基于科學史經典實驗的探究式教學模式初探

王美軍 劉賽男

(北京市十一學校 北京 100039)

1 背景

《普通高中生物學課程標準(2017 年版)》(以下簡稱《課程標準》)指出,學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生通過學科學習而逐步養成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。 生物學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部分內容。 如何在教學中落實核心素養成為一線教師亟待研究的課題。

“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交流與討論的能力。 學生應在探究的過程中,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,學生應樂于并善于團隊合作,勇于創新。 下文將課本知識融入到生物科學史的經典實驗中,創設真實的問題情境,讓學生去體驗、去探究,在解決真實問題的過程中培育學生的“科學探究”核心素養,旨在構建一種基于科學史經典實驗的探究式教學模式,以在保證課程基礎性的同時,尊重學生多樣化的發展需求,實現從內容本位向學生發展本位的轉變。

2 理論基礎

2.1 探究式教學

探究式教學,即按照科學探索的一般規律,創設學生“有所發現”的教學情境,引導學生通過搜集資料、設計并操作實驗、調查和觀察、討論等活動進行研究,從而使學生得出結論。

從形式上來說,探究式教學大致可以分為以下五個階段:①教師設法激起學生的認知沖突,引導學生圍繞科學問題、事件或現象展開討論,激發學生的求知欲望。 ②學生通過動手做實驗,體驗實驗過程,觀察并記錄實驗結果。 ③學生分析、解釋數據,對個人觀點進行綜合分析,建立認識客觀世界的模式或模型,形成科學認知。 ④學生將所學知識運用于新情境,以拓寬對知識的理解,形成新技能。 ⑤教師與學生共同回顧與評價所學內容與學習方法。

從本質上來說,探究式教學研究需要解決的問題包括以下三個方面:①使學生能夠感受到知識的缺乏。 ②鼓勵學生發表不同意見。 ③通過實驗證據解決學生的問題。

2.2 科學史經典實驗的教育意義

科學史經典實驗的研究過程與探究式教學模式的本質需求高度符合,因此,本研究借用科學史經典實驗來進行探究式教學。 科學史經典實驗的教育意義在于以下四個方面:①教師以故事的形式呈現科學史上的經典實驗,結合科學家的個人生活與所處時代,將科學主題人性化,可以讓學生對生物學學習更感興趣。 ②許多科學史經典實驗是典型的科學探究過程,教師可以用其培養學生的科學探究能力。③教師將科學史經典實驗和課本知識相關聯,可以讓學生更好地理解科學概念與科學方法。 ④教師借助科學史經典實驗,可以讓學生感悟科學理論的發展和變化過程,提升學生獨立思考問題的能力,同時培養學生的懷疑與批判精神。

3 教學案例

生物科學是一門實驗性學科,教材中的每個知識都是來源于科學史上的經典實驗。 面對如此豐富的科學史經典實驗庫,教師需要精心篩選和整合后,才能將其用于高中生物學課堂教學。 本研究基于核心素養和教學目標篩選典型的科學史,對實驗目的、實驗材料、實驗設計、實驗結果、實驗結論、創新點、改進方法、新的研究問題等進行改編、設計。 教師在生物學科大概念的引領下,確定單元學習任務,通過實施改編的科學史經典實驗,設計科學史經典實驗的探究式教學,最終使教學指向生物學科核心素養的落地(圖1)。

圖1 設計科學史經典實驗教學的工作流程

3.1 教學案例一:“細菌大戰抗生素”——篩選耐藥菌

教師基于“細菌耐藥性產生的機理”經典實驗,設計了探究式任務“細菌大戰抗生素”——篩選耐藥菌。

(1) 確定單元學習目標

教師根據“生物的進化”單元學科大概念“生物的多樣性和適應性是進化的結果”,確定單元學習目標:①學生能了解地球上的現存物種豐富多樣,認識到它們來自共同祖先。 ②能解釋適應是自然選擇的結果。

(2) 設計探究式學習任務

在單元學習目標的引領下,教師設計了探究式學習任務:細菌大戰抗生素——篩選耐藥菌,并規劃了探究式教學的流程(圖2)。

圖2 “細菌大戰抗生素——篩選耐藥菌”探究式教學流程

(3) 篩選科學史經典實驗

教師篩選1952 年“細菌耐藥性產生的機理”等原始科研文獻供學生閱讀。 學生通過閱讀原始文獻,可以認識到微生物的抗藥性是在未接觸藥物前自發產生的,并且這種抗藥性參與了微生物對新環境的適應。

