對比中美高中生物實驗，探究理性思維

張惠惠+韋艷艷

摘 要 以我國人教版普通高中課程標準實驗教科書生物《必修1·分子與細胞》和美國高中主流理科教材《生物·生命的動力》（《Biology.The Dynamics of Life》）中“溫度對酶促反應的影響”實驗為載體，對其知識內容進行分析研究，提出有助于發展學生理性思維的幾點教學建議，為一線教師和學生提供幫助。

關鍵詞 中美教材 理性思維 溫度對酶促反應的影響

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

2014年4月，教育部頒布的《關于全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務的意見》（以下簡稱《意見》）要求教師培養學生的核心素養。生物學科核心素養主要包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任四個方面的內容。其中，理性思維占有很大比重。然而實驗是培養學生理性思維的重要手段，實驗探究的過程就是培養學生理性思維能力的過程。所以，筆者以“溫度對酶促反應的影響”這一實驗為載體，通過對比分析，提出能夠發展學生理性思維的幾點建議。

1 對理性思維的解讀

理性思維是指基于事實和證據，以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，能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。理性思維的具體體現為：在教材中設置一些有爭議的問題，讓學生在爭議中發展自己的“理性思維”；以邏輯為指引進行實驗設計和分析，讓學生在實踐中鍛煉自己的“理性思維”；在課后習題中設置開放性的問題，讓學生在練習中培養自己的“理性思維”。在生物實驗中，理性思維體現為：能夠根據之前所掌握的相關科學知識，提出合理的問題與假設，然后進行演繹與推理，驗證假設，得出結論，并通過構建生物模型幫助學生理解相關知識。

2 中美教材中“溫度對酶促反應的影響”實驗的比較

生物學是一門自然科學課程，實驗在其中占有很大的比重。本研究對比了美國高中主流理科教材《生物·生命的動力》（Biology.The Dynamics of Life）中“溫度對酶促反應的影響”這一實驗。在中美高中生物教材中都是要求學生必須掌握的重點實驗，而且，都要求學生根據所給出的實驗材料和儀器，自行設計實驗，最后進行結果分析。

2.1 實驗準備階段的比較

美國教材起始設有實驗前討論，接下來實驗準備階段包括6個欄目，分別為問題、作出假設、目標、實驗器材、安全警示和技能手冊。其中教材直接提出了3個問題；然后讓學生根據問題作出假設；并設有明確的實驗目標；給出了實驗材料（5 mm厚的土豆片、質量分數為3%的過氧化氫溶液）和實驗器材；另外，還有安全警示和技能手冊欄目。

中國人教版教材首先插入“加酶洗衣粉使用時需要適宜的溫度氛圍”這一實例，從而引發學生思索，提出本實驗需要探討的問題；接著小組內學生交流想探討的問題，討論這些問題是否有探究價值，將問題用文字表述出來，并簡要說明與該問題有關的背景知識；其后，針對提出的問題作出假設，并說明作出假設的依據（酶一般是蛋白質，蛋白質的結構和性質你已經了解），將所作假設記錄下來；最后，列出實驗中可能用到的材料用具，根據實驗方案自行刪減。

通過對比分析兩本教材發現，相比人教版教材，美國教材增設有實驗目標、安全警示和技能手冊欄目。實驗目標的提出，使學生能夠把控整個實驗的目的，有助于學生制定更合理的實驗方案。相比美國教材直接給出實驗問題，人教版教材是通過“加酶洗衣粉使用時需要適宜的溫度氛圍”這一實例，引發學生思考、提出問題，有助于學生的邏輯思維能力和提出問題能力，從而發展學生的理性思維素養；針對所提出的問題，要求小組討論，作出假設，有助于培養學生的合作學習能力和質疑能力。

2.2 實驗設計階段的比較

美國教材的實驗設計根據實驗假設進行選材，列出具體的實驗步驟；另外，設有修正方案，與其他小組同學討論，確定最終的實驗方案；進行實驗操作；實驗后清潔與整理。

人教版的實驗設計，起初設置了多個問題：本實驗的自變量和因變量分別是什么？對照組如何設置？是否需要進行重復試驗要求學生根據假設作出預期的實驗結果；然后小組討論，確定實驗方案，并設計好數據記錄表；最后進行實驗操作。

