的一因一果(如一个基因产生一种酶,决定一种性状)之外,还需要学会理解和分析一因多果、多因一果、多因多果的逻辑分析。多因素分析有利于学生认识事物的复杂性,形成透过问题看本质、分清主要因素和次要因素的哲学观念,有利于学生更好地认识事物,适应复杂的社会生活。


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