吳金翔 任山章

（杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 浙江杭州 311121）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱為“新課程標(biāo)準(zhǔn)”）強(qiáng)調(diào)生物學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的四大核心素養(yǎng)：生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任。對于科學(xué)思維的界定,新課程標(biāo)準(zhǔn)定義為：“是尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力”［1］。學(xué)生需逐步提升自己的科學(xué)思維，其中就包括運(yùn)用推理等方法。而國際上同樣重視學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)推理，以美國為例，幫助學(xué)生理解科學(xué)家如何推理、論證以得出科學(xué)結(jié)論仍是科學(xué)教學(xué)的中心目標(biāo)。學(xué)生若要通過生物學(xué)教育提升科學(xué)思維，必須提升科學(xué)推理能力。因此，科學(xué)推理能力對學(xué)生至關(guān)重要，是科學(xué)論證、探究、發(fā)現(xiàn)必須具備的能力。

1 概念界定

科學(xué)推理能力（scientific reasoning ability，簡稱SRA），最初是在皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論中提出的,皮亞杰認(rèn)為具體階段的學(xué)生會(huì)發(fā)展科學(xué)推理能力，最終轉(zhuǎn)變?yōu)樾问讲僮麟A段［2］。之后不斷有學(xué)者對科學(xué)推理進(jìn)行研究，Kwen、Lederman、Stuessy、Lawson 等對科學(xué)推理的概念、測量量表等獲得了一定的研究成果。目前未有對科學(xué)推理的統(tǒng)一界定，但綜合前人的定義，科學(xué)推理基本內(nèi)涵是個(gè)體思維發(fā)展到一定高度所具有的、應(yīng)用于假設(shè)檢驗(yàn)或問題解決的推理類型?，F(xiàn)有的科學(xué)推理能力測量工具包括：ACT、SRLT 和LCTSR 等。ACT 主要應(yīng)用于美國中西部各州，SRLT 主要在美國和波蘭使用［3］。而LCTSR 最早于1978年由Lawson 開發(fā)，之后不斷發(fā)展改進(jìn)，其將科學(xué)推理能力具體分為守恒推理、比例推理、概率推理、相關(guān)性推理、控制變量推理、假設(shè)演繹推理這6 個(gè)維度進(jìn)行測量［4］。其量表被廣泛使用，Lin Bao 曾使用該量表對中、美兩國學(xué)生進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)雖兩國學(xué)生科學(xué)知識成績差異較大但科學(xué)推理能力無明顯差別，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注與討論［5］。據(jù)此本文以Lawson 劃分的科學(xué)推理能力6 個(gè)維度進(jìn)行研究。

1.1 守恒推理（conservation reasoning，簡稱CR） 守恒概念最早由皮亞杰提出，認(rèn)為具體運(yùn)算階段的兒童能掌握守恒概念而認(rèn)識到守恒事物的可逆性、補(bǔ)償和同一性,這要求兒童有一定數(shù)的基礎(chǔ)，并了解整體與部分之間的關(guān)系［6］。對于測量學(xué)生守恒推理能力的習(xí)題，定義為：題目中具體問題的解決需要推理得出其中守恒的規(guī)律。其核心思維過程為：找到已知或題目給出的守恒規(guī)律，分析在變化之中始終不變的量或關(guān)系,利用其解決問題，得出未知變量。

1.2 比例推理（proportional reasoning，簡稱PR） 皮亞杰將比例推理定義為：“以數(shù)學(xué)的形式陳述和闡述函數(shù)關(guān)系”。對于測量學(xué)生比例推理能力的習(xí)題，定義為：題目中具體問題的解決需要利用一定條件推理得出二者或多者之間的比例關(guān)系，或利用已知的比例關(guān)系進(jìn)行推理。其核心思維過程為：利用題目所給的背景等信息，通過計(jì)算等途徑得出二者或多者之間的比例關(guān)系,并以數(shù)學(xué)的形式表達(dá)以解決問題；或找到題目中所蘊(yùn)含的比例關(guān)系或在已知的比例關(guān)系中找到最適的關(guān)系，根據(jù)比例關(guān)系和已知數(shù)值推理得到未知數(shù)值以解決問題。

