如何通過生物學實驗教學幫助學生深度構建概念*

王愉鑫 （四川省教育科學研究所 四川成都 610225）

實驗作為生命科學的基礎，在幫助學生感知生物學事實、領悟生物學現象、構建生物學概念等方面有著舉足輕重的作用。因此，在生物學實驗教學中，一線教師也在不斷探索，力求實驗方法簡便易操作、實驗材料易獲取、實驗現象明顯、實驗過程易控、實驗設備先進等。在生物學實驗教學不斷探索與改進的過程中，教師不僅要關注實驗本身的改進，更應思考實驗教學的目的、價值及意義，以及與生物學概念教學的深度聯系，即實驗教學如何幫助學生深度理解概念、構建概念和應用概念。

1 對實驗進行深度利用與開發

實驗教學的目的有時不僅僅是讓學生體驗科學研究的過程及范式，感知生物學現象，更重要的是通過實驗啟迪學生思維，讓學生深入思考，深刻理解概念并構建概念。因此，不能一味追求實驗本身的創新，而應思考如何充分利用實驗，對實驗進行深度開發，發掘實驗不同層次的價值，并將不同層次的實驗與概念建立聯系，真正通過實驗教學幫助學生突破認知的障礙，挖掘概念本質特征，深刻理解概念。

例如，“觀察小魚尾鰭的血液流動”實驗，目的是讓學生通過觀察了解不同血管中血液流動的情況。此實驗作為學生觀察實驗可結合構建 “血管”的概念進行不同層次的觀察：初次觀察，讓學生初步感知血管的概念，即血管是血液流動的通道；然后進行第2次觀察，讓學生自主尋找血管間的差異，感知不同血管之間在顏色、血流速度、血流方向、粗細等方面的差異，此時的感知雖然比較直觀、不夠嚴謹，但卻是學生通過仔細觀察獲得的直觀體驗；第3層次的觀察，讓學生帶著問題邊觀察邊思考“如何區分動脈、靜脈和毛細血管”，學生會發現血流速度（快慢是相對的，不同動脈其血流速度也會有快慢的區別）、粗細（同一類血管也有粗細的區別）、顏色、彎直等都不能作為判斷依據，而血流方向似乎可作為判斷依據，但在看不到小魚心臟的前提下如何判斷血流方向又是一個問題，此時學生思維處于思而未果，急于突破障礙之時；第4次觀察，理解不同血管的本質特征，進行深度觀察，即讓學生聯系血液循環思考如何尋找參照判斷血流方向，學生會發現毛細血管是一個突破點，動脈內的血液流向毛細血管分支，靜脈內的血液是由毛細血管分支流向靜脈（此課為四川省初中生物學實驗教學一等獎課例，由成都市石室中學張良老師執教）。

這節課中，教師引導學生針對一個經典實驗進行不同層次的反復觀察，每次觀察帶著不同層次的問題，激發學生層層深入思考，讓學生在一次次的觀察中，逐步辨析不同血管的本質特征，同時對血液循環有了更深入的理解。這樣的實驗教學不求實驗材料、方法和設備的創新，但求學生深度參與和利用實驗，并在實驗中思考、觀察、辨析概念的本質特征，進而深度構建概念，能夠更有效地發揮實驗教學的價值及意義。

2 通過實驗挖掘概念的本質特征

生物學重要概念處于學科中心位置，包括對生命現象、規律、理論等的理解和解釋，對學生學習生物學及相關學科具有重要的支撐作用［1］。實驗對于認識客觀現象具有實證的作用，可讓學生在實驗過程中觀察現象、發現規律，以幫助學生構建一些抽象的概念。教師需要在實驗與抽象概念之間架設橋梁，引導學生在現象觀察中思考產生如此實驗現象的原因，并探析、理解概念的本質特征，深度構建概念。

