高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)：從科學(xué)探究到科學(xué)思維

蔡利永

2003年，教育部印發(fā)的普通高中課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)稿，指導(dǎo)了十余年來普通高中課程改革的實(shí)踐，堅持了正確的改革方向和先進(jìn)的教育理念，基本建立起適合我國國情、適應(yīng)時代要求的普通高中課程體系。十余年來，隨著課程改革的有序推進(jìn)，課堂教學(xué)也發(fā)生了深刻的變化?！俺珜?dǎo)探究性學(xué)習(xí)”作為當(dāng)初《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》提出的四個基本理念之一，得到了廣大生物教師的重視。在生物學(xué)教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，教師積極探索新的課堂教學(xué)模式，力圖促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，引導(dǎo)學(xué)生主動參與探究過程，為學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)摸索了一條有效的途徑。

1 基于科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)課程的特點(diǎn)，也是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生形成概念，理解和鞏固生物學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析問題、解決問題，初步掌握一些常用的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法。新課程實(shí)施以來，廣大教師以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為載體，積極培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到了足夠的重視

一直以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到時間（課時）太緊、實(shí)驗(yàn)難度太大、對教學(xué)幫助不大等因素的影響，高中生物學(xué)必修教材實(shí)驗(yàn)的開設(shè)情況令人堪憂。但近幾年來，隨著課程改革的推進(jìn)，廣大教師思想上發(fā)生了較大變化，認(rèn)識到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要意義以及其承載的功能，從而克服萬難，積極開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，尤其在平時的教學(xué)過程中實(shí)驗(yàn)課的開出率有了明顯的提升。生物課也受到越來越多學(xué)生的喜愛和期盼。

1.2 從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)走向探究性實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從教學(xué)方法看存在教師講解太多、背誦記憶太多和機(jī)械筆試太多等突出問題，從教學(xué)內(nèi)容看存在定性實(shí)驗(yàn)太多、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)太多和實(shí)驗(yàn)規(guī)定太多等突出問題。這些突出問題導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動性不夠，被動實(shí)驗(yàn)仍處于主導(dǎo)地位，知識本位仍是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主旨，學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力低下。當(dāng)前，廣大教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積極主動將“驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”變?yōu)椤疤骄繉?shí)驗(yàn)”，為探究性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，鼓勵學(xué)生自己觀察、思考、提問，并在提出假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究活動方案的設(shè)計和實(shí)施。

1.3 以問題激發(fā)規(guī)范化的探究性學(xué)習(xí)過程

課改當(dāng)初，教師在設(shè)計和實(shí)施實(shí)驗(yàn)時，為實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，為探究而探究的現(xiàn)象還是比較普遍的，很多探究活動流于形式，沒有問題的引領(lǐng)，沒有規(guī)范的探究過程，沒有學(xué)生的自主，意義不大。近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，廣大教師積極為學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)各種科研、生活，生產(chǎn)實(shí)踐等方面的真實(shí)情境，尤其通過問題鏈或問題串的形式激發(fā)學(xué)生的探究熱情和思維，指導(dǎo)學(xué)生在問題的基礎(chǔ)上提出假設(shè)，進(jìn)行探究活動方案的設(shè)計和實(shí)施。同時，廣大教師也注重科學(xué)探究的規(guī)范性操作，注重科學(xué)探究的完整性，幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，從而切實(shí)提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2 基于科學(xué)思維的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

科學(xué)思維是指尊重事實(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?？茖W(xué)思維能夠支持學(xué)生獲取新知識，學(xué)會如何使用知識，建構(gòu)并評價假設(shè)和觀點(diǎn)。具備科學(xué)思維的學(xué)生能夠成為獨(dú)立的學(xué)習(xí)者，能夠自主地為自己的問題尋求答案。生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個要素是一個統(tǒng)一的整體?？茖W(xué)思維和科學(xué)探究互為倚重，科學(xué)思維是科學(xué)探究的重要內(nèi)涵，科學(xué)探究是科學(xué)思維的實(shí)證過程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在注重科學(xué)探究的同時，也為學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的培養(yǎng)開創(chuàng)了新的途徑。

2.1 在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括的能力

人們對事物的認(rèn)識往往從個別開始，然后擴(kuò)展到一般，再從一般進(jìn)一步認(rèn)識個別。歸納就是在個別中發(fā)現(xiàn)一般的推理形式和思維方式。概括是指把抽象出來的個別事物的本質(zhì)屬性連接起來，推及到其他同類事物上去，從而歸結(jié)全類事物的共性的思維方法。

