培育高中生科學探究素養的有效策略

王瓊輝

摘 要：科學探究素養，是普通高中生物學科核心素養的重要內容之一。高中生物教師可以積極引導高中生重溫科學探究的歷程，運用科學史實材料，參與實驗探究過程，開展研究性學習，從而培育高中生的科學探究素養，促進高中生核心素養的提升和身心素質的發展。

關鍵詞：生物學科核心素養;科學探究;教學策略

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 收稿日期：2020-04-26 文章編號：1674-120X（2020）27-0088-03

一、引言

《普通高中學科課程標準（2017版）》頒布以來，培育學生的學科核心素養，便成了高中教育教學改革關注的焦點，反映了高中教育落實立德樹人的根本任務、促進核心素養落地的發展走向。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》是高中生物教師的教學指南，教師在教學過程中要始終圍繞培育學生生物學科核心素養這一基本主題。普通高中生物學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個方面，是學生在生物學科學習過程中形成的價值觀念、必備品格和關鍵能力。

根據《普通高中生物學課程標準（2017年版）》對“科學探究”內涵的表述，“科學探究”素養是指學生能夠自主發現周圍現實生活中的有關生物學問題，然后針對所發現的生物學現象進行觀察、分析，并設計實驗方案，根據方案進行實驗，對實驗所產生的結果進行交流、分析、討論，從而形成相關的能力。學生在探究過程中，會對自然現象產生強烈的好奇心，進而不斷增強求知欲，掌握這一學科科學探究的基本方式、方法，提高自己在觀察、想象、比較、分析、綜合等方面的實踐能力并培養團隊合作、求異創新的精神。筆者在近年的高中生物教學中，非常重視培育學生的生物學科科學探究精神、素養與能力，形成了以下有效教學策略。

二、重溫科學探究歷程，感悟科學探究的真諦

科學探究，它能幫助人們獲取相關的科學知識，從而認識世界、改造世界。科學是一個探究的過程，這是自然科學的本質和特點之一。生物科學史可以再現生物科學發展過程中一些生物科學家的事跡，以及對某些生物學現象的探究過程，蘊含了豐富的育人價值。讓學生沿著科學家的邏輯思維路線，經歷“發現—探究”的過程，感悟科學探究的真諦，不僅可以讓學生認識到科學探究的價值，習得科學探究的方法與技能，逐漸養成科學精神，形成科學態度，而且可以幫助學生理解這一學科的相關概念，形成生命觀念，培育人文情懷。

以高中生物“生物膜的流動鑲嵌模型”這節課堂教學為例。本節課中，學生圍繞構建生物膜結構的兩個關鍵問題“探索生物膜的組成成分”和“探索各組成成分之間的關系”開展學習，沿著科學家“對生物膜結構的探索歷程”，以“提出研究的問題—提供證據（呈現科學史相關實驗）—分析證據—構建假說或模型”為主線來進行學習。學生沿著科學家探究的足跡，一步一步構建出流動鑲嵌模型，習得建模方法，即學生根據自己觀察到的相關現象，運用自己已有的生物學知識，從而提出能夠解釋生物學科某一問題的假說，或建構某種模型，然后通過觀察、實驗，對自己提出的假說或模型進行驗證，并不斷進行修正和補充。一種假說的提出，是建立在觀察和實驗的基礎之上，它需要科學的推理和大膽的想象才能完成。之后，又要通過一系列的觀察和實驗，對假說進行進一步的驗證，并且在反復實驗中，不斷加以完善。一種模型最后能不能被大家普遍接受，取決于這一模型設計方案中的預期結果能否與以后通過一系列的觀察、分析而得出的實驗結果相吻合，是否能夠比較完美地解釋這一學科的相關現象。學生可能會認識到流動鑲嵌模型不會像想象中那樣完美無缺，因而，隨著實驗技術水平的不斷提高和實驗的不斷創新，對膜進行更加深入、細致的研究，進一步提高對膜的結構的認識，更加完整地解釋生物膜的各種功能，從而不斷地完善流動鑲嵌模型。學生通過上述學習與實驗，可以獲得這樣的感悟：科學從本質上來說，它就是一個在不斷自我更正的機制上不斷累積、不斷完善的過程。現有的科學知識就是當時人們在認識、理解自然界時的最優解釋。學生也體會到科學研究是一個艱辛的歷程，科學研究需要付出巨大的腦力與體力，還需要有嚴謹求實、批判質疑以及實踐創新等情感意志品質。