1.3 概率推理（probability，簡稱P） 概率的基本定義為,在一定條件下某一現(xiàn)象或事件在其限定范圍內(nèi)所有現(xiàn)象或事件出現(xiàn)頻次的占比。對于測量學(xué)生概率推理能力的習(xí)題，定義為：題目中具體問題的解決需要對某一事件的發(fā)生概率進(jìn)行計(jì)算推理。其核心思維過程為：利用題目所給出的背景和已知的相關(guān)信息，通過判斷、數(shù)學(xué)計(jì)算等得出該事件可能發(fā)生的概率。

1.4 相關(guān)性推理（relevance reasoning，簡稱RR） 相關(guān)性推理是通過事物現(xiàn)象對事物之間是否存在某種依存關(guān)系的推理,根據(jù)依存關(guān)系和確定程度可分為函數(shù)關(guān)系和相關(guān)關(guān)系［7］。對于測量學(xué)生相關(guān)性推理能力的習(xí)題，定義為：題目中具體問題的解決，需要利用給出的現(xiàn)象（事件）進(jìn)行2 個(gè)或多個(gè)子現(xiàn)象（事件）之間推理是否具有或具有何種相關(guān)性。其核心思維過程為：利用題目給出的現(xiàn)象或事件，找出其包含的2 個(gè)或多個(gè)子現(xiàn)象（事件），觀察找出的子現(xiàn)象（事件），推理其中是否有相關(guān)性，有則進(jìn)一步推理其中具體的相關(guān)性，以推理得到的相關(guān)性作為依據(jù)解決問題。

1.5 控制變量推理（controlling variable，簡稱CV） 皮亞杰將控制變量推理簡單概括為 “其他因素不變”推理，認(rèn)為具有此能力的兒童能對變量進(jìn)行識別和控制。對于測量學(xué)生控制變量推理能力的習(xí)題，定義為：題目中具體問題的解決，需要對2個(gè)或多個(gè)變量進(jìn)行控制（對2 個(gè)或多個(gè)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，控制多個(gè)變量一致，僅研究針對的變量改變）。其核心思維過程為：在題目給出的信息或圖表中找尋2 個(gè)或多個(gè)變量,根據(jù)題目推理出所需要控制的變量，控制多個(gè)變量一致，推理分析出單一變量變化時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果,依此解決問題。

1.6 假設(shè)演繹推理（deduction，簡稱D） 皮亞杰認(rèn)為假設(shè)演繹推理是形式運(yùn)算階段的主要特征。Peirce 對演繹進(jìn)行解釋：對提出的假設(shè)，推理其產(chǎn)生各種預(yù)測結(jié)果,最終的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致而得以驗(yàn)證，則支持假設(shè)成立［8］。其中就包含了假設(shè)演繹推理。對于測量學(xué)生假設(shè)演繹推理能力的習(xí)題，定義為：題目中具體問題的解決，需要在給出的假設(shè)基礎(chǔ)上推理其預(yù)測結(jié)果,或?qū)o出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推理其支持的假設(shè)。其核心思維過程為：找到題目中的假設(shè)或潛在假設(shè),根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，推理假設(shè)成立的情況下出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；或由給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推理結(jié)果出現(xiàn)的原因,得出支持的假設(shè)，以這2 種方式解決問題。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象 浙江科學(xué)教育出版社依據(jù)新課程準(zhǔn)標(biāo)出版的生物學(xué)教材（以下簡稱“浙科版新教材”），必修1 和必修2 中每節(jié)后的“思考與練習(xí)”以習(xí)題最小編號的題目為單位，計(jì)為一題。

2.2 研究方法 根據(jù)以上對科學(xué)推理能力各維度所界定的核心概念，對研究對象進(jìn)行判斷、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等定量分析，繪制圖表。

2.2.1 科學(xué)推理能力及其各維度的測量習(xí)題在各范圍內(nèi)的占比

1）總占比=科學(xué)推理能力或其某一維度（SRA或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的測量習(xí)題數(shù)／（必修1 習(xí)題數(shù)+必修2 習(xí)題數(shù)）*100%；