(4) 改編設計課堂科學探究實驗

在閱讀文獻的基礎上,教師引導學生根據探究式學習任務:細菌大戰抗生素——篩選耐藥菌,討論設計了科學探究實驗:細菌耐藥性實驗。

(5) 落實學科核心素養

學生通過對科學史經典實驗的文獻研究、討論與交流,確定實驗方案,并通過親身體驗實驗,獲得真實的實驗數據,最終形成科學認知:細菌的突變是普遍存在的,不同細菌個體本身就存在抗藥性差異,抗生素只是對其進行篩選。 這樣的探究式學習不僅使學生學習了知識,還給學生留下了深刻印象,更培養了學生的科學探究和科學思維能力,提高了學生的生物學學科核心素養。

3.2 教學案例二:“培養轉基因熒光細菌”

教師基于基因工程相關的經典實驗,設計了探究式任務“培養轉基因熒光細菌”。

(1) 確定單元學習目標

教師根據“基因工程”單元學科大概念“基因工程賦予生物新的遺傳特性”,確定單元學習目標:①學生能理解基因工程是一種重組DNA 技術。 ②學生能解釋轉基因產品的安全性問題。

(2) 設計探究式學習任務

在單元學習目標的引領下,教師設計了探究式學習任務:培養轉基因熒光細菌。

(3) 篩選科學史經典實驗

教師篩選與聚合酶鏈式反應(PCR)、瓊脂糖凝膠電泳、基因表達載體的構建、DNA 轉化、熒光顯微鏡等有關的原始科學史經典實驗文獻供學生閱讀。

(4) 改編設計課堂科學探究實驗

在閱讀文獻的基礎上,教師引導學生根據探究式學習任務,討論設計了科學探究實驗。 課堂實驗共包括五課時:PCR 擴增熒光蛋白基因、瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 產物、PCR 產物與質粒連接為表達載體、表達載體導入大腸桿菌、觀察大腸桿菌內熒光蛋白的表達情況。 培養轉基因熒光細菌的基本流程如圖3 所示。

圖3 培養轉基因熒光細菌的基本流程

(5) 落實學科核心素養

學生將科學史設計為實驗探究課,開發了熒光蛋白轉基因大實驗,將熒光蛋白基因轉入大腸桿菌中,讓大腸桿菌發光,并利用不同顏色的熒光蛋白在細菌平板上作畫。 通過體驗探究實驗,學生對“基因工程賦予生物新的遺傳特性”這一大概念有了更直觀深入的認識,進一步發展了科學探究能力。

4 結論

4.1 落實核心素養需要明確教學目標

《課程標準》是國家對基礎教育課程的基本規范和質量要求,是一個綱領性的文件。 《課程標準》中的核心素養是高度概括的,教師要想在課堂上落實核心素養,需要將核心素養轉變為每個單元可操作的、清晰適切的教學目標。 教師基于核心素養轉化的教學目標開展教學,才能最終落實對學生核心素養的培養。

4.2 通過探究式教學落實核心素養

學科核心素養是學生在學科課程的學習中逐漸發展起來的,是學生在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的綜合能力。 青少年具有與生俱來的強烈求知欲和探索世界的意愿,教師進行探究式教學不僅應讓學生習得基礎的生物學知識,更需要讓學生形成生物學整體的大概念框架,讓學生領悟到生物學家在科學探究過程中解決問題的思路和方法。 教師采用的基于科學史經典實驗的探究式教學是行之有效的、受學生歡迎的教學方式,能幫助學生提升核心素養。

4.3 科學史經典實驗為探究式教學提供真實情境素材

生命科學蘊藏著大量經典科學史與科學實驗,實驗探究教學是促使學生形成生物學核心素養的必要手段。 科學史經典實驗為學生建構知識、理解重要概念、形成生物學整體概念框架提供了真實問題情境。教師篩選了符合教學目標、又適合高中生認知水平的實驗,通過改編實驗、體驗實驗的過程,培養了學生解決真實科學問題的能力,提高了學生的科學素養,最終能使學生對社會上關于生物學的科學性問題進行辨別和解釋,幫助學生實現學以致用。

4.4 形成基于科學史經典實驗的探究式教學模式

通過教學案例的開發與實踐,學生的好奇心和思維得到充分的激發,學生對生物科學探究實驗的原理、材料選擇、操作要求以及數據分析等具有更加深刻的理解,學生針對特定的現象,進行觀察、提問、設計實驗、推斷結論的能力得以增強。 本研究總結了一種基于科學史經典實驗的探究式教學模式,如圖4 所示。

4.5 探究式教學收效顯著,學生核心素養得到提升

學生經過一段時間的探究式學習訓練,可逐漸理解生物學知識的發現并非依據直覺,而是以龐大的實驗體系和科學探索作為依托。 在探究式教學中,學生的科學思維和科學探究能力得以提高,學生學習的主動性得到空前激發,完成了大量兼具想象力和獨創性的作品。 同時,學生對基于科學史經典實驗的探究式教學模式給予了較高評價,對這種飽含創新性與驅動力的學習具有強烈興趣。

圖4 基于科學史經典實驗的探究式教學模式