學生通過對生物科學史中一個又一個科學實驗的回顧與分析，可以加深對生物學科核心概念的理解和運用，不斷完善自身的生物學科認知結構，科學探究能力日益增強。

三、運用科學史實材料，培養科學探究的精神

在科學探究過程中，一項歷史性的發現或者規律的總結都是許多位科學家前仆后繼的研究成果。建構主義學習理論認為，學生的學習過程實質上與科學家的創造性發現過程相似。因此，學生學習科學知識的過程，實質上就是一個對科學知識的發現、認識和梳理的過程。筆者在進行高中生物教學時，常常會創造性地運用一些科學史實材料，讓學生模擬科學探究，重走科學探究之路，從而培養了學生的科學探究精神，提升了學生的科學探究素養。

在教學“植物生長素的發現”一節時，筆者用放在窗臺上和室外的兩盆玉米胚芽作實物展示，學生通過觀察發現了放在窗臺上的玉米胚芽生長表現出明顯的向光性，自然地產生了“為什么會出現向光性”的疑問，于是展開了對植物向光性原因的合作探究。具體教學過程設計如下：

【過程1】角色扮演

教師呈現達爾文的向光性原因探究實驗示意圖，讓學生進行角色扮演，即假如你是達爾文，請回答以下問題：

①你的科學假說是什么？

②你在實驗過程中，為什么選擇金絲雀草作為實驗材料？怎樣創設單側光環境？用什么材料遮蓋尖端或尖端下部？

③請你描述你所觀察到的實驗現象和推導的實驗結論。

④基于你發現的事實，你又做了怎樣的科學推測？通過閱讀教材，思考與討論，展示與評價，達到能“說出達爾文對植物生長素的發現的貢獻，復述科學探究的基本程序”的教學目標。

【過程2】合作探究

達爾文發現植物的向光性與尖端有關，尖端是感光部位。達爾文根據實驗提出，胚芽鞘的尖端在感受到單側光的刺激后，會對下面的伸長區產生某種作用和影響，這種作用和影響的結果是伸長區的背光面比向光面生長得更快一些，這就會造成胚芽鞘出現一種向光性彎曲的現象。這個推測，需要科學實驗進行證明，才能知道其真偽，以此引發了學生主動探究的欲望。經過引導分析，不難發現達爾文的推測中需要證明的問題主要有兩個。

問題1：胚芽鞘的尖端感受單側光刺激后產生的這種 “影響”究竟是什么？

問題2：胚芽鞘的尖端感受單側光刺激后產生的這種 “影響”傳到下部，為什么使下部兩側生長不均勻？

要求學生針對上述兩個問題，在閱讀教材并思考的基礎上，提出假設，設計驗證實驗方案并預測實驗結果（用實驗圖示呈現實驗方案和預期結果），組內交流與討論，最后展示學習成果。這樣，讓每個學生模擬科學探究的過程，而不是簡單地就科學實驗結果進行分析，不僅能讓學生知道鮑森·詹森、拜耳、溫特等科學家對“植物生長素的發現”的貢獻，而且能通過這樣的變式遷移，提升學生的科學探究能力。