2）必修1 占比=科學(xué)推理能力或其某一維度（SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的測量習(xí)題數(shù)／必修1 習(xí)題數(shù)*100%；

3）必修2 占比=科學(xué)推理能力或其某一維度（SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CV 或D）的測量習(xí)題數(shù)／必修2 習(xí)題數(shù)*100%。

2.2.2 各節(jié)中測量科學(xué)推理能力及其各維度的習(xí)題占比 各節(jié)SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CVD 占比=各 節(jié)SRA 或CR 或PR 或P 或RR 或CVD 的習(xí)題數(shù)/該節(jié)習(xí)題數(shù)*100%。

3 結(jié)果與分析

3.1 科學(xué)推理能力及其各維度測量習(xí)題占比：總體分析 根據(jù)科學(xué)推理能力的6 個(gè)維度對習(xí)題進(jìn)行分析,科學(xué)推理能力及其各維度的測量在習(xí)題中的占比如表1。

表1 科學(xué)推理能力及其各維度的測量習(xí)題中在各范圍內(nèi)占比

從表1數(shù)據(jù)可知，總體上有30%以上的習(xí)題涉及了SRA 的測量，且必修1 與必修2 兩本教材的占比相當(dāng)。新教材必修1 未有涉及測量學(xué)生PR能力的習(xí)題，必修2 習(xí)題中未有涉及測量學(xué)生CV能力的習(xí)題，但總體上看，2 本教材的習(xí)題涉及了科學(xué)推理能力下所有維度的測量。

這個(gè)現(xiàn)象的主要原因在于：

1）必修1 和必修2 因科學(xué)內(nèi)容、概念的劃分，其重點(diǎn)培養(yǎng)的核心素養(yǎng)也有側(cè)重與劃分。必修2 中學(xué)生才學(xué)習(xí)遺傳病的概率判斷與計(jì)算，而必修1 中沒有任意形式的概率學(xué)習(xí)，因此必修2 中以遺傳病概率為依托測量學(xué)生的概率推理（PR）能力。

2）必修1 中探究實(shí)驗(yàn)較多，且主要集中于必修1，學(xué)生能通過探究實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)控制變量法，并提升控制變量（CV）推理能力，因此必修1 中對控制變量（CV）推理能力的培養(yǎng)有所側(cè)重，在必修2 中未有合適的可依托測量學(xué)生控制變量推理能力的內(nèi)容，但必修2 中沒有設(shè)計(jì)控制變量（CV）推理能力是不合適的。

必修1 中習(xí)題占比最多的是對學(xué)生RR 能力的測量，其次是D 能力；必修2 中習(xí)題占比最多的也是對學(xué)生RR 能力的測量,其次是PR 能力。但相比之下,必修1 中測量學(xué)生RR 能力的習(xí)題占比高達(dá)26%，與其次的相差20%，與必修2 的該類習(xí)題占比相差17%，這一現(xiàn)象值得深究。

圖1是根據(jù)表1數(shù)據(jù)所繪制的逆序刻度雷達(dá)圖，從圖1中可知，無論以總習(xí)題還是必修1、必修2 習(xí)題分開來看,其在各維度的測量都是不均勻的,對CV、CR 能力的測量缺乏。除共性外，必修1 對P、PR 能力測量缺乏,必修2 在其他維度測量較為均勻。

圖1 科學(xué)推理能力各維度測量習(xí)題占比

3.2 科學(xué)推理能力及其各維度測量習(xí)題占比：以節(jié)為單位分點(diǎn)分析 以各節(jié)中測量科學(xué)推理能力及其各維度的習(xí)題占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 各節(jié)測量科學(xué)推理能力及其各維度的習(xí)題占比