例如，北師大版7年級上冊“呼吸作用”一節，需要多個實驗支撐，通過觀察燃燒的蠟燭在裝有已萌發種子的瓶中立即熄滅，得出瓶中缺少氧氣，進而推斷呼吸作用需要消耗氧氣；通過觀察已萌發種子產生的氣體可使澄清的石灰水變渾濁，得出呼吸作用產生二氧化碳；通過觀察裝有已萌發種子的保溫瓶里的溫度升高，得出呼吸作用產生熱量；通過觀察放置一段時間的裝有蔬菜的密封保鮮袋內壁有水珠，推斷呼吸作用產生水。一節課上學生觀察多個實驗現象，然后思考呼吸作用發生的過程，逐漸建立呼吸作用的反應式：有機物+氧氣→二氧化碳+水+能量。雖然這樣一個實驗教學看似給學生提供充足的事實經歷，讓學生通過觀察現象感知客觀事實，進而通過理性思考構建呼吸作用的反應式，但是這樣的概念構建僅僅是一系列實驗現象的簡單累加與羅列，學生并不能深入理解呼吸作用的實質。例如，呼吸作用為什么要釋放能量，釋放的能量來自于什么？即呼吸作用的實質——分解有機物，釋放能量，學生并未感悟到，因此，教師需要幫助學生通過分析“萌發的種子隨著萌發時間的增加其干重減少”這樣的實驗，引導學生認識到呼吸作用中有機物被分解，并釋放能量，思考呼吸作用的意義在于給各種生命活動供能。理解了呼吸作用的實質后，學生就會自然而然地得出呼吸作用的反應式，而不是死記硬背。

因此，實驗教學在給學生提供事實基礎和實踐經歷的同時，應引導學生通過觀察實驗現象和分析實驗數據，思考概念的本質，進而構建概念。

3 基于學生的視角設計實驗

學生作為學習的主體，其認知能力、興趣點、生活經驗是其學習新知識的基礎，因此，教師要從學生的實際出發，基于學生視角設計實驗，以幫助學生構建新的概念。

3.1 遵循學生認知發展規律 認知也稱為認識，是指人認識外界事物的過程，或者說是對作用于人的感覺器官的外界事物進行信息加工的過程。它包括感覺、知覺、記憶、思維、想象、言語，是指人們認識活動的過程，即個體對感覺信號接收、檢測、轉換、簡約、合成、編碼、儲存、提取、重建、概念形成、判斷和問題解決的信息加工處理過程。了解學生認識事物的規律，才能從學生的視角設計教學。例如，講解蒸騰作用時，學生對“蒸騰拉力”很難理解，因為該知識點與學生的一般認識（水從高處流向低處）相矛盾，并涉及到細胞液濃度與外界溶液濃度差問題，而濃度問題學生還沒有學習，所以很難理解。若教師設計一個模擬實驗（圖1），用“海綿（膠泥）吸水”模擬植物通過蒸騰拉力從土壤中吸收水分，將干海綿A放入水槽中，海綿A吸水，再將干海綿B放在海綿A上面，海綿B很快就會吸水，再將干海綿C放在海綿B上面，海綿C也會吸水，這樣學生就很容易理解植物從土壤吸收水分了。再如，讓學生探究“如何讓紙飛起來”，學生在探究過程中發現紙的厚度、重量、形狀都會影響飛的高度、方向、距離等，進而理解鳥類適于飛行的結構特征。

