初探“三段式”科學探究課堂教學模型的建構與實踐
——以“酶催化細胞的化學反應”一課為例

于傳梅 上海市新中高級中學

一、研究背景

認知主義學習理論代表人物布魯納從發現學習理論出發，提出“發現教學”。他強調，教師不是將現成的結論性知識講授給學生，而是讓學生自主地探究事物現象以獲得知識。《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中強調：“科學探究”是指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、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究中，樂于并善于團隊合作，勇于創新。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）解讀》中明確給出科學探究教學的指導性建議：①讓學生擁有適度的自主權，動腦與動手相結合；②教師發揮積極的促進作用。

不管是學生個人的認知心理發展，還是國家深化教育改革目標的需要，科學探究在教育教學中都起著非常重要的作用，實驗活動是科學探究的重要方面。通過調查分析發現，實驗教學類探究教學非常欠缺，最主要原因是探究實驗需要花費大量時間，而課堂教學課時十分有限，“時間不夠”“難度太大”是阻礙探究性教學進程最主要的兩個方面。如何解決理想與現實之間的矛盾沖突？這是擺在每一位教師面前的亟待解決和探索的話題。經過近兩年時間的新教材教學實踐與思考，筆者自主建構“三段式”科學探究課堂教學模型，希望能夠為一線教師的科學探究教學活動提供實踐策略和途徑的參考。

二、研究成果

（一）“三段式”科學探究課堂教學模型的建構

“三段式”科學探究課堂教學模型，即“演示實驗、材料解讀、探究實驗”三個環環相扣的課堂教學階段（見圖1）。模型的初步思路是：演示實驗引入課堂目標—材料解讀獲取核心概念—探究實驗解釋情境問題，在課堂教學實踐過程中，該模型的教學策略可以集中發展學生的科學探究能力。演示實驗激發學生的好奇心和求知欲，讓學生對課堂充滿期待，且方便學生更為直觀形象地了解課堂教學目標。材料解讀是科學探究的必要環節，教師要引導學生在閱讀中尋找本節課的核心概念和知識，建構生物學知識框架；完成真實情境問題，使學生經歷體驗，經歷動手動腦的活動，甚至是經歷“錯誤”實驗活動，從而更深刻地理解生物學概念知識的本質和價值意義。這樣的教學模型將整節課劃分為三個環環相扣的階段，每一個階段學生都沉浸在科學探究的過程中，所以該模型有利于達成發展學生科學探究能力的目標。

圖1 “三段式”科學探究課堂教學模型示意圖

（二）“三段式”科學探究課堂教學模型的實踐

該模型已經被運用于部分課堂教學中，本文就以“酶催化細胞的化學反應”一節內容為例，介紹“三段式”科學探究課堂教學模型實踐應用的具體過程。

1.演示實驗

教師準備三個250 mL 的錐形瓶，并分組編號A、B、C，在A、B、C 三個錐形瓶中分別加入100 mL 10%過氧化氫溶液和三滴龍膽紫。上課開始后，邀請三名同學到講臺前協助老師，分別在A、B、C中加入20 mL新鮮豬肝研磨液、20 mL 的3.5%的三氯化鐵溶液、20 mL 蒸餾水，所有同學觀察實驗現象：A 錐形瓶中噴出的大量紫色氣泡十分壯觀，該實驗現象對學生的視覺沖擊極大，有效地激發了學生的求知欲望，讓學生對本節課的內容充滿期待；緊接著，教師用帶火星的線香放在A錐形瓶口，線香迅速復燃，火焰明亮。當學生觀察到這些實驗現象時，對該實驗的原理已經猜到一二，此時教師直接呈現實驗原理并介紹本節課的教學目標。這樣的演示實驗使本節課過渡自然流暢，同時激發學生繼續學習的熱情。另外，演示實驗中，將帶火星的線香插入錐形瓶等實驗操作過程，也為后續學生的自主探究實驗活動的規范操作提供了示范。

2.材料解讀

教師在學習上提供有關酶的發現的科學史資料，呈現了酶的發現、命名、功能研究等科學探究的歷史材料，滲透了科學家的探究思路和科學探究方法，學生在閱讀科學史材料時始終沉浸在科學家的探索環境中，潛移默化地受到科學探究的熏陶。但是，教師希望學生在閱讀科學史的過程中能夠自主建構酶的概念和知識，希望學生能夠建構和掌握核心概念，所以教師的引導必不可少。學生在閱讀的過程中，會帶著教師準備好的問題串，有的放矢地閱讀，從而自主建構有關酶的來源、化學本質、功能、特性等核心概念，從而理解演示實驗所帶來的視覺沖擊和視覺享受。該環節需要教師設計出有條理的問題串，布置相應的任務，讓學生自主解決問題即可，教學過程中關于酶的概念知識根本不用教師贅述。例如，請圍繞以下子問題開展閱讀，并在學習紙上以文字和箭頭的形式完成概念圖的建構。子問題1：酶是來自于生物體細胞還是非生物體？子問題2：酶的化學本質是什么物質？子問題3：酶的功能是什么？當學生建構酶的概念之后，再回到演示實驗，讓學生思考：為什么A 錐形瓶中的反應如此劇烈？學生很容易就會明白酶的催化具有高效性。此時，教師介紹酶的活性，酶的高效性表示方式，學生自然而然明白。接著，教師追問：酶的高效性會不會受到環境因素的影響？學生陷入沉思。

