例談生物學核心素養中“科學探究”素養的培育

關鍵詞：科學探究? 認識誤區? 培育? 策略

“科學探究”是高中生物新課標中明確的生物學四大核心素養之一。“科學探究”素養是指學生能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論。在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新[1]。學生“科學探究”素養的培育要求教師在日常的教學工作中，通過學生探究能力的發展，培養學生的觀察能力、提出問題的能力、制訂并實施方案的能力、獲取證據或數據的能力以及表達和交流的能力。學生僅僅簡單地學習諸如“假設”“推論”這樣的術語或者記憶諸如“科學方法的步驟”這樣的過程，是不可能真正理解“探究”本質的，也不可能培養學生的科學精神和科學思維品質。正如朱正威先生曾經說過，最好的媒體技術也不應替代實際的觀察和操作[2]。

一、對科學探究和操作活動認識的誤區

1.科學探究的“程序化”

一提起科學探究，就想到“提出問題、作出假設、根據假設進行實驗設計、進行實驗、分析結果得出結論、表達和交流、進一步探究”這樣一系列的程序化的操作，似乎任何科學探究都要遵循這樣的程序進行。其實這是對科學探究“教條化”的理解，探究教學等同于傳授和套用步驟，抽取出來讓學生“自主探究”的往往是最無須思考的部分，如執行教師設計好的探究方案、收集數據后全班匯報分享等等。沒有什么比要求學生記憶并遵循一套一成不變的步驟來理解自然現象離科學更遠的了！

2.科學探究的“實驗化”

談及科學探究，往往就認為要經過動手實驗的活動才能稱為科學探究。事實上，科學探究的目的之一是培養科學思考能力，幫助學生自發地運用科學證據和推理，不斷發展自己的科學思維能力。因此，科學探究活動的重點不是讓學生執行程序化的步驟和得出確切的實驗結論，而是研究學生的想法是如何形成和發展的、推理的過程是否合理、哪些現有證據可支持這個想法、進一步檢驗這個想法還需要尋找出哪些證據，等等。學生在反復經歷這樣的思考過程中，學會用證據和推理說話[3]。

美國《科學探究與國家科學教育標準》給出了關于探究性學習的五個特征[4]：

（1）學習者圍繞科學性問題展開探究活動。

（2）學習者要優先考慮證據，證據可以幫助他們解釋科學性問題并予以評價。

（3）學習者要從證據中提煉出解釋，對科學性問題作出回答。

（4）學習者通過比較其他可能的解釋特別是那些體現出科學性理解的解釋來評價自己的解釋。

（5）學習者要交流和論證他們所提出的解釋。

上述提出的五個特征與生物新課程標準中提出的科學探究的本質是不謀而合的。同時也說明我們可以設計好實驗來幫助學生了解科學探究的性質，但應該少些呆板的、照方抓藥式的實驗，即使是教材中的驗證性實驗也可以融入探究成分，以發展學生的科學思維與探究能力。學生參與了適宜的、循序漸進的探究活動，未來當他們離開學校時，所形成的科學探究思維和方法就可以應用于日常生活。

二、“科學探究”素養培育的策略

1.學會提出有價值的科學問題走進探究

問題是探究的起點，但并不是所有問題都值得或適合中學生去探究。引導學生學會提出有價值的科學問題是培育“科學探究”素養的第一步。

例如在進行必修一教材中“探究植物細胞吸水與失水”實驗時，教師在展示生活中有關植物細胞吸水與失水的現象時，可以向學生提出：面對這些現象，你能夠提出哪些值得我們探究的問題？在具體的教學活動中，我們發現，就這個現象學生會提出許多問題，比如：①植物細胞能夠吸水與失水嗎？②植物細胞為什么能夠吸水與失水？③植物細胞吸水與失水的原理是什么？④植物細胞吸水與失水的原理與動物細胞一致嗎？⑤植物細胞在吸水與失水時發生的現象與動物細胞一樣嗎？⑥植物細胞吸水與失水要通過哪些結構？等等。結合學生所提的問題，教師應該引導學生明確什么是有探究價值的問題。

有探究價值的問題的第一個特點是，提出的問題為一個科學問題。對上述學生提出的問題，我們首先判斷能否運用已有知識和經驗進行解答，如果可以，就無須經過探究解決，如問題①和⑥。