實(shí)驗(yàn)開始之前，教師一般都要準(zhǔn)備好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料。例如，檢測生物組織中的還原糖，要準(zhǔn)備蘋果或梨的新鮮勻漿;檢測生物組織中的脂肪，要準(zhǔn)備花生去皮種子的勻漿;檢測生物組織中的蛋白質(zhì)，要準(zhǔn)備豆?jié){或雞蛋清液。對于選擇這些材料來做檢測實(shí)驗(yàn)的原因，教師可以讓學(xué)生在準(zhǔn)備過程中加以思考。在學(xué)生思考后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生歸納和概括出做這類檢測實(shí)驗(yàn)的材料的一般共性，即生物組織中要含有相應(yīng)的有機(jī)物，并且材料本身最好不帶有顏色，否則會影響正常的顏色反應(yīng)。學(xué)生自己歸納和概括共性的學(xué)習(xí)方式可遷移到其他類似的實(shí)驗(yàn)中去，從而有利于選擇合適的實(shí)驗(yàn)材料。再如，本實(shí)驗(yàn)中涉及顏色反應(yīng)，有的顏色反應(yīng)涉及相應(yīng)的化學(xué)變化，有的顏色反應(yīng)僅僅是物理變化過程。針對顏色反應(yīng)的原理，教師也可以讓學(xué)生自己去歸納和概括，從而有助于在實(shí)驗(yàn)中選擇合理的鑒定試劑。

2.2 在實(shí)驗(yàn)思路上培養(yǎng)學(xué)生演繹與推理的能力

演繹是從一般性的前提出發(fā)，通過推導(dǎo)得出具體陳述或個別結(jié)論的過程，是在一般中發(fā)現(xiàn)個別的推理形式和思維方式。推理是由一個或幾個已知的判斷（前提）推出新判斷（結(jié)論）的過程。孟德爾發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律過程采用的“假說一演繹法”是演繹與推理的經(jīng)典形式之一。在實(shí)驗(yàn)思路上培養(yǎng)學(xué)生的演繹與推理能力，有助于學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法，形成嚴(yán)密、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣。

例如，在“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”實(shí)驗(yàn)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過演繹和推理的思路開始整個實(shí)驗(yàn)過程。在學(xué)習(xí)滲透作用的基礎(chǔ)上，學(xué)生提出問題：如果成熟植物細(xì)胞能通過滲透作用吸水和失水，那植物細(xì)胞中什么結(jié)構(gòu)相當(dāng)于半透膜呢？針對問題，學(xué)生作出的假設(shè)是“原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜”。為了檢驗(yàn)這一假設(shè)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行演繹和推理：將植物細(xì)胞浸潤在高濃度的蔗糖溶液中，觀察其大小的變化;再將細(xì)胞浸潤在清水中，觀察其大小的變化。那么該如何直觀地觀察大小變化呢？可以觀察紫色洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞的質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象。討論及預(yù)期的結(jié)果是：紫色洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞在高濃度的蔗糖溶液中會發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象，間接說明細(xì)胞滲透失水;在清水中發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象，間接說明細(xì)胞滲透吸水。通過這樣的演繹與推理過程，學(xué)生不但能深入理解實(shí)驗(yàn)的目的和意義，而且也掌握了解決實(shí)際問題的一種方法。

2.3 在實(shí)驗(yàn)方法上培養(yǎng)學(xué)生模型與建模的能力

模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所作的一種簡化的概括性的描述，是認(rèn)識和闡明生命活動規(guī)律、原理的重要方法之一，其形式主要包括物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型。建模更強(qiáng)調(diào)的是思維過程，是一種解決問題的方法，即遵循化繁為簡的原則、舍去原型的一些次要細(xì)節(jié)、非本質(zhì)的聯(lián)系，以簡化和理想化的形式去再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，使問題呈現(xiàn)更加簡明扼要。