通過對比得知，這兩本教材實驗設計的側重點不同。美國教材更加注重實驗操作中的細節；而人教版教材更加關注生物實驗設計的基本要素，如設置自變量、因變量和對照組以及進行重復實驗等。人教版教材的編排不僅助于學生設計掌握某個具體的實驗，更能幫助學生歸納概括出設計探究性實驗的方法，培養學生自主學習能力和設計實驗的邏輯思維能力。

2.3 結果分析與討論的比較

美國教材結果分析與討論有五個步驟：描述實驗結果；檢驗實驗數據是否支持之前提出的假說；分析實驗數據；因果推斷，解釋用過氧化氫作為消毒劑處理傷口，為什么傷口處會起泡；分析哪些因素會給實驗結果帶來誤差。另外，教材穿插有運用技能欄目；通過改變變量，進一步實驗，檢測其他物體中是否存在過氧化物酶，達到舉一反三的目的；而且，提供了網頁鏈接，幫助學生拓展知識。

人教版中結果分析與討論有分析結果、結論和應用表達和交流三個步驟。另外，設有進一步探究欄目，學生可以設計定量實驗，根據實驗數據繪制不同條件下酶活性的曲線圖。

兩國教材都增設有拓展實驗，學生能夠進一步學習相關知識和技能。相比人教版教材，美國教材回歸生活實際，提問過氧化氫作為消毒劑處理傷口后起泡的原因，讓學生運用所學到的生物學知識解釋生活中的現象，培養學生解決實際問題的思維習慣和能力；并通過分析實驗誤差，使學生質疑實驗操作中的不足，從而促使學生找到較少誤差的改進方法，培養學生嚴謹的求知態度。人教版教材中最后有進一步探究欄目，學生可以自行設計定量實驗，根據實驗數據繪制不同條件下酶活性的曲線圖，巧妙構建數學模型，建立起學科間的聯系，并能夠通過曲線圖形象地解釋溫度與酶活性的關系。

3 教學中培養學生理性思維素養的建議

3.1 以“學生”為主，培養其自主學習能力

《普通高中生物課程標準》提出引導學生主動學習的課程理念。過去，應試教育一直是我國的主要教育方式，但是當今知識爆炸時代，應試教育的弊端愈發顯著。教育改革力圖促進學生學習方式的改變。教師在教學中的地位也發生了改變，教師不再是學生學習的主導者，而在教學中起引導和促進作用，只有學生才是學習的主體。在教學中，教師應該“用教材教，而非教教材”。例如，在“溫度對酶促反應的影響”實驗中，教師應充分利用教材穿插的生活實例，引導學生提出實驗需要探究的問題，進而設計實驗。這不僅使學生更準確的理解實驗，還能培養學生自主學習和發現問題的能力。

3.2 教給學生一套思維的方法，而不僅是一個知識點

“授人以魚，不如授人以漁”。學習知識固然重要，但是學會學習的方法更是可貴。在“溫度對酶促反應的影響”這一實驗的實驗設計階段，教師要引導學生回憶探究性實驗的基本要素設置自變量、因變量和對照組以及進行重復實驗等，歸納概括出實驗設計的一般方法。那么，學生不僅學會設計這一個實驗，更學會了設計這一類型的實驗。培養一套嚴謹的邏輯思維方法對于發展學生的理性思維至關重要。

3.3 注重學科間知識滲透，巧妙構建生物模型

科學發展的歷史告訴我們，沒有學科間的相互滲透就沒有科學。當然，生物學科與其他學科之間是相互滲透、相互聯系的。例如，在“溫度對酶促反應的影響”這一實驗的進一步探究中，構建了數學模型，根據實驗數據繪制出不同條件下酶活性的曲線圖，建立數學與生物學科間的聯系。生物學科有三大模型：物理模型、數學模型和概念模型。基于生物學知識運用模型與建模等方法，探討、解釋生物現象及規律是理性思維的重要方法。

理性思維是生物學科核心素養的重要內容。對于發展學生的理性思維，筆者在教學中，首先，教師要中以學生為主體，引導學生自主學習；注重對學生學習方法的傳授，而不單單局限于具體知識的教學，注重學科間知識滲透，巧妙構建生物模型。

參考文獻：

[1] 徐達.學科核心素養視角看美國高中生物主流教材——以“免疫系統”為例[J].中學生物學，2016，32（3）：63-64.

[2] 劉次全.學科間的相互滲透和未來生物學[J].生物科學信息，1991，（2）：39-40.