【過程3】你說我聽

隨著科學研究的不斷深入，植物向光性原因的謎題被破解，引導學生總結：從1880年達爾文對植物向光性的研究開始，到1946年從植物體中分離出生長素，這個科學發現的歷程給了你什么啟示？請你根據這些科學發現，解釋植物向光性產生的原因。學生探究發現：對植物生長素的發現過程，就是一個不斷觀察、不斷假設、不斷實驗、尋找證據的過程，每位科學家的一小步，成就了科學前進的一大步！教師提供關于植物向光性原因的另一種實驗證據和解釋，并告訴他們有關植物向光性原因的探究還在繼續，讓學生體會到科學往往就是在這樣的爭議中不斷發展。

四、置身實驗問題情境， 參與科學探究的過程

生物學是一門實驗科學，高中生物教材中的生物學實驗為學生科學探究提供了很好的素材。但如果只按照教材的順序讓學生操作實驗、觀察實驗現象、得出實驗結論，就降低了探究的價值。因此，教師在教學中要圍繞某個實驗，創設問題情境，讓學生發現自己感興趣的問題，自己設計實驗并完成實驗。學生在實驗中參與科學探究過程，進行深度思考和學習體驗，將不斷提升自己的科學探究素養。

以人教版必修1第5章第1節 “影響酶活性的條件（溫度）” 的探究活動為例。

【實驗課前】向學生提出生活中常見的兩種現象。第一，加酶洗衣粉的包裝袋上的用法說明，“使用溫水效果最佳，切勿用60℃以上的水”;第二，“人發燒時食欲不振”。要求學生選擇一個自己感興趣的現象，提出要探究的問題，作出假說，設計實驗方案，準備下一節生物實驗課自己親自動手實驗來驗證。這兩種現象的提出，都利用了學生的生活經驗，創設了真實的探究情境，學生很有興趣去聯想探索。經過認真分析，學生不難發現，這些現象都是因為酶的活性與溫度有關而產生的，如食物的消化跟酶的活性有關，而高溫使體內酶（包括消化酶）活性降低，消化能力減弱，所以食欲不振。這樣，大多數學生提出的實驗探究的問題是“酶的活性受溫度的影響”，也有學生提出“探究加酶洗衣粉中酶的最適宜溫度”，學生據此完成了自己的實驗設計方案。

【實驗課中】首先，組織學生對各自獨立設計的實驗方案分組進行討論和比較。學生的設計思路集中在以下2種：

方案1：設置低、中、高三個不同溫度，探究酶的活性受溫度的影響。

方案2：設置一系列溫度梯度來探究酶的最適溫度。

教師告知學生需要準備的材料、器具，可讓學生以小組為單位自主設計實驗方案和步驟，并將小組方案在全班進行交流、討論。在研討實驗方案、步驟的過程中，教師可以讓學生從控制單因子變量、控制無關變量（如加酶洗衣粉應該是同一袋，用量通過天平稱量來控制，洗滌材料和污染程度保持一致性，可以通過滴加在固定大小的新白紗布上的同種污染物的量來控制，使用大燒杯和固定的水量等）、重復實驗等方面進行評價，幫助學生完善實驗設計方案。

最后，組織學生分組進行實驗。在實驗操作過程中，為了有效利用課堂時間，同一方案，全班分3個組進行平行重復實驗，教師監督并指導學生進行實驗操作，將實驗結果做好記錄，最后讓學生展示并交流實驗結果。在這一過程中，培養了學生科學觀察和描述實驗現象的能力，實現了學生間的合作學習。

【實驗課后】在實驗過程中，有些學生并沒有看到預期的實驗結果，也有些學生會對自己的研究問題的意義和價值產生懷疑，而受時間和條件的限制，所有問題不可能在一節實驗課完全得到解決，教師可以讓學生課后查閱資料，討論與分析。如本堂實驗課，學生在用實驗室提供的淀粉酶（來自植物體內的a淀粉酶）探究溫度對酶活性的影響的實驗過程中，發現了兩個問題。

