读书时间｜生物学观念和方法例谈

　　读书时间

　　世界充满了无数的奥秘，这些充满了奥秘的物质和思想等待着我们去探寻、去阅读。读科学，可以发现物质世界的本质和规律，探寻大自然的秩序，欣赏科学的简洁、普适之美；读教育，可以拓展视野与思维，掌握新策略与新模式，享受到因个人成长与素养提升而带来的愉悦。《生物学通报》官方微信于2023年世界读书日之际，策划推出全新栏目“读书时间”，为广大读者推荐好书。每期文末都有福利，敬请持续关注！

　　本期话题：生物学观念和方法例谈。以下内容来源于本刊编委、清华大学理学博士、中国人民大学附属中学高级教师和渊所著的《生物学观念和方法例谈》一书，该书由中国科学院院士施一公教授倾情作序，人民教育出版社出版。本期文末留言：您对生物学观念、科学思维和科学探究的思考，以及您的实践分享，点赞数最高前2位读者将获得作者亲笔签名赠书《生物学观念和方法例谈》。

　　生物学观念和方法例谈

　　在众多的学科中，生命科学是特别博大精深的一门学科，然而，“生命科学更多是领域而不是方法”的这一特点使得生物学与数学、物理等学科明显不同。本书希望通过例举的方式，以点带面阐释生物学的观念和方法，让读者感受和领会到生物学的本质，理解和体悟探索生物学的底层逻辑。

　　01

　　生物学观念

　　世为时间，界为空间，我们可以从时间和空间两个维度来认识生物学。在时间尺度上，我们可以回溯三十多亿年的地球生命演化历史，穿越时间的齿轮，以进化与适应观来看生命的发生、发展和毁灭；在空间尺度上，我们可以用显微镜看看细胞内部发生的变化，或者坐上宇宙飞船从太空中俯视地球，跨越从微观到宏观的尺度，从结构与功能观、物质与能量观、稳态与平衡观和系统观几个观念出发来理解生物学（图1），其中，进化适应观又是生物学区别于其他学科最独特的观念。

　　

　　图1 五种生物学观念

　　“结构功能观”“物质能量观”“稳态平衡观”“系统观”和“进化适应观”每个生物学观念的讨论都按照从微观到宏观、从分子细胞到组织个体再到种群和生态逐渐展开，结构化程度高，凸显生物学观念的普适性，图2以进化适应观为例说明。

　　

　　图2 进化与适应观

　　02

　　科学思维

　　卡尔?萨根（Carl Sagan）说过：“科学与其说是一种知识体系，不如说是一种思维方式。科学思维就是从认识论的角度总结人类认知世界、改造世界的经验，探讨各种方法的性质和作用以及各种方法之间的相互联系，概括出关于方法的规律性知识。世界瞬息万变，知识随时都在更新，一个人不可能把这个世界上所有的知识都背会、学会，但是世界运行的本质不会变，科学思维是剥开纷繁复杂的层层表象后揭示事物本质的方法，是看待和分析这个世界的根本对策。人们理解科学思维，不仅有助于自然科学的发展，对科学研究也有着重要作用，而且它也是人们了解、认知和掌握一门学科最根本内容的途径。科学思维方法包括归纳法、演绎法、比较、分类和类比法、分析与综合法、数学方法与模型法等逻辑方法，以及形象思维、直觉思维和创造性思维等非逻辑方法（图3）。

　　

　　图3 科学思维

　　03

　　科学探究

　　生物学的研究过程与其他自然科学研究一样，都是认识客观事物、探索未知规律的过程。生物学研究覆盖的内容非常庞杂，包括生物化学与分子生物学、发育生物学、细胞生物学、遗传学、植物学、动物学、微生物学、解剖学、生理学、免疫学，等等。这些学科内容看起来很不一样，但是它们本质上都是探索未知的认识活动，其根本任务在于系统、深入和正确地反映客观事物的本质和规律。

　　科学研究的过程一般是从现象出发，用理性的方法去解释感性的认知，去揭示生命的本质与机制，去认识人与自然、人与环境，去理解健康与疾病的关系。生物学研究也要遵循科学研究的一般过程，在正确观点的指导下，采用科学的研究方法，准确地进行实践观察和理论推演，在前人的工作基础上验证、积累、补充、修正和发展已有的认识或者理论学说，从而达到揭示未知、探索新知的目的。19世纪法国著名生理学家贝尔纳（C.Bernard）说：“良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能。”上一章介绍了生物学的逻辑思考方式，本章主要探讨科学研究的基本程序、技术路线和具体的专业技术性方法等。

　　科学探究方法包括观察法、调查法、实验法等科学实践方法。

　　

　　图4 科学探究

　　本书作者基于自己多年来对生命科学的理解和知识积累去阐释“生命科学的逻辑与思维”，书中选择的素材多是生物学发展历史上里程碑式的发现，以故事的形式，不仅讲述了关键实验的思维方式和技术路线，还原了当时科学研究的背景，还让读者能正确地理解一个科学研究的伟大、了解科学家在当时所处时代的先进性和局限性。

　　中国科学院院士施一公教授为本书作序。本书体例与生物学核心素养相匹配，第一章为生物学观念，第二章和第三章探讨科学思维，第四章涉及科学探究，即从科学家思考什么--如何思考—如何验证想法出发，大量案例可以应用于教师教学、学生学习中，具有很强的应用性，适合一线教师和对生物感兴趣的读者阅读。

　　本文及图片来源：和渊. 生物学观念和方法例谈[M]. 北京：人民教育出版社，2023.

　　

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　　作者简介

　　

　　和渊，清华大学理学博士，高级教师，北京市优秀青年人才，北京市教育新星。全国十三五规划基金课题主持人，海淀区学科带头人，海淀区青年岗位能手，中国青少年科技辅导员协会高级辅导员，国际青少年奥林匹克中国区组委，清华大学生医药校友会理事，《生物学通报》编委。

　　现任教于中国人民大学附属中学。曾获得全国创新名师孵化大赛全国决赛一等奖、全国优秀科技辅导员、北京市教育教学科研成果一等奖、北京市课程建设优秀成果一等奖。发表论文10余篇，著作6部。

　　目? 录：

　　第一章? 生物学观念

　　一、结构与功能观：结构与功能相适应

　　二、物质与能量观：生命以负熵为生

　　三、稳态与平衡观：致中和而万物育

　　四、系统观：整体大于部分之和

　　五、进化与适应观：进化=变异+选择

　　第二章? 科学思维一一生物学的逻辑方法

　　一、归纳法

　　二、演绎法

　　三、比较、分类和类比法

　　四、分析与综合法

　　五、数学方法与模型法

　　六、批判性思维

　　第三章? 科学思维——生物学的非逻辑方法

　　一、形象思维

　　二、直觉思维

　　三、创造性思维

　　第四章? 科学探究——生物学的实践方法

　　一、观察法

　　二、调查法

　　三、实验法

　　排版：周津津

　　责编：包丽芹