高中實驗教學：從科學探究到科學思維

蔡利永

2003年，教育部印發的普通高中課程方案和課程標準實驗稿，指導了十余年來普通高中課程改革的實踐，堅持了正確的改革方向和先進的教育理念，基本建立起適合我國國情、適應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，課堂教學也發生了深刻的變化?！俺珜骄啃詫W習”作為當初《普通高中生物學課程標準（實驗）》提出的四個基本理念之一，得到了廣大生物教師的重視。在生物學教學尤其是實驗教學過程，教師積極探索新的課堂教學模式，力圖促進學生學習方式的變革，引導學生主動參與探究過程，為學生關鍵能力的培養摸索了一條有效的途徑。

1 基于科學探究的實驗教學現狀

實驗教學是生物學課程的特點，也是生物學教學的基本形式之一。實驗教學可以幫助學生形成概念，理解和鞏固生物學知識，培養學生觀察現象、分析問題、解決問題，初步掌握一些常用的生物學實驗技能，培養學生實事求是的科學態度和科學方法。新課程實施以來，廣大教師以實驗教學為載體，積極培養學生的科學探究能力。

1.1 實驗教學得到了足夠的重視

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

1.2 從驗證性實驗走向探究性實驗

傳統實驗教學從教學方法看存在教師講解太多、背誦記憶太多和機械筆試太多等突出問題，從教學內容看存在定性實驗太多、驗證實驗太多和實驗規定太多等突出問題。這些突出問題導致學生實驗的主動性不夠，被動實驗仍處于主導地位，知識本位仍是實驗教學的主旨，學生創新實踐能力低下。當前，廣大教師在實驗教學中積極主動將“驗證實驗”變為“探究實驗”，為探究性實驗創設真實情境，鼓勵學生自己觀察、思考、提問，并在提出假設的基礎上進行探究活動方案的設計和實施。

1.3 以問題激發規范化的探究性學習過程

課改當初，教師在設計和實施實驗時，為實驗而實驗，為探究而探究的現象還是比較普遍的，很多探究活動流于形式，沒有問題的引領，沒有規范的探究過程，沒有學生的自主，意義不大。近幾年的實驗教學中，廣大教師積極為學生的探究性學習創設各種科研、生活，生產實踐等方面的真實情境，尤其通過問題鏈或問題串的形式激發學生的探究熱情和思維，指導學生在問題的基礎上提出假設，進行探究活動方案的設計和實施。同時，廣大教師也注重科學探究的規范性操作，注重科學探究的完整性，幫助學生掌握科學探究的基本思路和方法，從而切實提高學生的科學探究能力。

2 基于科學思維的實驗教學策略

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力?？茖W思維能夠支持學生獲取新知識，學會如何使用知識，建構并評價假設和觀點。具備科學思維的學生能夠成為獨立的學習者，能夠自主地為自己的問題尋求答案。生物學學科核心素養的四個要素是一個統一的整體?？茖W思維和科學探究互為倚重，科學思維是科學探究的重要內涵，科學探究是科學思維的實證過程。實驗教學在注重科學探究的同時，也為學生科學思維素養的培養開創了新的途徑。

2.1 在實驗準備中培養學生歸納與概括的能力

人們對事物的認識往往從個別開始，然后擴展到一般，再從一般進一步認識個別。歸納就是在個別中發現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屬性連接起來，推及到其他同類事物上去，從而歸結全類事物的共性的思維方法。

實驗開始之前，教師一般都要準備好相應的實驗材料。例如，檢測生物組織中的還原糖，要準備蘋果或梨的新鮮勻漿;檢測生物組織中的脂肪，要準備花生去皮種子的勻漿;檢測生物組織中的蛋白質，要準備豆漿或雞蛋清液。對于選擇這些材料來做檢測實驗的原因，教師可以讓學生在準備過程中加以思考。在學生思考后，教師可以引導學生歸納和概括出做這類檢測實驗的材料的一般共性，即生物組織中要含有相應的有機物，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。學生自己歸納和概括共性的學習方式可遷移到其他類似的實驗中去，從而有利于選擇合適的實驗材料。再如，本實驗中涉及顏色反應，有的顏色反應涉及相應的化學變化，有的顏色反應僅僅是物理變化過程。針對顏色反應的原理，教師也可以讓學生自己去歸納和概括，從而有助于在實驗中選擇合理的鑒定試劑。

