實驗活動優化生物學概念構建的研究

王 鵬 金明明

（1天津市濱海新區塘沽第九中學 天津 300455 2天津市濱海新區塘沽教育中心 天津 300450）

《義務教育生物學課程標準》（2011年版）在教學建議中明確指出：加強和完善實驗教學，關注重要概念的學習［1］。實驗活動可以把生命現象、生理活動、生物規律直觀地呈現出來，實驗凸顯概念所包含的關鍵屬性［2］，是概念產生、構建、理解和應用的重要途徑，也是一種優化概念構建的有效方式［3］，實驗結果是對新概念產生的重要依據。概念是在對客觀事物的觀察、實驗、對比、分析、綜合、抽象和概括等科學方法的基礎上形成的［4］。有效開展實驗活動，可以降低學習概念的難度，優化概念構建的過程，使重要概念的構建過程螺旋上升式發展。

1 充分安排預實驗，形成科學前概念

客觀知識依存的基本方式是背景、經驗和邏輯［5］。學生已有的前概念有正確和錯誤之分，利用學生頭腦中或片面、或錯誤的前概念轉變為科學概念，是形成概念的重要過程。做好預實驗，可為實驗材料和儀器藥品的選擇、過程創新等奠定基礎，同時可修正、完善學生的已有經驗和前概念。

例如，進行“綠葉在光下制造淀粉”實驗時，教師依據課程標準、教材，設計并進行前概念調查，結果顯示：①多數學生認為綠色植物的葉片都能作為實驗材料；②光照時間長短對實驗效果影響不大；③50%學生認為沒必要進行暗處理；④多數學生認為光、葉綠體是光合作用的條件，光合作用的產物是淀粉。根據學生的前概念、實驗材料的成本、季節等問題，教師指導學生進行預實驗。組織學生因地制宜地精選校園的常見資源——錦葵、爬山虎、黃瓜、長春花、薄荷、桑葉、鳳仙花等近10種植物的葉片，進行1～6 h不同光照時間的預實驗、結果分析，最后選定桑樹苗和鳳仙花脫色時間較短的2種植物作為課上實驗材料，其他實驗結果作為課上實驗的補充，利于學生全面認識光合作用普遍存在于綠色植物之中。這些實驗材料校園內隨處可見，有草本、木本植物，可豐富實驗材料；用不同光照時間，可完善實驗過程。在預實驗中，學生親歷實驗材料的選擇、處理、現象觀察及結果分析，利于正面佐證或糾正前概念的問題，形成正確的新概念，初步感知光合作用的條件、產物。同時，教學中還要發揮科學前概念的正遷移作用，使之成為學習新概念的鋪墊、資源，成為概念學習的必要過程。

2 實驗導學促進概念螺旋式構建

實驗導學是通過一系列相互聯系的實驗，將教材內容重新組織和整合，以具體化、生活化的方式呈現給學生，學生在觀察、實驗、分析中，體會概念間的聯系，構建和理解重要概念［6］。很多重要概念是由若干下位概念構成的，通過實驗活動獲得生物學事實——下位概念，引導學生綜合分析下位概念得出重要概念，這一過程是學生構建重要概念的過程，也是學生理解概念的過程［7］，而實驗在其中起了重要作用。

2.1 明確重要概念，精心設計實驗活動 依據課程標準、教材內容明確要構建的重要概念，精心設計實驗活動，是概念構建的前提。例如學習“發生在肺內的氣體交換”時，教師確定了重要概念和實驗活動間的關系（圖1），設計了7個環節：親身體驗創情境→經典實驗→小實驗→小組實驗→親身體驗→模擬實驗→表格總結，設計了6個相互銜接層層遞進的活動，激發學生探究氣體的流動，胸廓與呼吸肌的關系，呼吸運動等概念，幫助學生螺旋式形成“氣壓、氣體流動，氣壓和容積關系，胸廓與呼吸，膈肌與呼吸的關系，以及胸廓和呼吸肌協作完成呼吸運動”的重要概念。

圖1 “肺與外界氣體交換”實驗活動與概念構建

2.2 演示實驗破解物理學概念，解釋生命現象學生演示實驗過程可增加直觀性、體驗性，給學生帶來更多的感性刺激和視覺沖擊，最大程度地使學生感受實驗過程，激發學生探究實驗原理的動機進而構建概念。“肺與外界氣體交換”涉及到氣體流動、大氣壓、容積與氣壓的關系等物理學概念，7年級學生沒有相關物理學知識的鋪墊，因此教師設置了學生演示活動：馬德堡半球的經典實驗和雞蛋進奶瓶的小實驗。

2.2.1 重現經典實驗，身臨其境感受 “氣壓”傳統經典實驗滲透著科學家的思維和探究過程，引導學生在體驗科學家對問題的認識和探索的過程中，逐漸構建概念。利用物理學實驗用具馬德堡半球模型，指導學生演示實驗模型，真實還原經典的實驗過程，使學生身臨其境地感受實驗，感受科學家探究歷程，形成自然界存在氣壓這個事實，體會科學家的探索精神和用事實說話的科學態度。