問題1：為什么淀粉酶在60℃左右的溫度下活性最高？用碘檢驗實驗結果時，發現溫度為100℃的實驗組也不顯藍，還有的組發現溫度為0℃的實驗組也不顯藍色。

問題2：為什么生產廠家只提示“使用溫水效果最佳，切勿用60℃以上的水”？

針對這兩個問題，課后學生通過查閱資料進一步探究。學生通過查閱資料發現，所謂“最適溫度”并不是酶的特征物理常數，而是受多種因素影響的綜合結果。溫度越高催化反應速率越快，但隨著溫度的升高，酶逐漸變性，活性酶濃度降低自然抵消了升溫的效果，導致反應速率下降。而酶的空間結構的熱穩定性決定了最適溫度的大致范圍，植物體內的a淀粉酶熱穩定性略高。整個教學過程，能幫助學生認識、理解酶的空間結構、最適溫度、催化本質等相關概念。學生在學習的過程中能夠充分認識到，在最適宜的溫度條件下，自然界中的酶也并不一定會發揮催化的作用，而高溫條件下，通常會伴隨著植物水分的蒸發，對植物的生長是不利的，有時甚至對植物來說是致命的。

在實驗教學中，教師將書本知識帶進特定的實驗情境中，激發了學生科學探究的興趣和欲望，通過實驗設計、分析與論證、動手實驗、分享與評價實驗結果，強化了學生的科學思維，提升了科學探究的能力，培養了學生團結協作的意識和勇于探索的精神。

五、開展研究性學習，提升科學探究的能力

研究性學習過程一般包括選題，制訂和實施計劃，成果總結和匯報等幾個階段。將高中生物教材中的“科技前沿”“思維拓展”“拓展題”“技能應用”“與生活的聯系”“與社會的聯系”作為選題，開展研究性學習，可以提升學生的認知水平，培養學生的科學探究能力，豐富學生的情感體驗。老師通過對研究性學習的成果總結、展示和交流這一階段的指導，提升了學生科學表達與交流的能力。

有學生選擇的研究性學習課題來自必修1第5章第1節的“課后練習—拓展題”第一題：“給你一份某種酶的晶體，你能設計實驗鑒定它是不是蛋白質嗎？請簡略寫出實驗步驟。想一想，在薩拉姆之前，為什么很難鑒定酶的本質？”學生可以運用蛋白質與雙縮脲試劑產生紫色反應來鑒定它，或利用高溫能使蛋白質變性而失活的原理來檢驗，學生在實驗室自主完成此實驗，得出結論。需要教師的指導主要是以下兩個方面：

一是指導研究性學習報告的撰寫，提升學生的科學表達能力。教師提供以往優秀研究性學習的論文范例，讓學生學習，同時也要求學生通過查找資料，研究什么是論文、如何寫論文;指導學生將已經收集到的資料進行鑒別取舍和整理，擬定寫作提綱，撰寫論文。其質量高低不僅取決于“研究性學習”活動本身的質量，也取決于學生的綜合分析能力、學科知識基礎和寫作能力。教師提出了研究性學習論文的兩點要求：①要有自己的認識和見解，切忌人云亦云;②保持實事求是的科學態度，不能弄虛作假、編造數據。

二是指導研究性學習的成果展示，提升學生科學表達與交流的能力。成果展示是研究性學習后期的重要組成部分，可以鍛煉學生的表達能力、思維能力，也可以讓學生收獲成功的喜悅，并給學生的相互學習和交流提供平臺。成果展示的方式多種多樣，如分析報告、成果展板、墻報、論文答辯等，教師應根據學生的實際情況，指導其以合適方式展示與交流研究性學習成果。

六、結語

高中生物教學要用核心素養理念做指導，教師要用心利用好各種教學資源，創造合適的教學情境，讓學生積極、主動地參與到科學探究的過程中去，觀察生命的各種現象，探究生命的本質，從而使學生在頭腦中建構生物學科的各種概念，形成探究生物世界的積極態度，培養對生命科學的探究興趣與能力，發展科學探究的綜合素養。

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