建模方法在人教版必修教材中有著重要的體現(xiàn)。《必修1.分子與細(xì)胞》中要求學(xué)生“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”，學(xué)生在制作過程中得到認(rèn)知體驗(yàn)，效果遠(yuǎn)大于圖片等的感官刺激?！侗匦?.穩(wěn)態(tài)與環(huán)境>模塊中要求學(xué)生通過建立數(shù)學(xué)模型的方法研究種群數(shù)量變化，學(xué)生在建立模型的過程中不但能深入理解種群增長的相關(guān)規(guī)律，更重要的是無形之中提升了思維能力。建模方法在實(shí)驗(yàn)方法上同樣具有重要的意義，如在“調(diào)查人群中的遺傳病”實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)調(diào)查結(jié)果建立遺傳系譜圖是分析遺傳學(xué)問題中常用的一種模型建構(gòu)方法。調(diào)查結(jié)果呈現(xiàn)的信息往往是以簡單描述事實(shí)為主，相互之間的邏輯關(guān)系并不明顯。通過繪制遺傳系譜圖，將性別、性狀表現(xiàn)、親子關(guān)系、世代數(shù)以及每一個體在世代中的位置等信息直觀地呈現(xiàn)出來，使后續(xù)的分析過程更加直觀、條理性更強(qiáng)，從而有利于學(xué)生對遺傳病遺傳方式的判斷。

2.4 在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中培養(yǎng)學(xué)生批判性和創(chuàng)造性思維能力

批判性思維是指具有目的性和反思性的判斷，既包括闡釋、分析、推理、評估、解釋和自我調(diào)整等認(rèn)知技能，也包括好奇、敏銳、求真等思維習(xí)性。創(chuàng)造性思維即發(fā)散性思維，能從多角度、多側(cè)面、多層次、多結(jié)構(gòu)去思考和尋找答案，既不受現(xiàn)有知識的限制，也不受傳統(tǒng)方法的束縛，思維是開放、擴(kuò)散的。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中經(jīng)常使用判斷性和創(chuàng)造性思維，有助于學(xué)生重新審視和論證表生物學(xué)觀點(diǎn)，加深其對生命本質(zhì)的認(rèn)識。

在“探究影響酶活性的條件”實(shí)驗(yàn)中，很多教師都認(rèn)為不能用過氧化氫溶液和肝臟研磨液作為實(shí)驗(yàn)材料來探究溫度對酶活性的影響，理由是過氧化氫溶液自身受熱會分解，不能判斷是酶作用的結(jié)果。在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)中，也沒有教師去思考過氧化氫要用90℃的高溫水浴加熱的原因。教師完全可以結(jié)合這兩個實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行批判性思維，通過親自設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案重新論證該結(jié)論的可靠性。重新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過氧化氫在0-60℃之間不會隨著溫度的升高而分解加快，幾乎不分解，只有超過60℃才能有少量的分解?？梢姡@種批判性還是很有必要的，教師的一些經(jīng)驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但誤導(dǎo)學(xué)生，而且還會束縛學(xué)生的思維。再如，有學(xué)生提出：肝臟是生物體重要的解毒器官，過氧化氫酶的含量相對比較多，那其他動物組織中有沒有過氧化氫酶呢？如果有，含量怎樣呢？學(xué)生的這些創(chuàng)造性思維火花值得贊賞和保護(hù)，教師當(dāng)然有必要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的想法，結(jié)合教材實(shí)驗(yàn)的方法，去進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，從而在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論加以補(bǔ)充和完善。

3 結(jié)語

新一輪課改對廣大教師來說，一個亟待深入思考的問題是，如何在課堂教學(xué)中將學(xué)科核心素養(yǎng)落地生根，充分體現(xiàn)生物學(xué)科的特點(diǎn)和育人價值。教師在備每節(jié)課時，都要考慮核心素養(yǎng)任務(wù)的針對性落實(shí)和有效完成。當(dāng)然，每堂課都要落實(shí)核心素養(yǎng)的四個維度也是不現(xiàn)實(shí)的，教師可根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，在落實(shí)時有所側(cè)重。實(shí)驗(yàn)教學(xué)從科學(xué)探究到科學(xué)思維，并不是弱化科學(xué)探究，而是在堅持科學(xué)探究的同時積極融入科學(xué)思維，讓科學(xué)探究和科學(xué)思維真正在實(shí)驗(yàn)課堂中落地。這就要求廣大教師進(jìn)一步認(rèn)識到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要意義，備好每一堂實(shí)驗(yàn)課，上好每一堂實(shí)驗(yàn)課，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為促成學(xué)生核心素養(yǎng)養(yǎng)成的重要陣地。

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