有探究價值的問題的第二個特點是，問題需要明確具體，后面要有一個清晰的研究思路，指向一個明確的答案。如上述問題③④⑤，指向明確。而問題②比較寬泛，研究思路的指向不明確，故舍去。

這樣，借助于具體的案例分析，有助于幫助學生初步領會“什么是科學問題”的含義。在課堂上，教師要善于喚起學生的問題意識，特別是當問題來自學生時，教師要給予適當引導。只有來自學生時有價值的問題才能產生有所收獲的探究活動。

2.充分利用教材現有實驗案例體驗探究

目前教材中提供的探究實驗都是生物學史上一些重要的適合中學生實踐操作的經典實驗。關鍵是在實驗教學中，教師如同中藥依方抓藥一般，借助教材所提供的實驗程序完成實驗，實驗探究還沒開始，學生已經知道了正確的答案，這對學生的好奇心和探索精神的培養無疑是一種扼殺。教育就是要培養學生的好奇心。在某種程度上，探究本身就是一種好奇心驅使的心理傾向，所以，教學中不僅要重視，更要注重滿足學生的好奇心。例如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”實驗中，可以在實驗材料的選取上預留出探究空間，教師除了為學生準備梨、花生、大豆三類典型的實驗材料外，還可以準備面粉、番茄、馬鈴薯、甘蔗汁、食用油等容易獲取的材料為學生自主選擇實驗材料嘗試探究提供可能，另外還可以引導學生思考：生物組織中是否只含有一種物質，比如梨中是否只含有還原糖？有沒有蛋白質？能否用梨來檢測蛋白質？等等。這樣的學習過程，既在一定程度上滿足了學生的好奇心，又注意了書本知識與實際的聯系，讓學生了解生活中的一些常識問題。

充分利用教材中現有的實驗案例，幫助學生體驗探究，不僅有利于利用學習到的生物學原理和概念對探究過程中出現的現象或收集到的證據進行解釋，而且有助于學生通過相互討論和解釋引發新的問題，將實驗證據、已有的生物學知識和他們所提出的解釋緊密聯系起來，最終解決不同觀點中的矛盾，提升了自身的核心素養。例如，在學習“探究酵母菌的呼吸方式”內容時，學生以小組為單位，教師請每個小組結合他們已有的學習，設計探究方案，下面是課堂中的一段對話情景：

師：下面我們來展示各小組的探究設計方案。

組1：我們小組設置了實驗裝置，假設酵母菌在有氧和無氧條件下都可以進行呼吸作用。我們設置了兩個實驗組，自變量是有無氧氣通入，以澄清石灰水是否變渾濁作為最后判定的依據。

組2：我們小組和組1比較接近，不同的是我們在無氧呼吸裝置的酵母菌培養液中增加了植物油密封，保證無氧環境。

生1：我覺得這樣有問題，不符合對照實驗設置的單一變量原則。要么有氧呼吸裝置中也用植物油密封。

組3：我們小組與組1、組2有所不同，無氧呼吸裝置相同，有氧呼吸裝置中我們是將空氣先通入NaOH溶液中，再通入到酵母菌培養液中，以此保證酵母菌的有氧呼吸。

生2：有一個問題，你們怎么保證通入的空氣中沒有CO2呢？

（全體同學安靜）

組4：我們組方案與組3接近，但我們是通過增加一組裝置來解決通入的氣體中是否含有CO2的問題，就是把其中的活酵母改為死酵母。

……

從上面的課堂討論中可以感受到在這個探究實驗中學生思維特別活躍，有些想法已經超出了教師對教材的理解，甚至有對教材的批判與建設。這樣的探究與交流對培養學生的創新思維、合作精神、質疑意識等學科素養的作用是不可估量的。

