基于生物學實驗教學的科學解釋能力培養策

摘 要：科學解釋能力是生物學學科的關鍵能力。本文以科學解釋為任務驅動，轉變生物學實驗的教學方式，構建新型實驗教學模式，引導學生基于真實情境提出問題，通過設計實驗、分析證據、科學推理、抽象概括等實踐環節得出結論，旨在培養學生的科學解釋能力，發展學生的科學思維。

關鍵詞：科學解釋能力；任務驅動；生物學實驗

文章編號：1003-7586（2024）09-0060-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

科學解釋是科學工作者運用科學思維、基于科學事實對未知的科學領域提出主張或觀點，并用科學證據為主張進行支持性解釋的過程。科學解釋既是科學探究的過程，也是問題解決和獲取科學知識的過程。 ［1］《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《義教課標》）的課程目標要求與學業質量描述中，都提及關于科學解釋能力的相關描述?？茖W解釋能力與生命觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等生物學學科核心素養密切相關，是學生綜合能力的直觀表現。本文以科學解釋為任務驅動，旨在探索生物學實驗教學中培養學生科學解釋能力的有效策略。

1 明晰科學解釋與實驗教學的關系

目前，生物學實驗教學中存在諸多問題。學生往往缺乏對實驗目的、操作步驟、實驗方法以及評估標準的認識和理解，同時受到應試教育模式的影響，部分教師在生物學實驗教學中將其簡化為教師主導的演示實驗，導致實驗教學的價值大大降低。

以生物學學科核心素養為導向培養學生的科學解釋能力，有助于解決生物學實驗教學中存在的問題。一是聚焦“為什么做”，激發學生的實驗動機；二是聚焦“做什么”，明確實驗目標；三是聚焦“如何做”，規范實驗方法及流程；四是聚焦“做得如何”，優化實驗教學評價。以科學解釋為任務驅動的生物學實驗教學，將知識與技能、過程與方法以主題化、結構化的方式串聯起來，達成“教—學—評”一體化的原則，從而構建一個邏輯嚴密的生物學實驗教學體系，是幫助學生實現學習方式轉型的有效途徑。

2 構建生物學實驗教學新范式

實驗探究是學生獲取新知識的重要途徑。教師通過引導學生基于真實情境提出問題、設計實驗獲取證據、分析證據提出主張、演繹推理檢驗主張、抽象概括形成結論，從而有效培養學生的科學解釋能力。本文構建以科學解釋為任務驅動的教學范式，如圖1所示。

“生物體的結構層次”是人教版義務教育教科書《生物學·七年級·上冊》第二單元的學習主題，其中包含較多的實驗教學內容，適合作為基于生物學實驗教學培養學生科學解釋能力的探究課例。因此，本文以“生物體的結構層次”為例，闡述以科學解釋為任務驅動的生物學實驗教學方法。

2.1 提出問題，獲取科學證據

以科學解釋為任務驅動的實驗教學過程，要求教師聯系生活經驗和社會實踐，創設真實情境，引導學生思考并提出問題及解釋觀點，進而設計實驗、尋找證據。本文結合教材，開展“生物體的結構層次”這一主題的教學內容。結合教材，教師可以引入日常生活中的植物作為探究對象，創設真實情境，激發學生主動探究的熱情。

教師基于真實情境，糾正學生的理解誤區，同時提出驅動性問題：“高等的被子植物與低等的苔蘚植物結構是否相同？”并以此引導學生運用顯微鏡對葫蘆蘚、黑藻的葉片進行實驗觀察，辨識葉綠體、細胞壁、液泡等細胞結構并繪制植物細胞的結構簡圖。此外，教師還指導學生對洋蔥鱗片表皮細胞進行染色觀察，以辨識細胞核結構。

設計意圖：學生通過對三種不同植物的同一細胞器結構進行觀察和對比，獲得相應的實驗結果。教師引導學生將實驗結果轉化為支持科學解釋的依據，體現了尊重事實證據、崇尚嚴謹求實的科學態度，是培養學生科學解釋能力的重要環節。

2.2 基于證據和邏輯，提出主張或假說

科學解釋的形成建立在堅實的科學證據和嚴謹的科學邏輯基礎之上。事實是獨立于個人判斷的客觀存在，主張則是個人針對某一事實的看法。學生基于事實提出主張的能力存在客觀性偏差，因此，教師需要采取多種方法引導學生認識事物的本質。一方面，教師需要指導學生進行科學實驗獲取客觀證據；另一方面，教師還應引導學生運用比較與分類、歸納與演繹、抽象與概括、分析與綜合等科學思維方法提出自己的觀點，并利用批判性思維對他人的觀點進行理性分析。

