基于核心概念的生物學探究實驗研究

摘要 敘述了以核心概念為主線組織生物學探究實驗教學的組織過程需要考慮探究實驗的知識匹配度、學生的前概念、概念間的關聯和新的問題情境創設等方面，其教學步驟可分為明確核心概念、分解核心概念、設計實驗方案、構建概念圖、創建問題新情境促進遷移應用等。

關鍵詞 核心概念 生物學 探究實驗

中圖分類號G633.91 文獻標識碼B

1 引言

核心概念是位于學科中心的概念性知識，能夠組織起與之相關的概念和大量的事實，它包含了重要概念、原理、理論等的基本理解和解釋，是學科結構的主干部分。在探究實驗中，核心概念是培養學生能力的重要基礎，也是實驗組織的主線。對核心概念的理解可以促進學生進行有效探究，幫助學生形成探究能力，構建知識網絡。因此，學生對核心概念的理解應該成為探究實驗的重要教學目標。

對核心概念的理解表現在：一個是概念之間的關聯；另一個是新的情境下對概念的應用。在實際的生物學探究實驗教學中，教師往往把學生對概念的理解等同于熟練術語和定義，或是把概念的理解片面地認為是掌握概念的之間的關聯，致使學生對概念的理解流于表面。為加強學生對核心概念的理解，教師應該圍繞核心概念進行組織探究實驗，使學生在鮮活的實驗情景中充分發揮其主動性，構建起對核心概念的深層次理解。

2 基于核心概念的探究實驗設計的考慮因素

2.1 探究實驗與概念性知識的配合度

在教學實際中，探究性實驗的探究難度往往太大，所涉及的概念性知識超出學生的知識范圍。這種探究實驗使學生對核心概念的理解缺乏必要的概念支架和過渡性知識，難以將實驗中的概念性知識同化到已有的知識結構中。學生在完成探究后，只是知曉了幾個名詞和零碎的事實。教師在設計探究實驗時需要考慮學生的已有的知識結構和認知水平，而不是盲目地追求高難度的探究。探究實驗與概念性知識的良好配合度使探究活動中的同伴交流和討論、教師指導更為有效，更加有利于學生主動構建對核心概念的理解。

2.2 學生的前概念

生物學前科學概念指的是個體在現實生活中長時間積累而形成對生物學概念和外延不準確的理解，是一些與生物學科學概念相悖或不完全一致的想法、認識。如，將有些植物的種子誤認為是果實，把鯨誤認為是魚類等。探究實驗中，前概念會影響對核心概念的掌握，甚至會產生連鎖反應致使學生在下一步的學習中產生新的前概念。因此，教師要充分了解學生的生物學前概念，更有針對性地促進學生概念的轉變。

值得注意的是，學生在探究實驗中學習核心概念時，也可能對概念產生錯誤的理解，因此了解學生的前概念應貫穿于整個探究實驗的始終。教師可以根據具體的教學環境和條件，通過概念圖、概念卡、訪談、二段測驗和觀察等方法來了解學生的生物學前概念。

2.3 概念之間的關聯

次位概念作為核心的細化形式，是對核心概念的支撐性概念，它更加明確地表達了學生要達到的知識層次水平。教師在明確探究實驗中的核心概念后，需要把核心概念細化為具有邏輯層次的具體的次位概念。教師要引導學生循序漸進地理解概念，明晰各個概念間的區別和聯系，使學生在對比和聯系中獲得更為深刻的理解，構建起完整的知識網絡結構。例如在探究酶的高效性的實驗中，教師可以將化學意義上催化劑、生物學中催化劑(酶)進行比較，使學生明確其區別和聯系，加深對酶的理解。

教師可以讓學生以概念圖的形式繪制出各概念問的關系圖，并結合具體的事實加以闡述和說明，使學生在概念與真實的實驗事實結合中構建網絡。概念圖還可以檢驗出學生獲得生物學核心概念及其他有關概念的質量，為教師及時調整指導策略提供依據。

2.4 遷移應用的情景創設

學生對知識的遷移應用是對在核心概念的深層加工的前提下實現的。學生在新的問題情境中運用所學知識和方法去創造性地解決問題也被看做是一種探究活動。教師要善于創設新的問題情境，促進學生對概念的理解和探究性學習。新創設的問題情景不應是封閉的，而應是開放的、多層次的，這樣的情景不僅使學生獲得探求生物學中既有因果關系的能力，更使學生獲得處理不確定性問題的能力。

3 基于核心概念的探究實驗教學步驟

教學是一個復雜的過程，沒有固定的程序，教師要根據具體的教學實際設計適切的教學策略。以“測定植物細胞的細胞液濃度的探究實驗”為例，基于核心概念的探究實驗教學的大體步驟如下。

