高中生物實驗中科學思維的建構

■浙江省杭州市塘棲中學 王 瓊

實驗是高中生物學教學的重要形式之一。生物學實驗通過操作和觀察，引導學生對生活中和自然界中的現象進行觀察分析，解開生物學之謎分析生物學知識，在教學中實驗不僅有激發學生學習興趣的功能，還能夠鍛煉學生的探究能力，現象分析能力和理解能力，綜合起來就是科學思維能力。目前我國正在施行課程改革，教學實踐中，越來越傾向于學科核心素養的培養，生物學學科核心素養也在重點之列，其主要由四大重要能力構成，“科學思維”是其中之一。新課程標準在每一個教學模塊中都有明確的關于核心素養的要求，其中，在必修1模塊中要求學生在學習后能夠具備從結構與功能相適應的角度分析相關問題的能力；學會構建并使用物理模型；探索光合作用和呼吸作用的實踐能力和闡釋相關生命現象的能力，這都屬于科學思維的范疇。

生物學主要注重對生命現象和規律的研究，在實驗教學的過程中能培養學生尊重科學事實的態度，同時形成良好的求知習慣，使學生的實踐探究能力得到鍛煉。中學生物教學中，需要學生有一定的實驗能力基礎，科學思維、科學探究及創新能力是基本保障，實驗能夠使學生將所學知識學以致用、落實于實踐。新課標中要求廣大的一線教師，在教學實踐中加強對教材中實驗內容的實施和完善，而相關的科學思維培養途徑和培養策略還需不斷完善和補充。對于科學思維能力的培養應該貫徹在學生成長的每一個階段，雖然有少部分教師將科學思維的培養納入了實驗課程的教學目標之中，但大多都沒有很好地將課堂學習、實驗探究和日常生活聯系在一起。通常情況下的實驗教學，大多側重于實驗操作技能方面的培養，忽視了在實踐中培養科學思維；本文嘗試更好地將課堂、實驗和生活聯系成整體，實驗課中兼顧科學思維培養與實驗技能提升，豐富實驗課教學策略，更好地落實《新課標》對生物課堂的要求，為今后的實驗教學提供模式參考，同時，期待通過實踐切實提高學生的綜合學習能力和自主解決問題的能力。

一、生活化實驗導入教學

實際上生活化教學理念很早就進入到我國，早在民國時期那時候我國的教育體制還不是很完善，陶行知先生從國外將生活化教學理念引入國內，為國內教育事業的發展做出了不可磨滅的貢獻。高中生物以理解自然和適應生活為目標，引導學生掌握基本的生物學知識，教師應該要理解這一目標，在實驗教學中讓生活情境合理化和規范化地應用起來。

例如在講授：“酶活性的影響因素”這節課時，本堂課需要掌握的知識要點有兩個：溫度和PH對酶活性的影響。為了讓學生能夠將注意力集中在課堂，將思維聚焦在哪些因素影響酶活性上，教師設計了生活化實驗導入情境。教師在課堂上展示兩塊沾有墨水絲巾，將其中一塊放入冷水中，學生發現絲巾生的墨水并沒有散去。隨后教師加入一些加酶洗衣粉，揉幾下后發現墨水開始褪去一部分，但是仍然還有很多墨水在絲巾上。教師向學生提問：生活中洗衣服時我們一般是怎樣讓衣服上的墨水更快地褪去呢？很快有的學生提出：可以向其中加入熱水。為了滿足學生的好奇心，教師將另一條沾有墨水的絲巾，放入熱水中并加入一些加酶洗衣粉，輕揉幾下后發現絲巾上的墨水褪去的速度與第一條絲巾相比速度更快。該實驗是生活化迷你小實驗，而且實驗遵循單一變量原則，實驗中有對照組和實驗組，學生在課堂上對兩個實驗進行對比分析，對實驗現象產生好奇心和疑問，思考為什么溫度可以讓絲巾上的墨水褪去得更快，是否還可以加入其他的物質讓墨水更快褪去呢？學生根據實驗現象進行思考并產生疑問，對培養學生的科學思維非常有幫助。

生物教學雖然與學生的日常實際生活息息相關，但是因為高中學生本身的知識儲備和社會閱歷影響，導致了生物教學在高中階段學生的眼中抽象性邏輯性和概念性是相對較強的，學生往往無法有效地了解教師所講述的教學內容，這就導致了學生在學習和問題分析的過程當中面臨著較多的困境，而生活化教學則可以將生物教學中的抽象性和概念性特征有效地化解，將抽象化概念化的生物知識具象化形象化地呈現在學生眼前，讓學生對于生物知識生物原理有更深入的了解，通過生活實驗的引入充分地調動學生的學習興趣，讓學生對于即將學習的內容有較高的好奇心和求知欲，同時也通過生活實踐的引入，提升教學與學生生活實際之間的聯系，讓學生感受到生物學習和實際生活息息相關，認識到生活處處有生物，這對于端正學生的學習態度也可以起到較高的幫助和影響，教師需要引起關注和重視，根據教學內容做出相應的優化是改良，利用生活化生物實驗展開實踐教學。