圖1 模擬蒸騰拉力

這樣將抽象的、難于理解的生物學概念，通過聯系生活轉換成學生易于觀察、認識和理解的模擬實驗，找到學生認識新知識的切入點，能幫助學生輕松突破認知障礙，構建概念。

3.2 尊重學生真實的生活經驗 由于時空的限制和認知的發展，學生的生活經驗和經歷具有一定的特殊性，教師只有了解學生真實的生活體驗和心理感受，設置情境、提出問題才會貼近學生，讓學生有感而發。源于生活的實驗情境不僅能激發學生的探索熱情，還能幫助學生發現生活中的問題，并運用所學知識解決生活問題。例如，教學北師大版教材“血液”一課時，教材首先讓學生觀察靜置分層的血液，認識血液的成分，然后再觀察血液永久裝片，認識血液不同的成分，例如紅細胞、白細胞、血小板的結構及功能，這樣的編排邏輯是符合知識的發生邏輯的，但是不符合學生的生活經驗和認知邏輯。首先學生沒有參與血液靜置分層的過程，是教師直接呈現給學生的，學生沒有經歷事實發生發展的過程，相當于死記硬背血液的分層情況，而且學生在生活中不曾見過血液的分層現象，所以這樣的教學邏輯不利于學生深入認識血液。而生活中學生都有的經驗是 “出血”，因此教學不妨從學生的生活經驗切入，先讓學生談談對血液的認識，學生大致知道血液為紅色，有腥味、咸味，普通出血后不久會凝固等生活小常識；接著讓學生觀察血液涂片（教師現場制作），學生可清晰地觀察到紅細胞，且紅細胞數量最多，在顯微鏡下觀察紅細胞的結構特點，然后依次觀察白細胞和血小板，并聯系生活解決了前面的小問題；最后總結時，教師展示血液靜置分層的實驗視頻，讓學生知道血液的主要成分，形成對“血液”的整體結構性認識。

這樣，通過生活經驗引入實驗，并調整實驗的順序，既符合學生的認知發展邏輯，也能幫助學生將概念與生活建立聯系，深度理解血液的成分及功能。

3.3 關注學生知識結構的完整 知識不是孤立存在的，知識之間存在著必然的某種聯系，學生在學習過程中往往難于發現知識間的內在聯系，孤立地認識每一節的內容，很難從整章、整本教材，甚至整個生物圈認識問題，不能清晰地建立知識結構網絡，因此，教師在進行教學設計時要關注學生已有的知識結構，尋求新、舊知識間的聯系，將知識結構化。例如，在“種子萌發”的實驗教學中，啟迪學生思考種子萌發為什么需要適量的水分、充足的空氣和適宜的溫度，這樣就將植物細胞的結構、呼吸作用和酶的作用相聯系，有利于學生深度認識種子萌發的外部條件。例如，學習“花的結構”時，學生通過解剖花認識花的各部分結構及功能，如果僅停留在解剖和觀察的實驗層面，學生雖能認識花各部分的結構，但缺少對花的整體認識，教師可在實驗過程中邊解剖、邊完成花的結構及功能的概念圖，讓學生在做完實驗后對花的結構有一個整體認識，更利于理解和記憶。

3.4 促進學生思維能力發展 靜態知識的學習是有限的，因為浩瀚的知識海洋中需要探知的太多，而思維的發展才是根本，幫助學生發展思維能力、掌握方法，學生才會在面臨未知世界時知道如何探索，并尋得答案。《普通高中生物學課程標準》提出關注學生的四大核心素養：生命意識、科學探究、理性思維和社會責任。可見，促進學生思維能力發展是生物學教學應關注的重點，因此在生物學實驗教學中教師不僅要關注學生的實驗設計能力、實驗操作技能和實驗觀察能力，更要關注學生對實驗的分析、推理、演繹、辨析等思辨能力。

例如，“驗證綠葉在光下合成淀粉”實驗，不僅僅是讓學生按部就班規范地操作實驗，并得出實驗現象，更重要的是應讓學生思考分析為什么需要進行葉片部分遮光處理？為什么實驗前要進行暗處理？為什么是先進行暗處理等問題。再如，“探究種子萌發的外部條件”，不僅僅探究空氣、水、溫度等教材給定的因素，還可鼓勵學生發散思維，思考影響種子萌發的外部條件還可能有哪些因素，例如光照、土壤等其他因素，然后鼓勵學生進行實驗驗證，這樣更能鍛煉學生的思維能力。

實驗操作結果成功與否并不是最重要的，關鍵是學生在實驗過程中的思考、分析和解決問題的經歷，不僅有助于培養學生實驗的嚴謹性、科學性，也能幫助學生逐漸形成嚴謹、縝密、邏輯的思維習慣，并將這種思維能力遷移到其他學科及生活中。通常在實驗教學中，教師將實驗步驟、注意事項等一一羅列，學生按照步驟機械地進行模仿操作，雖能保證實驗操作規范、結果準確，但缺少了學生的思考、質疑，限制了學生的思維發展，因此，實驗教學應少一點對學生的束縛，給學生多一點嘗試、質疑、試錯、思考的空間，或許實驗結果不夠完美，但實驗過程一定會帶給學生更多的樂趣和發展。