3.1 分析教學內容，找出核心概念

教師首先需要確定探究實驗的知識范圍的跨度，然后從相應的教學內容中梳理提煉出核心概念。在本探究實驗前，學生已經學過關于細胞膜的知識，也已經做過洋蔥表皮細胞質壁分離與復原的實驗，后面學生要學習的礦質營養的內容也涉及到礦質營養的跨膜運輸，因此原生質層是一個重要的概念。本探究實驗中，核心概念表述為“原生質層與細胞壁發生質壁分離的機制是滲透作用”。

3.2 分解核心概念，細化為次位概念

核心概念具有一定的概括性，教師需要把核心概念具體化為更為詳細的次位概念，同時注意保持次位概念和核心概念之間以及次位概念之間的層次性和關聯性。“原生質層與細胞壁發生質壁分離的機制是滲透作用”是核心概念，其次位概念可以為：“原生質層是一層半透膜，包括細胞膜、液泡膜和這兩層膜之間的細胞質”；“滲透作用是水分子通過半透膜從低濃度溶液向高濃度溶液擴散的過程”；“質壁分離的細胞并不能一定復原”；“洋蔥表皮細胞的半數細胞發生質壁分離時的濃度即為洋蔥表皮細胞的細胞液濃度”。

先明確前概念，然后進行概念分解，可以引發學生的認知沖突，為概念轉變提供基礎。教師可以通過提問的方式探求學生的前概念。例如，有些學生把原生質層認為是一層膜；洋蔥表皮各個細胞的細胞液濃度都是完全一樣的；滲透作用是溶質從低濃度溶液向高濃度溶液擴散等。

3.3 分析控制因子，設計實驗方案

學生已經知道“洋蔥表皮細胞的半數細胞發生質壁分離時的濃度即為洋蔥表皮細胞的細胞液濃度”，接下來教師要引導學生如何將這一次位概念轉變為可操作的實驗步驟。首先，教師給學生提供的信息：洋蔥表皮各細胞的細胞液濃度存在微小差異。然后，教師讓學生思考：“如何才能使洋蔥表皮細胞的半數細胞發生質壁分離?”教師從而引地找出本探究實驗的控制因子，使學生以小組討論的形式得出方案。教師讓各小組陳述各自的方案，逐一點評，去除方案中不合理的部分。最后，教師歸納總結，使學生明確本探究實驗的控制因子是“蔗糖溶液的濃度”，得出“通過設置濃度梯度的蔗糖溶液使洋蔥表皮細胞的半數細胞發生質壁分離”，從而使學生確定本實驗的關鍵步驟，即“在洋蔥表皮上滴加不同濃度的蔗糖溶液，然后觀察現象。”

3.4 分析實驗事實，構建概念圖

教師引導學生查找有關洋蔥表皮細胞液濃度的資料和有關實驗的數據，確定配制的蔗糖濃度梯度，制成不同濃度的蔗糖溶液，然后滴加到洋蔥表皮上，觀察實驗現象。實驗中，學生可以觀察到了洋蔥表皮細胞的在某個外界溶液濃度時發生質壁分離現象并記錄實驗結果，這時教師要讓學生根據有關概念對實驗事實做出解釋。教師可以提出引導性問題：支持滲透作用和原生質層是半透膜的實驗事實表現是什么?為什么發生半數細胞發生質壁分離時的濃度大致就是洋蔥表皮細胞的細胞液濃度?但是，如果洋蔥表皮細胞未發生質壁分離，教師就需要引導學生從選材、試劑、實驗操作等方面去做出合理解釋，否則學生可能就會對概念難于接受和理解。

學生在記錄完實驗現象和實驗結果后，教師要引導學生根據對實驗事實和現象的解釋做出本探究實驗概念圖，并且對應每一具體概念，羅列支持該概念的實驗事實。

3.5 創設新情境，促進知識的遷移應用

學生在完成實驗時，教師要創設新的情景讓學生應用所學知識并引發學生新的思考。例如，可以讓學生對盆栽的植物施以不同的水量然后觀察實驗現象，并思考如何在實際的農業生產中施以最佳的灌溉量；也可以讓學生調查學校附近農場、農博園或者農民的農田灌溉管理情況，并作出合理解釋。這樣的進一步探究不僅僅涉及滲透作用的知識，還涉及到礦質營養的主動運輸和利用問題，對學生學習后續的內容具有一定的引導作用。

4 結束語

基于核心概念的生物學探究實驗改變了現象、事實與概念分離的教學弊端，同時也改善了學生被動得記憶孤立的事實性知識的教學現象，它使學生主動運用實驗事實去理解可遷移的核心概念及其相關概念，同時又超越具體事實的學習幫助學生的理解力達到抽象的、概念性的層次。學生在深入理解核心概念的探究過程中，其思維向綜合水平發展，并能習得更高階的生物學概念，促進了學生的認知呈螺旋上升地發展。教師在進行探究實驗設計時，應突破生物學課程的單一視角，以一種與其他學科結合的整合意識去設計探究活動，促進學生對核心概念的理解，提高學生的科學素養。