二、模型建構發展學生的科學思維能力

實際上高中生物學實驗教學的過程，就是學生建立模型和分析模型的過程，但是大多數實驗都需要使用各種玻璃儀器或者液體藥品等等，所構建的模型比較復雜，不適合學生專門對模型進行分析。因此教師可以在教學過程中，根據教學內容選擇適合在課堂上構建的模型，讓學生以兩人一個小組，利用常見的材料制作小模型，在制作模型的過程教師盡可能減少對學生的提示，讓學生自己思考如何建構模型，模型建構成功后學生的成就感和自信心也會倍增。

例如在講授“細胞器的分工合作”這節課時，教師開展了實驗操作活動，要求學生利用現有的橡皮泥，做出一個細胞模型，該模型中要將細胞器全部展示出來。教師設計了模型制作實驗，在本節課中該實驗屬于生成性實驗，是在課堂上隨機生成的，而且該實驗也屬于開放性實驗，實驗過程中教師沒有刻意去指導和要求學生，只需要學生達到實驗目標即可。學生在實驗操作的過程中，結合書本和資料書分析細胞器的特征后，再利用不同顏色橡皮泥捏出不同的細胞器的形狀，根據細胞器的位置、細胞器之間的聯系、細胞器的功能來設計模型。當學生制作好了模型后，教師抽取部分組的學生將本組的模型展示在全班學生面前，教師和學生共同來分析模型，對模型中出現的錯誤進行指出并改正。教師可以展示兩組學生的模型，通過提問的方式讓學生思考這兩個模型中有哪些不同點，應該支持哪組學生的觀點，這個過程需要學生思考和探究，對發展學生的科學思維能力很有幫助。最后教師還可以開展一個活動，讓學生對自己制作的模型進行變換，制作植物細胞模型的學生思考如何以最快的方式，將自己的細胞模型變換為動物細胞模型，相反制作動物細胞模型的學生，也應該思考如何以最快的方式，將其變換為植物細胞模型，這種比較式學習法對培養學生的科學思維也非常有幫助。

思維培養是高中生物教學在實踐開展過程當中的重點內容和難點內容，也是學生學科素養形成的重要基礎和保障，建構學生的生物思維可以讓學生在生物學習的過程當中面臨的問題和困境進一步減少，進而提高學生的學習效率和學習質量，教師在實踐教學展開的過程當中需要立足于學生的實際特點分析學生的接受能力問題分析能力學習能力的多方面能力，根據學生的認知規律構建相應的生物模型通，過生物模型的引入一方面強化學生對于知識概念的理解和認知，另外一方面有效地塑造學生的生物思維，進而有效地培育學生的生物學科素養，這不僅有助于學生高中生物知識的學習，同時對于學生未來成長和發展也可以起到較高的幫助和影響，需要引起關注和重視并且有效落實于實踐中。

三、戶外實驗開展發展科學思維能力

通過調查研究發現，有將近九成的教師開展的生物學實驗都是在室內進行，而生物學和大自然聯系密切，而且必修三教材中，對有關植物學知識、生態環境知識進行了詳細的分析，并且有與生態和植物相關的實驗設計。教材內容的編制正是要求教師將戶外教學實驗引入其中，帶領學生在戶外進行實驗操作。而且在戶外教學中學生的身心可以得到有效的發展，可以激發學生的思維調動學生的科學探究能力。例如在講授：“樣方法調查種群密度”這節課時，傳統教學中都是通過圖片來講解知識，但是學生缺乏體驗和感悟，所以教師設計戶外實驗教學，讓學生在野外通過戶外實驗來進行實驗。實驗場所是校園后面的草地，每四位學生為一個小組，每一組學生都劃分了一塊實驗區域，實驗目標是，調查自己負責的實驗區域中野菊花的種群密度。學生需要根據自己所劃分的實驗區域選擇合適的樣方法，還要根據樣方的大小來確定樣方之間的距離。這些問題都是實驗過程中需要考慮的問題，需要學生發揮自己的聰明才智去思考分析，使得實驗更加規范化具有可操作性，對發展學生科學思維有很好的幫助。一切準備工作完成后，教師可以讓學生開始實驗操作，雖然計劃制訂成功了，但是戶外實驗的過程可沒有那么容易，學生不僅要注意樣方設計的標準化和規范化，同時在計算的時候也遇到了：樣方表現上的樣本處理問題，這個問題教師讓學生之間以交流的方式自己解決，培養學生科學思維能力。待實驗結束后，教師根據學生的戶外實驗表現進行點評，并指出學生出現的錯誤。

