基于科學本質觀的實驗教學初探
——以《綠色植物與生物圈中的碳—氧平衡》為例

張樂喜

（江蘇省南京市致遠初級中學，江蘇南京 210019）

生物學科是自然科學的重要組成部分，作為基礎教育中學生首先接觸到的自然學科，其課程性質和內涵對學生逐步認清科學的性質、把握科學本質有重要的啟蒙意義。李德曼教授認為，科學本質是科學認識論，科學是一種獲得知識的途徑，或與科學知識的發展相一致的價值和信念。我國《義務教育生物學課程標準（2011 版）》明確提出自然科學本質不僅包括豐富的科學知識體系，也包括人類認識自然現象和規律的一些特有的思維方式和探究過程。簡而言之，科學本質既是科學的認識世界的認識論，也是科學探究的方法論的內涵體現。因此，科學探究是領悟科學本質的重要方法，實驗教學是科學探究的重要載體。本文以江蘇科學技術出版社出版的《生物學》第十八章第二節《綠色植物與生物圈中的碳—氧平衡》為例，淺談在實驗教學中幫助學生領悟科學本質的策略。

一、實驗教學的出發點——真實情境

（一）實驗目標

實驗是實驗教學的重要有機組成，基于科學本質觀的實驗教學中，實驗不僅僅是達成課堂知識和目標的途徑之一，更有豐富的內涵，有其自身價值和需要達到的實驗目標。實驗是科學認識世界的一種手段，科學的發展促進社會的發展，科學本質與社會文化息息相關，教師如能充分挖掘實驗更廣義的價值和目標，對幫助學生領悟科學本質有重要的引導意義。

“說明綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡”是一級主題“生物圈中的綠色植物”下的“綠色植物對生物圈有重大作用”的具體內容，通過參與18 章的學習，能構建“綠色植物在生態系統中扮演重要角色，它能制造有機物和氧氣”這一重要概念。學科體系上看本節課的教學內容是形成初步的生態觀、人與自然和諧相處觀念的關鍵環節。而學生的生態意識的構建需要以綠色植物光合作用概念為基礎，并受眾多的生活中感性認知的影響，他們能關注社會熱點中的生物學議題，關注植物對生產生活的影響，但在嘗試解決現實生活中的生物學問題這一方面較為欠缺，能接受保護生態環境建議，但行動不足，在主動參與社會宣傳和實踐方面有待提高。因此，“綠色植物在光下進行光合作用，產生二氧化碳并釋放氧氣”系列實驗是達成本節課的教學內容重要方法，也是落實社會責任的良好載體。

基于以上分析，“綠色植物吸收二氧化碳”這一實驗的實驗目標：進行兩個變量的實驗探究，包括變量分析、實驗設計、過程實施、結果記錄、成果匯報等關鍵流程；闡明綠色植物的光合作用吸收二氧化碳；說明綠色植物在維持生物圈中的碳—氧平衡的重要作用；運用實驗結論，參與《巴黎協定》的討論，并對這一實際問題提出有效舉措；逐漸養成低碳的生活方式，嘗試宣傳植物的生態價值，影響自己和身邊人。

（二）實驗情境

科學本質觀的要求下，科學是社會與文化的一部分。科學本質觀下的實驗教學強調科學的學習方法，強調學生對有關科學的本質的集合，即不僅要對探究實驗理解，也要發展學生對探究本身的理解。教師在教學中應多角度、多途徑地抓住客觀證據，通過實驗引導學生承擔多種角色，找到與自身經歷的契合點，以達到用主觀的方式理性地領悟科學本質的內涵。這就要求情境具有一定的開放性、多元性、歷史性、社會性，而這種復雜的真實情境往往是真實的歷史、人文、社會等多因素的，是教師根據自己經驗假想搭構的模擬情境所不能替代的。

因此，基于科學本質的實驗教學中，切忌教師僅憑借自身經驗鋪設虛假情境，忽視學習主體的獨特性，為了實驗而實驗，為了解決問題而解決問題。教師應精心挑選科學史實、實際案例、社會議題等真實情境，結合學生的生活經驗作為實驗教學中的情境，引導學生自發地參與學習活動，主動轉變角色，承擔學習任務，體驗科學過程。

本節課開始，教師提供G20 峰會及氣候變化《巴黎協定》，引導學生用智慧課堂中的平臺就這一社會熱點中的生物學議題展開討論。通過討論，得出討論結果：溫室效應的解決需要控制二氧化碳。學生借助前概念，就生物圈中的二氧化碳進行模型建構，找到認知沖突即工業燃燒、微生物、其他生物都會產生二氧化碳，通過分析推理，發現植物與二氧化碳之間的聯系，就此展開實驗，進行科學探究。本節課是用真實情境引導學生關注社會議題，激發學生參與探究的動機，引起學生情感上的共鳴。

二、實驗教學過程——學習主體的科學探究

（一）科學本質觀下的科學探究要求

科學本質觀下的科學探究應具備實踐性要求。科學探究的學習主體是學生，學生應有參與科學探究的動機、角色和方法，學生在科學探究的真實實驗情境中是否能找到自己的經驗作為探究證據，是否在探究過程中讓學生真實體驗探究過程并解決問題。新課標要求要面向全體學生，因此實驗教學中倡導分組實驗，在實驗小組中，每位學生都能找到相應的角色，這樣科學探究才能真實地進行。