2.2 在實驗思路上培養學生演繹與推理的能力

演繹是從一般性的前提出發，通過推導得出具體陳述或個別結論的過程，是在一般中發現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（結論）的過程。孟德爾發現遺傳規律過程采用的“假說一演繹法”是演繹與推理的經典形式之一。在實驗思路上培養學生的演繹與推理能力，有助于學生掌握科學的研究方法，形成嚴密、嚴謹的思維習慣。

例如，在“探究植物細胞的吸水和失水”實驗中，教師可以引導學生通過演繹和推理的思路開始整個實驗過程。在學習滲透作用的基礎上，學生提出問題：如果成熟植物細胞能通過滲透作用吸水和失水，那植物細胞中什么結構相當于半透膜呢？針對問題，學生作出的假設是“原生質層相當于半透膜”。為了檢驗這一假設，教師可以引導學生設計實驗方案進行演繹和推理：將植物細胞浸潤在高濃度的蔗糖溶液中，觀察其大小的變化;再將細胞浸潤在清水中，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胞的質壁分離及復原現象。討論及預期的結果是：紫色洋蔥鱗片葉表皮細胞在高濃度的蔗糖溶液中會發生質壁分離現象，間接說明細胞滲透失水;在清水中發生質壁分離復原現象，間接說明細胞滲透吸水。通過這樣的演繹與推理過程，學生不但能深入理解實驗的目的和意義，而且也掌握了解決實際問題的一種方法。

2.3 在實驗方法上培養學生模型與建模的能力

模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述，是認識和闡明生命活動規律、原理的重要方法之一，其形式主要包括物理模型、概念模型和數學模型。建模更強調的是思維過程，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節、非本質的聯系，以簡化和理想化的形式去再現原型的各種復雜結構、功能和聯系，使問題呈現更加簡明扼要。

建模方法在人教版必修教材中有著重要的體現?！侗匦?.分子與細胞》中要求學生“嘗試制作真核細胞的三維結構模型”，學生在制作過程中得到認知體驗，效果遠大于圖片等的感官刺激?！侗匦?.穩態與環境>模塊中要求學生通過建立數學模型的方法研究種群數量變化，學生在建立模型的過程中不但能深入理解種群增長的相關規律，更重要的是無形之中提升了思維能力。建模方法在實驗方法上同樣具有重要的意義，如在“調查人群中的遺傳病”實驗中，根據調查結果建立遺傳系譜圖是分析遺傳學問題中常用的一種模型建構方法。調查結果呈現的信息往往是以簡單描述事實為主，相互之間的邏輯關系并不明顯。通過繪制遺傳系譜圖，將性別、性狀表現、親子關系、世代數以及每一個體在世代中的位置等信息直觀地呈現出來，使后續的分析過程更加直觀、條理性更強，從而有利于學生對遺傳病遺傳方式的判斷。

2.4 在實驗結果分析中培養學生批判性和創造性思維能力

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、解釋和自我調整等認知技能，也包括好奇、敏銳、求真等思維習性。創造性思維即發散性思維，能從多角度、多側面、多層次、多結構去思考和尋找答案，既不受現有知識的限制，也不受傳統方法的束縛，思維是開放、擴散的。在實驗結果分析中經常使用判斷性和創造性思維，有助于學生重新審視和論證表生物學觀點，加深其對生命本質的認識。

在“探究影響酶活性的條件”實驗中，很多教師都認為不能用過氧化氫溶液和肝臟研磨液作為實驗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果。在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中，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。教師完全可以結合這兩個實驗引導學生進行批判性思維，通過親自設計實驗方案重新論證該結論的可靠性。重新實驗結果表明，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?，這種批判性還是很有必要的，教師的一些經驗性實驗教學不但誤導學生，而且還會束縛學生的思維。再如，有學生提出：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？學生的這些創造性思維火花值得贊賞和保護，教師當然有必要引導學生根據自己的想法，結合教材實驗的方法，去進行拓展實驗，從而在實驗結果和實驗結論加以補充和完善。

3 結語

新一輪課改對廣大教師來說，一個亟待深入思考的問題是，如何在課堂教學中將學科核心素養落地生根，充分體現生物學科的特點和育人價值。教師在備每節課時，都要考慮核心素養任務的針對性落實和有效完成。當然，每堂課都要落實核心素養的四個維度也是不現實的，教師可根據不同的教學內容，在落實時有所側重。實驗教學從科學探究到科學思維，并不是弱化科學探究，而是在堅持科學探究的同時積極融入科學思維，讓科學探究和科學思維真正在實驗課堂中落地。這就要求廣大教師進一步認識到實驗教學的重要意義，備好每一堂實驗課，上好每一堂實驗課，讓實驗教學成為促成學生核心素養養成的重要陣地。

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