四、細節化實驗分析培養科學思維

通常情況下，為了確保實驗能夠順利進行，實驗課前，代課教師都已將實驗所需試劑、器材準備完備，并且做好預實驗。對于學生來說，實驗課也是用別人已準備好的器材，完成課本或資料中已有具體操作步驟的實驗操作，實驗結果、現象、結論也如資料或課本所言，因此，對于學生來說，實驗課看起來很有趣，做起來并沒那么有成就感，這可能是為什么之前的實驗課教學一直有，但學生的實驗探究欲望卻一直不強烈的原因。為了提高學生的參與度，更加認可自己是實驗課堂的主人，提高實驗前的興趣和實驗后的成就感，同時讓學生在實驗前就能夠有目的地了解更多關于本實驗的原理、方法，為實驗課堂的進行奠定基礎，在實驗課前，由學生查閱資料，制定好實驗方案（提倡新方案），并列出所需實驗器材及藥品，小組代表在學科代表和教師的引導下進行實驗器材的準備。細節是實驗的一個最突出的特征，學生在實驗的過程中應該要重視細節的分析，比如：顏色變化、沉淀生成等等，甚至溶液添加順序的先后、是否需要顯微鏡觀察、實驗材料的選擇等等都是實驗過程中需要注意的細節化問題，這些細節問題的注意并不能簡單地依靠學生的記憶就能夠應付，需要學生將科學思維投入其中，理解每一個細節之處。

例如在開展：“檢測還原糖、脂肪和蛋白質”的實驗教學時，教師要求學生注意以下問題：斐林試劑的配置、在檢測還原糖過程中沉淀生成的變化、不同試劑檢測脂肪時顏色的變化、雙縮脲試劑的配置、雙縮脲試劑和斐林試劑之間的區別以及哪一種物質的檢測需要水浴加熱，觀察哪一種物質檢測的結果需要使用顯微鏡觀察等等細節問題。雖然該實驗的大目標是讓學生通過實驗鑒別不同物質的名稱，但是更重要的實驗目標是其中的細節問題，只有掌握了這些細節問題學生才能夠算作是真正理解了實驗操作。在細節問題分析的過程中，需要學生積極思考和探究，要求學生將思維投入在其中，以此達到培養學生科學思維的目標。

五、通過師生角色互換的方式，拓展學生的科學思維

過去的高中生物學實驗的課堂，通常是由教師給學生演示實驗技巧，確保學生掌握了實驗步驟之后，讓他們以個人為單位進行實驗。這樣的上課方式雖然能夠確保生物學教學順利完成，但是學生在學習中對教師有較強的依賴感，缺乏主動探索知識的意識，對學生科學思維的培養造成不利影響。因此，教師可以在高中生物學實驗教學的過程中，通過師生角色互換的方式，讓學生在課堂上以教師的角色講解相應的實驗步驟和生物學知識點，促使學生在講解的過程中全面拓展科學思維。例如，“基因指導蛋白質的合成”這節課要求學生了解基因控制蛋白質合成的中間物質——RNA 的基本單位、化學組成和種類，分析RNA與DNA在組成、結構和功能等各個方面的異同，理解基因表達的轉錄和翻譯的概念和過程，掌握遺傳信息、遺產密碼和反密碼子的概念。因此，教師可以將這些學習內容分成不同的部分，讓學生根據自身的學習能力進行挑選，并將挑選相同學習內容的學生組織成一個集體，要求他們在規定的時間，以集體為單位進行探索，在探討中制訂相應的講課內容，為后面的課堂講解做好準備。這樣的學習方式對學生來說比較陌生，部分學生在課堂實驗操作的過程中可能會出現操作不當，或者講解內容不夠準確的情況，教師可以讓該團體中的其他同學進行補充，這樣可以讓學生在合作講課的過程中相互學習其他同學分析內容的邏輯，拓展他們的科學思維。

綜上所述，科學思維是高中生物學核心素養教學的重要內容，科學思維貫穿整個高中階段的生物學知識學習，作為一名高中生物學教師，深入研究學習新課標和核心素養教學理念是本職工作，在教學實踐中貫徹落實課標和核心素養內容是基本要求。本研究為了培養學生的科學思維素養，圍繞高中生物學實驗教學來展開設計，從生活化實驗、模型建構實驗、戶外實驗和細節化實驗上進行研究探索，以學生科學思維發展為本，設計各種不同的教學形式，引導學生激發實驗興趣，展開現象和問題的思考，從而培養學生科學思維。