2.2.2 創新小實驗直觀呈現概念 簡單有趣的小實驗，能有效降低概念的難度，幫助學生直觀化地形成、理解較抽象的概念。例如探究氣體流動的方向，學生演示“雞蛋進奶瓶的實驗”：在奶瓶中放置燃燒的紙條，然后將去皮的熟雞蛋迅速放在瓶口，雞蛋進入瓶內。通過雞蛋的運動狀態，直觀地呈現氣體從氣壓高“流向”氣壓低的事實，將抽象的事物具體形象化，用物理學概念解釋生命現象，為后續概念的學習提供支撐，優化了學生構建概念的過程。

2.3 模擬實驗促進概念遞進式形成 模擬實驗是通過模擬物質組成、實驗模型、實驗原理、生命現象、生命活動的一種實驗方式，教師內化生命現象、原理和過程，利用身邊易獲得、簡單易操作的實驗用具的發生作用原理，體現生命活動發生的原理，從現象到本質，從直觀到抽象遞進式構建概念。

2.3.1 模擬小實驗深化概念認識 為幫助學生構建氣壓與容積間關系的概念，在前2個演示實驗的基礎上，教師設計了注射器模擬小實驗，通過系列問題串的驅動和實驗體驗，學生順其自然認識到氣壓與容積間的關系，自我構建概念表象，通過討論交流達成共識（表1）。前一個實驗為下一個實驗做鋪墊，層層遞進地完成“氣壓→氣體流動方向→容積大小與氣壓的關系”物理學概念的傳遞，深化對呼吸原理的認識。2.3.2 模型模擬強化概念的形成過程 直觀形象的教具、模型可以變抽象為具體，豐富學生的感性認識，從立體模型的角度，讓學生進行概念的探索和發現，讓“死”的概念“活”起來。

表1 “注射器”模擬實驗與概念構建

教師指導學生小組合作自制膈肌模型，進行模擬實驗。利用塑料瓶模擬胸廓，Y形管模擬氣管和支氣管，2個小氣球模擬肺，底部橡皮膜模擬膈（圖2）。人體中，肋間肌和膈肌能有節律地收縮與舒張，引起胸廓有節律地擴大和縮小。本實驗通過下拉、上推橡皮膜，模擬膈肌的收縮和舒張。在拼插、組裝模型的過程中，學生鞏固已有呼吸系統結構的概念，在下拉與放松、上推與放松橡皮膜的實驗過程中，直觀感受橡皮膜——膈肌收縮和舒張時，胸廓容積在縱向（上下徑）的變化，以及小氣球體積的變化，實現呼吸運動的生物學事實，搭建了理解膈肌、胸廓、與肺內外氣壓差之間關系的梯子，促進構建膈肌變化與呼吸運動關系的重要概念，實現概念的遞進式發展。

圖2 自制裝置模擬膈肌收縮舒張與呼吸運動的關系

表2 膈肌模型模擬與概念構建

實驗導學的系列活動具有關聯性，前一個實驗的下位概念，為下一個實驗做理論基礎和鋪墊，每個實驗產生的概念又層層遞進地完成氣壓→氣體流動方向→容積與氣壓間關系的概念原理，為后續重要概念形成提供理論基礎。再通過模擬和體驗活動，從橫縱2個方面對呼吸運動進行概括，形成呼吸運動過程的重要概念（表2）。通過系列逐漸深入有聯系的實驗獲得若干概念，分析概念間的關系，深化認識，螺旋上升式構建重要概念。

3 實驗活動促進概念模型的構建

概念模型是以流程圖的形式對事物的活動規律、機理和過程進行描述，包含中心概念、內涵和外延3個要素［8］。實驗中，引導學生觀察實驗現象，引發對實驗現象的思考，通過不斷設疑求證，歸納形成若干一般概念之后，通過歸納分析整合成完整的概念體系［9］，最后概括形成概念模型，利于整體認識理解重要概念。

圖3 “綠色植物與生物圈的水循環”概念模型

例如，學習“綠色植物與生物圈的水循環”時，教師引導學生完成植物蒸騰實驗，將實驗結論整合構建下位概念模型，形成“葉是蒸騰作用的部位”的下位概念。根據下位概念設疑：葉上有何結構可以蒸發水蒸氣？通過“氣孔數目實驗”證實葉上有氣孔，不同綠色植物上、下表皮氣孔數目不同的概念，繼續設疑引出觀察葉的結構實驗，形成葉片基本結構的認識，再將概念繼續延伸到水分在植物體內的運輸和吸收，形成多個有聯系不斷深入的下位概念，最后通過分析綜合、高度概括各下位概念間的聯系，構建全面、清晰的“植物參與生物圈水循環”的重要概念模型（圖3）。

總之，依托實驗活動構建重要概念，重在關注學生對概念的產生和傳遞過程，為學生主動參與學習提供更多可能，或修正完善前概念，或直觀化呈現概念，形成概念的表象，或轉化應用概念，構建概念模型，優化了整個概念的構建過程，實驗活動為學生搭建生成概念的梯子，真正意義地實現概念的學習。