基于科學(xué)史的中學(xué)生物學(xué)元探究教學(xué)——以“酶本質(zhì)的探索”為例

聶曉倩 張 鋒

（1.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福建福州 350108）

（2.福建省普通教育教學(xué)研究室 福建福州 350003）

元探究教學(xué)，即“基于探究的探究”，是對(duì)科學(xué)探究過(guò)程進(jìn)行二次探究的一種教學(xué)方式，旨在幫助學(xué)生自主建立起對(duì)科學(xué)知識(shí)獲得過(guò)程的認(rèn)識(shí)。元探究以學(xué)生為主體，以各類(lèi)研究科學(xué)問(wèn)題的探究活動(dòng)為對(duì)象，通過(guò)確定所要探究的問(wèn)題，探明探究過(guò)程中各個(gè)要素之間的聯(lián)系，從而提高學(xué)生的探究能力，提升科學(xué)素養(yǎng)。下面嘗試運(yùn)用元探究教學(xué)開(kāi)展生物學(xué)科學(xué)史教學(xué)，以2019年人教版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》科學(xué)史“酶本質(zhì)的探索”為例，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究過(guò)程進(jìn)行元探究，以解決探究僵化、形式化問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。

1 基于情境的引入，初識(shí)科學(xué)本質(zhì)

元探究教學(xué)始于確定研究主題，而科學(xué)家研究的主題往往是基于觀察而確定的。與傳統(tǒng)講故事的科學(xué)史教學(xué)相比，通過(guò)真實(shí)情境的引入，學(xué)生能夠親歷科學(xué)家提出問(wèn)題、作出假設(shè)的思維過(guò)程。學(xué)生在觀察生命現(xiàn)象時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：該現(xiàn)象是什么導(dǎo)致的？進(jìn)而初步認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)：科學(xué)發(fā)現(xiàn)始于對(duì)生活的敏銳觀察、對(duì)未知的好奇。元探究教學(xué)具開(kāi)放性，在面對(duì)學(xué)生不同設(shè)想時(shí)，教師應(yīng)給予鼓勵(lì)，引出科學(xué)本質(zhì)：科學(xué)知識(shí)會(huì)受到各種主觀因素和環(huán)境因素的影響。

在教學(xué)中，教師通過(guò)介紹中國(guó)酒文化，以提升國(guó)家認(rèn)同感，并為各組提供正常的和變酸的葡萄酒，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行感官評(píng)定。學(xué)生自發(fā)提出問(wèn)題：酒為什么會(huì)變酸？糖類(lèi)是怎么變成酒精的？并作出假設(shè)：存在某種微生物進(jìn)行生命運(yùn)動(dòng)、存在某種物質(zhì)以及自然變化等。于是，教師基于問(wèn)題，引出本次元探究主題：酶的本質(zhì)是什么?如何確定未知物質(zhì)的本質(zhì)?

2 基于材料的元探究，體會(huì)科學(xué)本質(zhì)

本階段由整體初步探究到分維度探究，各環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生深度思考，逐步構(gòu)建科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程，體會(huì)科學(xué)本質(zhì)，最終形成重要概念。

2.1 確定素材

科學(xué)史素材豐富，但并不都適于元探究。教師所選科學(xué)史需包含科學(xué)家的科學(xué)探究過(guò)程，并突出體現(xiàn)科學(xué)家的思維，以有效促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維。在教學(xué)中，教師以教材為主，補(bǔ)充相關(guān)科學(xué)史料，確定元探究素材。同時(shí)，教師補(bǔ)充巴斯德的顯微鏡觀察結(jié)果，能更好地激發(fā)學(xué)生的求異思維，使學(xué)生體會(huì)巴斯德的創(chuàng)新思維。補(bǔ)充素材為：1857年，巴斯德利用顯微鏡進(jìn)行觀察，在發(fā)酵液中發(fā)現(xiàn)活酵母菌正在繁殖；發(fā)酵成功的葡萄酒內(nèi)發(fā)現(xiàn)球形酵母菌；發(fā)酵失敗的葡萄酒里發(fā)現(xiàn)醋酸桿菌。

2.2 確定探究要素

確定探究要素是元探究教學(xué)的關(guān)鍵，教師可從研究的問(wèn)題、收集的證據(jù)、證據(jù)的解釋、技術(shù)應(yīng)用、得到的結(jié)論等探究要素入手，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行初步探究。此外，不是每個(gè)探究過(guò)程都包含所有探究要素，不同的探究過(guò)程應(yīng)從不同要素進(jìn)行元探究，各要素所關(guān)注的重點(diǎn)也有所側(cè)重。在教學(xué)中，教師講授科學(xué)史后，根據(jù)表格提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中值得關(guān)注的問(wèn)題，表1呈現(xiàn)了元探究結(jié)果。