上述觀察實驗遵循由簡單到復雜的認知規律。學生對三種植物葉片進行觀察時，可以從多個維度進行分析。首先，從材料來源的角度，學生可以對比葉片的不同分類和形態特征；其次，從葉片顏色的角度，學生可以觀察到有色組織與無色組織的區別；最后，從實驗結果的角度，學生可以將實驗材料分為流動的有色結構和靜態的有色結構、染色劑著色的無色結構。教師基于學生分析實驗的結果轉化形成的科學證據，引導學生提出“細胞是構成葉的基本單位”這一主張，并幫助學生初步理解細胞具有多樣性與統一性、結構與功能相適應的基本特征。

設計意圖：學生通過生物學實驗獲得客觀證據，進而歸納推理形成自己的主張，這是科學解釋的過程，也是構建生物學概念和原理的過程。植物細胞結構模式圖是學生基于證據和邏輯，運用科學思維方法構建的概念模型。學生在此過程中掌握科學、嚴謹的實驗和探索技巧，自主構建生物學概念和原理，并嘗試解釋生物學現象，從而逐步實現由被動接受知識到主動發現知識的學習方式轉變。

2.3 演繹推理，以實踐檢驗主張或假說

演繹推理是從一般規律出發，運用數學的演算或邏輯證明的方法，得出特殊事物應遵循的規律?！凹僬f-演繹”法是科學解釋常用的邏輯證明方法，其明確體現了主張與證據之間的邏輯聯系，對科學理論的形成具有重要意義。教師引導學生運用“假說-演繹”法既可以驗證提出主張的正確性，又能對未知領域進行預測。教師只有引導學生運用嚴謹的邏輯推理方法，才能確保驗證的有效性。

學生根據實驗現象，繪制的植物細胞結構模式圖是不完善、不嚴謹的，需要運用“假說-演繹”法檢驗其科學性。教師提出問題：根據對植物葉片細胞的觀察結果繪制的植物細胞結構模式圖，是否同樣適用于植物體其他部位的細胞結構？教師選用水培吊蘭的根毛、番茄果實等植物體結構作為材料，引導學生進行演繹推理。學生首先預測所選材料的基本結構，然后進行實驗觀察，最后交流展示實驗結果。師生在對多種植物及其不同器官進行深入比較、分析和討論的基礎上，共同完善植物細胞的結構模式圖，并認同不同植物、不同器官的細胞均具有相同的基本結構。學生通過實踐進行檢驗，證實了自己基于實驗證據提出的相關主張。

設計意圖：學生采用科學推理將主張和證據聯系在一起，運用邏輯關系解釋特定的生物學現象，這是科學理論形成的過程，能夠促進學生認識科學本質，形成科學思維。這一過程不僅加深了學生對不同植物和不同器官的細胞共有結構特征的認識，還通過演繹推理驗證了基于實驗證據提出的科學主張，從而幫助學生強化以證據為基礎的科學探究方法和科學思維能力。

2.4 抽象概括，形成科學結論

抽象和概括能力是科學解釋能力的高階形式。

其要求學生在認識客觀事物的過程中，對所獲信息進行思維加工，進一步發現事物的共同屬性和本質特征，從而構建并正確表述生物學概念。生物學概念的形成基于大量的科學事實，而生物學實驗則是獲得科學事實的途徑，同時也是檢驗事實正確性的手段。

“生物體的結構層次”這一主題的實驗教學設計，采用的實驗材料形態、大小、顏色、功能各不相同。學生通過顯微鏡觀察、繪制細胞結構簡圖、制作細胞結構模型等科學實踐活動，逐步建立證據與主張之間的邏輯關系，進而將抽象的生物學現象歸納概括為系統的生物學概念，而不是證據的簡單堆砌。此外，教師還引導學生運用比較、歸納、演繹推理等科學思維方法，總結不同類型細胞的共同特征，并認識到細胞結構與功能的關系，從而幫助學生提煉出“細胞是生物體結構和功能的基本單位”這一科學結論，并使其認同生物的多樣性與統一性，初步形成科學的自然觀和世界觀。科學解釋驅動的“生物體的結構層次”實驗教學過程如圖2所示。

科學解釋一般需要排除事物非本質的細節，通過構建模型簡化并理想化地展現生物學概念的基本特征和關鍵要素?！凹毎巧矬w結構和功能的基本單位”作為一種概念模型，對學生認識生命世界、探究生命活動規律、解決實際問題具有指導意義。抽象概括得出的科學結論基于生物學實驗、觀察、建模等實踐活動，又反過來指導實踐活動，并在實踐中進行檢驗。

3 總結

科學解釋能力是生物學學科核心素養的重要組成部分。在生物學實驗教學中，教師通過科學解釋驅動的實驗教學，既能幫助學生掌握基本的實驗技能和科學方法，又能提升其科學思維能力，培養科學態度和創新能力，從而培養學生成為具有科學思維的人才，對學生的終身發展具有重要意義。

參考文獻

［1］武佳佳，王月玲，張榮華.生物學科學解釋能力培養的實踐［J］.生物學教學，2021，46（8）：4-6.