3.2.1 從科學(xué)推理能力占比最高峰分析 由圖2可知：必修2 第1 章第2 節(jié)的習(xí)題是SRA 測量占比最高的，該節(jié)中測量RR 能力最多，其次是PR，再次是P。這一現(xiàn)象與該節(jié)的教學(xué)內(nèi)容相關(guān)，該節(jié)節(jié)標(biāo)題為：孟德爾從2 對相對性狀的雜交實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出自由組合定律，新課程標(biāo)準(zhǔn)中這部分內(nèi)容相關(guān)的下位概念為：“闡明有性生殖中基因的分離和自由組合使得子代的基因型和表型有多種可能，并可由此預(yù)測子代的遺傳形狀”。因此在習(xí)題設(shè)計(jì)中，會(huì)包含基因型、表型、可能性、子代、遺傳性狀等多個(gè)關(guān)鍵詞的內(nèi)容。對該節(jié)的具體5 道習(xí)題分析可知,有4 道習(xí)題涉及表型與基因型之間的關(guān)系，依此測量學(xué)生的相關(guān)性推理（RR）能力；有2 道習(xí)題涉及比例,依此測量學(xué)生的比例推理（PR）能力；有1 道習(xí)題涉及概率計(jì)算，依此測量學(xué)生的概率推理（P）能力。相關(guān)性推理（RR）能力的測量與另2 個(gè)能力的測量有重疊的題目,但總體看，5 道習(xí)題中有4 道習(xí)題涉及對SRA 測量。

3.2.2 從科學(xué)推理能力各維度測量習(xí)題占比的最高峰分析 由圖2可知：

1）對CR 能力的測量習(xí)題占比高峰在必修1第1 章第2 節(jié)，達(dá)20%。該節(jié)的節(jié)標(biāo)題為：生物大分子以碳鏈為骨架，具體涉及生物有機(jī)大分子，例如：糖類、油脂、蛋白質(zhì)、DNA、RNA 的結(jié)構(gòu)、功能等內(nèi)容。在該節(jié)5 道習(xí)題中，有1 道習(xí)題測量學(xué)生的CR 能力,該題以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化為依托進(jìn)行測量。

2）對PR 能力的測量習(xí)題占比高峰在必修2第3 章第3 節(jié)，超過40%。該節(jié)的節(jié)標(biāo)題為：DNA通過復(fù)制傳遞遺傳信息。該節(jié)測量PR 能力的習(xí)題均與DNA 標(biāo)記實(shí)驗(yàn)有關(guān)，該實(shí)驗(yàn)主要為同位素標(biāo)記DNA，經(jīng)歷n 代復(fù)制后，帶有同位素與無同位素的DNA 之比,以探究DNA 是以何種方式復(fù)制，因?qū)嶒?yàn)的內(nèi)容，測量PR 能力是合適的。

3）對P 能力的測量習(xí)題占比高峰在必修2第4 章第4 節(jié)，接近70%。該節(jié)的節(jié)標(biāo)題為：人類遺傳病是可以檢測和預(yù)防的,該節(jié)6 道習(xí)題中，4道涉及P 能力測量，這些題目中，涉及患病風(fēng)險(xiǎn)、概率的預(yù)測判斷或計(jì)算。此現(xiàn)象原因主要是：與其他節(jié)相比，該節(jié)內(nèi)容涉及風(fēng)險(xiǎn)概率的評估較多，能夠測量P 能力的依托內(nèi)容較多。

4）對RR 能力的測量習(xí)題占比高峰在必修2第1 章第2 節(jié)，達(dá)80%，具體分析見上。

5）對CV 能力的測量習(xí)題占比高峰在必修1第3 章第2 節(jié)，接近10%。但除了這一節(jié)，其他節(jié)習(xí)題中均未涉及CV 能力的測量。一般而言，CV能力的測量會(huì)依托于探究實(shí)驗(yàn)題目之中。縱觀全部習(xí)題，為該題型的題目只有3 個(gè)，分布在必修1第3 章第1 節(jié)、第2 節(jié)和必修第4 章第1 節(jié)，必修2 無此題型。在此3 個(gè)題中，只有第1 題的第1 小題涉及CV 能力測量，是不合適的。