表1 科學(xué)家對(duì)酶本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過(guò)程

2.3 多維探究以解決問(wèn)題

從科學(xué)探究的一般步驟出發(fā)，進(jìn)行元探究維度的劃分。不同的科學(xué)史素材著重分析的維度不同，可側(cè)重其中某一科學(xué)探究技能的教學(xué)。在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，各科學(xué)探究技能貫穿始終，不能單一看待。問(wèn)題的不斷發(fā)生與解決，有賴(lài)于分析、比較等思維邏輯方法，歸納推理、類(lèi)比推理等邏輯思維形式，更離不開(kāi)直覺(jué)、想象、靈感、頓悟等非邏輯思維形式。教師在本環(huán)節(jié)需提供多個(gè)維度，引導(dǎo)學(xué)生圍繞不同維度思考并感受科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生過(guò)程，形成發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的科學(xué)思維。下面以研究問(wèn)題及得出結(jié)論維度為例。

2.3.1 研究問(wèn)題維度

科學(xué)探究始于提出一個(gè)有價(jià)值的問(wèn)題，其后各步驟均圍繞此問(wèn)題開(kāi)展，故明晰科學(xué)家所探究的問(wèn)題是關(guān)鍵。表2提供了學(xué)生圍繞研究問(wèn)題維度從三個(gè)元探究問(wèn)題：研究的問(wèn)題、問(wèn)題的來(lái)源、提出的假說(shuō)對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行深入探究。

表2 元探究問(wèn)題下的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程——研究問(wèn)題維度

2.3.2 得出結(jié)論維度

得出結(jié)論需要學(xué)生深入探尋證據(jù)與結(jié)論間的關(guān)系，分清事實(shí)、觀點(diǎn)與結(jié)論，而非僅僅停留于得出的知識(shí)點(diǎn)結(jié)論，重在得出結(jié)論過(guò)程中的思維方法。表3呈現(xiàn)了學(xué)生從結(jié)論來(lái)源、證據(jù)是否需要進(jìn)一步處理、原因及結(jié)論與證據(jù)的一致性4個(gè)元探究問(wèn)題入手的元探究結(jié)果。

表3 元探究問(wèn)題下的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程——得出結(jié)論維度

2.4 討論總結(jié)

各組學(xué)生總結(jié)科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的特點(diǎn)，并舉例說(shuō)明，深入體會(huì)科學(xué)本質(zhì)。例如：科學(xué)會(huì)受到社會(huì)和文化的影響，當(dāng)發(fā)現(xiàn)客觀事實(shí)與已有觀念存在矛盾時(shí)，應(yīng)敢于質(zhì)疑，提出自己的設(shè)想。例如，巴斯德不囿于已有觀念，創(chuàng)新性地通過(guò)顯微鏡觀察。學(xué)生通過(guò)關(guān)注科學(xué)家對(duì)證據(jù)與結(jié)論之間關(guān)系的態(tài)度，從而認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展的曲折性，意識(shí)到正確的結(jié)論不僅需要理論依據(jù)、事實(shí)依據(jù)以及嚴(yán)密的論證，還要敢于相信事實(shí)，質(zhì)疑已有觀念。

3 基于應(yīng)用的評(píng)價(jià)，體驗(yàn)科學(xué)本質(zhì)

在元探究教學(xué)的應(yīng)用階段，教師通過(guò)提供變式案例對(duì)學(xué)生的元探究技能進(jìn)行評(píng)價(jià)，使得學(xué)生的思維可視化。元探究技能評(píng)價(jià)工具表（表4）提供了作出假設(shè)、得出結(jié)論維度的評(píng)價(jià)，教師可根據(jù)實(shí)際選擇最適維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，如提出問(wèn)題、收集證據(jù)、解釋證據(jù)等維度。

表4 元探究技能評(píng)價(jià)工具表

通過(guò)工具表，教師可獲得教學(xué)反饋，從而選擇強(qiáng)化某一維度的元探究技能。學(xué)生由此體驗(yàn)到科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)到科學(xué)工作依賴(lài)于觀察與推論、科學(xué)是創(chuàng)造性的工作等，意識(shí)到科學(xué)是發(fā)展的，從而增強(qiáng)學(xué)科學(xué)和科研的興趣，甚至是參與科研事業(yè)的職業(yè)意向。

4 小結(jié)

基于科學(xué)史開(kāi)展元探究教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究科學(xué)家的探究過(guò)程，能夠引發(fā)學(xué)生不斷反思、叩問(wèn)與批判，發(fā)展科學(xué)思維。元探究教學(xué)通過(guò)科學(xué)史料的補(bǔ)充、分析探究過(guò)程的各個(gè)元探究問(wèn)題等方式，不僅有效幫助學(xué)生獲得方法論的教育，還能滲透對(duì)科學(xué)本質(zhì)的學(xué)習(xí)。生物學(xué)教材中科學(xué)史素材豐富，是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等素養(yǎng)的良好載體，在元探究過(guò)程中，學(xué)生追問(wèn)與質(zhì)疑科學(xué)家探究的過(guò)程正是學(xué)生問(wèn)題生成與科學(xué)知識(shí)建立的過(guò)程，這一過(guò)程能夠有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)思維教學(xué)。