科學本質觀下的科學探究應具備綜合性要求。隨著新設備、新材料、新技術的發展，生物實驗可以更加簡化、準確、易操作。如果教師不善于使用，一味簡化實驗，將簡化學生自主體驗探究嘗試解決真實問題的過程，而這個過程恰恰是初中階段的生物教學中，教師引導學生領悟科學本質的外顯過程。教師作為教學指導者和引導者，要明確學生是學習主體，科學探究不僅是科學知識的獲取途徑，還是觀察、猜測、推理、分析、質疑等技能，更是認識世界的思維方法。科學探究是發現科學、認識科學、理解科學、表達科學最終融合的整體。

（二）實驗的三次改進

“綠色植物吸收二氧化碳”在教材的實驗設計中有兩個變量，陽光和二氧化碳。相較于其他版本的教材，蘇科版的實驗已經具有可操作性，部分學生可參與關鍵過程的實驗探究。蘇科版中，設置甲乙丙三組，甲有植物、黑暗、往內吹二氧化碳；乙有植物、有光照、往內吹二氧化碳；丙無植物、有光照、往內吹二氧化碳。分析發現，有兩組對照，甲乙一組，變量是光照，乙丙一組，變量是植物。檢測方法是經過12 小時，往大廣口瓶滴加BTB 試劑，觀察顏色。這個實驗歷時長，可操作性較差，且有很多干擾因素，例如吹入的二氧化碳量，檢測需要打開廣口瓶會有氣體流通等都會影響到實驗現象和結果。這個實驗的目標僅為科學知識的證據，學生僅參與最終的現象分析并得出結論。因此，筆者對“綠色植物吸收二氧化碳”這一實驗的實驗材料、實驗裝置等做了三次改進，現對其效果進行列表比較，詳見附表。

通過改進，最終的第四次實驗，是學生在課堂上完成的、可參與全過程的實驗，且使各個層級的學習主體都能在實驗中有收獲。

另一版本的教材對該實驗的改進是使用傳感器，直接檢測箱中二氧化碳和氧氣的動態數值變化，分析數據并得出實驗結論。筆者認為，直接通過這種高度結構化的傳感器讀取數值，學生作為學習主體在實驗中掌握器材和軟件使用、讀取數據、分析數據即可，高度結構化的設備不僅簡化了實驗過程，也剝奪了科學探究的過程。對于義務教育階段的學生，數據分析得出的結論也許能幫助他們獲得科學知識，但數據分析遠遠不足以讓他們感知、認識和領悟科學本質。

三、實驗教學的落腳點——真實問題的解決

科學探究是科學本質觀的重要組成，科學探究是獲得科學知識的一種方法，也是一種研究和看待世界的思維方式，科學本質觀的實驗教學要求我們用生物學思維看待世界，科學探究的終點不應是實驗結論的得出，實驗的目的也不僅僅是得出實驗結論。實驗結論得出后，教師鼓勵學生表達交流，科學的世界是開放的，探究的過程是主動的，學生在匯報交流中，教師有針對性地指導學生用生物學語言描述世界。最終，經歷全過程的科學探究之后，實驗的結論得出是為了解決真實情境中的真實問題，或者引發新一輪探究，直到問題的暫時解決。

在這節課中，學生通過表達交流得出結論：綠色植物在光下進行光合作用吸收二氧化碳。得出的這一科學知識，能解決之前對生物圈建模過程中遇到的認知沖突，補充學生對生物圈中二氧化碳的循環，且教師引導后發現這是唯一一條進入生物體的路徑，繼而引導學生理解植物在生物圈中的作用。同時，學生進一步思考植物和氧氣的關系，展開新一輪的科學探究。

學生能否在真實情境下解決真實問題，可以作為實驗教學的一個評價指標。例如，在本節課最后，教師拋出問題：“《巴黎協定》的目標之一就是21 世紀下半葉，全球要達到二氧化碳凈零排放，我們該做些什么？”學生進行討論交流，得出應該多種樹、多采用低碳生活方式等。

四、科學本質觀的內涵發展

基于科學本質觀的生物學實驗教學，是引導學生在真實情境下，通過科學探究，用生物學思維看待世界，用生物學語言描述世界，逐步領悟科學本質。科學的發展與社會文化息息相關，生物與社會生活不可分割，對此，筆者對科學本質的科學探究之外的內涵發展有些新思考。

基于科學本質觀的實驗教學，需要真實的社會情境引導學生參與社會熱點、議題的討論，引導學生解決真實的社會問題，可以鼓勵學生基于生物學知識，參與個人與社會事務的討論，做出理性解釋和判斷，解決生產生活問題，這正是社會責任的主要內涵。科學本質觀，是指向將學生培養成具有生態意識、參與環保實踐、建設祖國“綠水青山”的有社會責任的人。因此，科學本質觀具有外顯的育人價值，而基于科學本質觀的實驗教學是一條可行的路徑。

“綠色植物吸收二氧化碳”的四次改進對比