3.利用生活中的問題研究感受探究

中學生物教學的一個重要目標是要培養學生的生物科學素養，要能夠通過研究過程獲得關于身邊世界的理解。但不可否認的一個事實是：學生不假思索地就能說出“滲透現象”發生條件，口若懸河地解答如何進行生態農業的設計，準確分析出考卷上的某個家庭系譜圖中某個成員可能患有某種遺傳病的概率……但現實的情況是另一種情形：面對一些網上的調查數據（如某地區某種癌癥的發病率）深信不疑，看到某種通過浸泡可以去除農藥殘留的方法不假思索地轉發給其他同學，等等。種種表現與他們接受的科學思維的養成目標相距甚遠，說明了學生科學思維的養成不是僅僅通過課堂的探究學習所能達到的，更重要的一點是我們的許多探究活動是遠離學生生活的。所以我們的科學探究要與學生的日常生活相聯系，這樣通過探究學生才能理解、嘗試解決生產生活中的生物學問題。

例如，高中人教版必修二中“調查人群中的遺傳病”一課，在課堂上討論調查方案時，學生覺得很簡單，首先選定一個單基因控制的發病率高的遺傳病進行調查;其次，設計好調查表;最后，進行調查，統計結果，計算出該遺傳病的發病率。然而，在進一步的論證過程中，學生意識到調查的繁瑣性，他們必須要解決以下一些問題：①選擇何種遺傳病進行調查？是由單基因控制的嗎？在人群中的發病率是多少？通過何種途徑認識所要調查的遺傳病的癥狀？②如何確定一個調查范圍以確保調查結果的可信度？③如何設計一份調查記錄表？④如何進行結果分析以得出相應的結論？在具體進行調查和結果分析時，學生們還遇到了事先沒有考慮到的問題，如在學校調查色盲時，一些學生并不知道自己是否患有色盲。在街頭進行調查時，許多人對常見的一些遺傳病都不知道，而且很多被調查人不愿配合調查他們的隱私。在統計結果分析時發現許多調查結果與相關的文獻資料提供的數據相差甚遠，產生了認知沖突，就會激發學生的學習樂趣，引發學生的好奇心，學生就會進一步地去學習、判斷、探究并嘗試解決出現的問題。

要培養學生的科學探究素養，需要教師通過生活中實際問題的探究來培養學生的科學素養和科學思維，尋找有價值的問題讓學生置身其中進行研究，學生才會在研究中學得科學知識、發展科學思維、形成科學態度，這也是未來公民在創新型社會中生存和參與社會活動應具備的一種綜合能力。

4.根據教學目標選擇合適形式有效探究

美國《科學探究與國家科學教育標準》列舉了學生探究過程的五個基本特征，在平時的教學中很多教師認為，只有包含探究的五個基本特征，并且每一類學生的活動都具有高度的自主性和探索性才能稱得上探究式學習。這樣的看法既不符合科學探究的實際，也不符合學生科學學習的現實。對于中學生而言，科學探究主要發展以下基本能力：觀察能力，提出問題的能力，制訂并實施方案的能力，獲得證據或數據的能力，表達和交流的能力。探究可以就其中的某一部分去展開。

在一個具體的探究中，教師應該根據教學目標進行合理選擇。例如，在“探究植物細胞吸水與失水”實驗中，一個重要的教學目標是讓學生體驗探究活動的完整過程;在學習達爾文的自然選擇學說時，我們希望發展學生對科學探究的理解，因此，讓學生收集有關達爾文自然選擇學說的文獻，通過閱讀達爾文的《物種起源》以及相關的文章，要求學生討論并回答下列問題：是什么引起達爾文對雀類進行調查研究？他的研究與其他科學家的研究有哪些差異和共同點？源于調查研究的科學解釋在邏輯上前后是否一致？達爾文的自然選擇學說的四個要點是否建立在其他實驗發現的基礎上？閱讀與討論后，學生以小組為單位，開展一次關于“探究在科學發展中的作用”的交流。思維的碰撞有助于引發學生的深度思考，激發學生的探究熱情，培養學生科學探究的意識。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版）[S].北京：北京師范大學，2018.

[2] 朱正威.最好的媒體技術也不應替代實際的觀察和操作[J].生物學通報，2011（06）.

[3] 唐小為，丁邦平.“科學探究”緣何變身“科學實踐”[J].教育研究，2012（11）.

[4] 美國國家研究理事會科學數學及技術教育中心.科學探究與國家科學教育標準——教與學的指南[M].羅星凱，等，譯.北京：科學普及出版社，2004.

[作者：張祥（1976-），男，江蘇揚中人，江蘇省揚中市教師發展中心副主任，中學高級教師。]

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