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如何培养孩子的科学思维?不妨看看科学家是如何思考的是龟壳整体变大了,还是像年轮一样一圈圈长大的?那是龟壳整体变大了吗?敏锐的观察力思考、假设物种起源理论从实验到理解跨学科的知识融合

作者:沉淀读书

日本nhk的纪录片《像乌鸦一样思考》,是一档针对孩子的科普类节目,主要是教孩子科学思维的。比如,有次提出的问题是:随着乌龟一起长大的龟壳,是如何长大的?

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实验者分别数了龟壳边缘和中间的鳞片,然后跟小时候的做了对比,发现龟鳞片的数量是没有变化的。

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这就说明龟壳并不是像年轮一样一圈圈长大的。

实验者把乌龟小时候的照片放大到现在龟壳一样大,两者一对比,发现它们虽然相似,但是并不完全相同。

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现在的龟壳黑色的部分更多,仔细观察这些黑色的部分,会看到一些很细的纹路,而小时候的纹路很少。

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于是,他们提出新的假设:龟壳变大的原因在于这些纹路。

这个假设成立吗?

如果只是纹路变化,那么纹路中间的部分应该跟过去一样的。于是,实验者打印出长大乌龟的照片,把那部分抠下来拼在一起,跟小时候的乌龟做了对比。结果发现,二者大小几乎一样。

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也就是说,龟壳长大的秘密在于,龟壳上的纹路,最后的假设是成立的。

这个观察-假设-实验-评估的过程,就是科学思维。事实上,这也是科学家逻辑思维体系必备的科学思维。《科学家如何思考:达尔文与物种起源》这本书也是教孩子科学思维的。区别是,这本书是以达尔文一生的重要经历和研究为蓝本,把科学家思考的方式融入了其中;并且会告诉我们,科学家不光要有科学思维,还要有理论支撑,还要有完善的知识体系、跨学科素养。

简单来说,科学家逻辑思维体系就是:观察-假设-理论-实验-评估,跨学科素养融合。

对孩子来说,以达尔文这样伟大科学家为榜样,学习科学家的思考方式,是非常有价值的,当然达尔文的经历以故事的方式讲述出来,也更能引起孩子的兴趣。

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下面,我们简单来看看,达尔文的逻辑思维体系。

对达尔文来说,他一生成就的基础就是为期5年的南半球旅行。旅行途中,他每天都会把自己的所见所闻记录下来,每次登岸都会采集各种各样的标本,不同地区的人,动植物的多样性,引起了他极大的兴趣。

比如,在巴塔哥尼亚高原,达尔文发现了灭绝巨型哺乳动物雕齿兽的化石,经过仔细观察和比较,他发现,雕齿兽化石和现代犰狳外观和骨骼非常相似。比如,它们的后背上都有一层背甲,背甲都是由鳞片组成,都有锋利的爪子。

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来自《科学家如何思考》

但是,也有很大的区别。比如雕齿兽的背甲是一整块,犰狳的背甲是由关节相连的几大块组成。犰狳四肢有鳞板,雕齿兽没有。雕齿兽比犰狳长3倍,体重也比犰狳重得多。

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拍自《科学家如何思考》

再比如,加拉帕戈斯群岛,是一个火山岛群,有上百个火山口。达尔文发现这里有很多黑褐色的雀鸟,每座火山岛的雀鸟虽大小差不多,但是每个岛上的雀鸟喙长的不一样,有长有短,有细有粗,有的还跟南美大陆的雀鸟很像。

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再比如,在科科斯群岛,周围有很多珊瑚礁。在珊瑚礁形成的小岛上很少有动植物。珊瑚虫在水下生存的深度不超过60米,比较接近海面,珊瑚虫建起的礁石,礁石成圆环状,中间有礁湖,还有沙子。

观察到动植物的不同,达尔文便开始思考,但是他的思考并不是浅尝辄止,而是深入思考分析。

比如,雕齿兽化石和现代犰狳,虽然他知道这些动物可能是死于洪水、地震等灾难,但是他并没有就这么算了,他进一步思考的是:这些哺乳动物是如何死亡的?它们之间有什么关系?为什么会有这些相似性?

在这个基础上,他大胆假设:二者有亲缘关系,现代犰狳很可能是雕齿兽的后代。这就意味着,物种不是一成不变的,生物特征会随着时间的流逝发生改变。

再比如,雀鸟的喙长得不一样,普通人可以看到也就看到了,但是达尔文思考的是,为什么不一样?为什么长得像邻近大陆的一种鸟?如果是从南美大陆来的,为什么喙变了呢?

再比如,科科斯群岛的珊瑚礁。达尔文看到珊瑚景象,想的是,珊瑚虫是怎么建起珊瑚礁的?是如何抵抗海浪冲击的?为什么礁石呈圆环状,中间还有礁湖?沙子从哪里来的?

最后,经过不懈的观察,达尔文解开了珊瑚环礁之谜。

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回到英国之后,达尔文就开始着手整理航海日志,发现要说的东西太多了,而且有很多谜团还没有解开。比如,为什么所有生物不断繁衍,却没有任何一种过度繁殖。大自然是如何实现生态平衡的?但是,他需要一个理论来支撑自己的所有研究。

最终,他总结了自然法则--物种起源理论,"物竞天择,适者生存"。

比如,长颈鹿的故事。

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刚开始风调雨顺的时候,不管长颈鹿的脖子是长是短,都能吃到树叶,都能生存。但是,当干旱来临,大树只有高处的叶子长出来,这时脖子短的长颈鹿就会被自然淘汰,脖子长的长颈鹿会繁育更多后代,并把这个长脖子的特征传递下去,几代后,长脖子的长颈鹿就越来越多,短脖子的就少。

达尔文通过种子实验,发现物种进化论,从动物到植物都是如此。

植物学家研究了达尔文带回的植物标本,发现有些植物虽然相隔几千公里,但是非常相似。它们是怎么做到的?

达尔文跟儿子开始一起做实验,研究种子。他们把87种植物种子放进海水里,花了一个多月时间,做了一系列实验。结果,所有种子最后都会沉到水底,是不能穿越海洋的。

他们就想,如果是果实呢?于是把整个果实放进海水里。结果发现,果实越大,漂浮的时间越长。风干的果实能漂浮三个月,把它们种在土里,还可以发芽。

最后,达尔文得出结论:有10%的植物种子能够在脱水后,飘过1450千米的海洋,然后重新发芽。

种子能长距离传播。还有其他传播方式吗?通过观察,是有的。如图:

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达尔文从小就喜欢大自然,很小的时候,就成了人们口中的博物学家,在大学学了自然科学、地质学。在南美洲旅行中,以及回来之后的研究,都说明了他有着跨多个学科的知识储备,并且很好的融合在了一起。这也是达尔文的非凡之处。不得不承认,像达尔文这样的科学家真是优质的偶像,太值得我们学习了。

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读《科学家如何思考》这本书,我想起小时候学过的一篇课文,好像叫《乌鸦喝水》。记得当时老师告诉我们,要学习小乌鸦,遇到困难要多动脑筋。现在来看,并不仅限于此。其实,乌鸦喝水还是一个教孩子学习科学思维方法的好案例,可以在观察中思考,因为这是观察,假设,实验,研究的过程啊。

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