6）對D 能力的測量習(xí)題占比高峰在必修2第2 章第3 節(jié)，達(dá)60%。該節(jié)節(jié)標(biāo)題為：性染色體上基因的傳遞和性別相關(guān)聯(lián),在該節(jié)5 道習(xí)題中涉及該能力測量的有3 題，一題為由結(jié)果（子代表現(xiàn)型）推理出支持的假設(shè)（親本基因型），一題為由假設(shè)（親本表型）推理出預(yù)測結(jié)果（子代表型），一題直接涉及假設(shè)演繹推理（由正、反交推理伴性遺傳或由伴性遺傳推理正、反交）。

4 討論與建議

4.1 科學(xué)推理能力測量分布有側(cè)重 科學(xué)推理能力（SRA）的測量需要依托相關(guān)的知識內(nèi)容進(jìn)行測量，因此其測量的習(xí)題分布不均勻，出現(xiàn)集中處和空白處。教材內(nèi)容結(jié)合圖數(shù)據(jù)分析中可知，概率推理、比例推理、守恒推理等都集中于一個(gè)或多個(gè)概念中，其測量的展開只能限于此。在表數(shù)據(jù)也有呈現(xiàn)：概率推理能力僅必修2 有測量的習(xí)題，控制變量推理能力僅必修1 有測量的習(xí)題,其數(shù)據(jù)現(xiàn)象的原因之一就在于無依托的相關(guān)內(nèi)容而導(dǎo)致難以設(shè)計(jì)對科學(xué)推理能力各維度的測量。

4.2 相關(guān)性推理能力的測量習(xí)題最多 相關(guān)性推理（RR）本質(zhì)上是一類科學(xué)探究所涉及的推理能力，而科學(xué)就是一個(gè)探究的過程，這是自然科學(xué)的本質(zhì)與特征之一［9］。而屬于自然科學(xué)的生物學(xué)也具有這樣的特征，因此該類能力測量習(xí)題最多，是由生物學(xué)特征所決定的。以必修1 為例，細(xì)胞呼吸、光合作用這2 個(gè)生物重要的代謝活動(dòng)，在教材的章節(jié)中都重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了其效率的影響因素；必修2中，表型與基因型之間的關(guān)系同樣被重點(diǎn)討論，是遺傳學(xué)的重要內(nèi)容。

4.3 控制變量推理能力的空白有待填補(bǔ) 控制變量推理（CV）在高中、甚至初中階段科學(xué)教育教學(xué)中均非常重視。高中階段，不僅強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究中的自變量、因變量，還更多重視無關(guān)變量，但學(xué)生往往欠缺這方面的認(rèn)識。除要求學(xué)生清晰認(rèn)知這3 類變量,還要求學(xué)生應(yīng)能在實(shí)驗(yàn)中找到這3 類變量的控制方法［10］。無論是認(rèn)知還是實(shí)踐，這一類的提升都離不開控制變量推理能力的提升，因此習(xí)題對這方面測量需要增加,學(xué)生能依托此對自身能力有一定認(rèn)識?？蓪τ刑骄繉?shí)驗(yàn)的習(xí)題增加測量控制變量推理能力的小題,可增加探究實(shí)驗(yàn)題目的數(shù)量,可將函數(shù)相關(guān)讀圖題改進(jìn)為探究實(shí)驗(yàn)題目,可將一自變量一因變量的實(shí)驗(yàn)改為多因素多水平的實(shí)驗(yàn)題目涉及相關(guān)測量題目。

4.4 新教材重視科學(xué)推理能力，習(xí)題為師生提供評價(jià)工具 總體來說,新教材的習(xí)題涉及科學(xué)推理能力下各維度的測量,從習(xí)題中可體現(xiàn)教材對學(xué)生科學(xué)思維中科學(xué)推理能力的重視,為教師與學(xué)生提供了測量學(xué)生科學(xué)推理能力的紙筆評價(jià)工具，為教師指導(dǎo)、學(xué)生自我評價(jià)提供了依據(jù)。必修1和必修2 對科學(xué)推理能力各維度的測量各有側(cè)重,教師可依據(jù)研究內(nèi)容與結(jié)果,對重點(diǎn)涉及章節(jié)，著重指導(dǎo)學(xué)生提升相應(yīng)的科學(xué)推理能力。