3.探究實驗

教師提供真實情境并提出問題：大家都知道隨著CO2的排放量日益增多，“溫室效應”日益加劇，地球表面的年平均溫度也在增高（展示碳排放量和年平均溫度的走勢圖）。有生物學家擔心，近年來生物的滅絕速度加快，生物滅絕的原因錯綜復雜，地球表面溫度的升高也可能是影響因素之一。今天我們學習了酶的相關知識，地球表面溫度升高，是不是影響了部分生物體內酶的活性，進而影響生物體內的化學反應導致部分生物滅絕？請你推測有哪些因素會影響酶的活性，并設計實驗進行探究。

“三段式”科學探究課堂教學中第三階段最難。如何在有限的課堂教學時間內完成科學探究活動，并保證探究實驗的普適性、科學性和可操作性？首先，教師必須設計科學的問題串，引導學生思考和設計實驗；其次，巧妙地將探究實驗進行分組；最后，評價交流環節中主要交流和補充交流相結合。這樣的設計不僅可以很好解決時間不足的缺憾，還可以讓每一位學生參與到探究實驗之中。例如，四人一組分工合作，根據試劑盒中所給試劑，探究某環境因素對酶活性是否有影響（以過氧化氫酶為例），補充設計學習紙上的實驗方案，并初步完成表格。請根據你的實驗目的，圍繞以下子問題開展思考與設計。子問題1：實驗自變量、因變量、無關變量分別是什么？子問題2：如何檢測因變量？子問題3：實驗中需要遵循哪些原則？在問題串的引導下，師生討論完成探究實驗的設計和表格設計（見表1）。

表1

酶活性的影響因素中有高溫、強堿、強酸等，再考慮空白對照，每個探究團隊要完成4 個實驗，這勢必耗時太多。如何降低時耗？教師巧妙地減少試劑盒中的試劑，共9個試劑盒，分成3組，分別是高溫處理組、強堿處理組、強酸處理組。比如，某4 個學生拿到的試劑盒中的試劑是高溫處理組，這4 位學生只要完成高溫處理的實驗和對照實驗即可，也就是原本4 個學生需要完成4個實驗，現在只需要完成2 個實驗，大大節省了時間。拿到強堿處理組或強酸處理組試劑盒的學生同理。如果一個班級的學生數是36 人到40 人，則平均每4 個同學完成其中一組實驗，每組實驗都有平行重復3 次的機會。最后，一個班級就是一個整體，每組學生的數據匯總之后，就是本探究實驗所采集到的科學數據。可見，這樣的處理可以落實課堂探究活動的全部過程，學生對于實驗原則中對照原則、控制變量原則和重復原則等一目了然，探究體驗極其深刻，并且這樣的探究實驗具有普適性、操作性和科學性。

三、實踐反思

（一）“三段式”科學探究課堂教學沉浸式發展學生科學探究能力

演示實驗既是演示實驗現象，也是演示科學探究思路和科學探究的規范操作方法。比如演示實驗中，依照A、B、C三個錐形瓶中分別所加試劑的種類和用量，提醒學生科學探究的原則，即控制變量和對照原則；本實驗觀察檢測的指標可以是氣泡的產生量，也可以是線香復燃的火焰明亮程度，提醒學生數據采集的方法。材料閱讀環節用了科學史，科學史中呈現很多科學家大膽的猜測、縝密的推理、科學的實驗，科學記錄分析數據，并通過數據得出科學的結論等過程，學生在閱讀的過程中，潛移默化地受到科學精神的熏陶。探究實驗階段，學生經歷提出問題、設計實驗方案、實施實驗、觀察記錄數據、分析交流數據、總結歸納得出結論等科學探究的每一個過程，這種動腦動手動口的學習活動，讓學生很難逃離課堂，并且高效地發展了學生科學探究能力。

（二）“三段式”科學探究課堂教學模型讓科學探究順利融入課堂

在傳統的課堂教學中，一節40 分鐘的課堂，如果學生能夠完成一個完整的科學探究過程十分困難。但是，“三段式”科學探究課堂教學模型重新分配了課堂教學時間，減少教師的課堂語言，增加學生的課堂參與度，即將課堂時間分配權重從教師方面轉移到學生方面，讓科學探究順利融入課堂教學。該模型中教師主要作用是輔助，為學生提供材料，提供引導，少說話，讓學生多動腦、動手、動口，全程參與演示實驗、材料解讀，探究實驗，自主觀察，學習，建構概念知識等活動。這種教師輔助學生的課堂教學模型，可以讓學生在一節課中順利完成一個完整的科學探究。

（三）“三段式”科學探究課堂教學模型讓教師面臨挑戰

該模型能較好地發展學生的科學探究能力，但給教師帶來嚴峻的挑戰。如科學史材料需要教師搜集整理，并圍繞核心概念設計問題串。什么是核心概念？如何設計問題串？對教師來說是一個挑戰。又如，探究實驗要從全班整體的角度考慮，一系列的實驗可以巧妙地分成若干組，讓每一位學生都有參與大實驗中的部分小實驗，最后，所有人的數據匯總就是一個完整的科學探究。如何將大實驗分組？對教師來說是一個挑戰。再如，探究實驗過程中學生極易出現意想不到的差錯，即課堂中的“意外”，教師如何靈活地幫助學生解釋這些“意外”，從而讓課堂順利進行？這種挑戰對教師來說更大。

“三段式”科學探究課堂教學模型的初步建構和運用，讓筆者對發展學生科學探究能力充滿了希望，目前在“探究外界濃度對植物細胞質壁分離的影響”“探究葉綠素提取和分離效果的影響因素”兩節課中也有很好的應用。但是，要想提高該模型的應用廣度，任重而道遠，需要不斷實踐探索和修改完善。