例談生物教學問題設計中的“三性”

［摘 要］精心設計課堂問題，能有效為學生搭建思維支架，推動他們進行深層思考和主動深度學習。以高中生物學的重要實驗“比較過氧化氫在不同條件下的分解”為例，部分教師在處理“探究·實踐”及“控制變量和設計對照實驗”這兩個關鍵教學環節時，相關的問題設計不夠妥當，表現為缺乏足夠的驅動性、層次性和開放性。為此，文章選取兩個教學片段進行診斷分析，并根據相關教學理論進行重構設計，據此給出三點建議：一是以真情境為載體，重視問題的驅動性;二是以子問題為支架，聚焦問題的層次性;三是以激活思維為目的，增強問題的開放性。

［關鍵詞］過氧化氫的分解；問題設計；驅動性；層次性；開放性

［中圖分類號］ " "G633.91 " " " " " " " "［文獻標識碼］ " "A " " " " " " " "［文章編號］ " "1674-6058（2024）29-0079-04

問題是思維活動的發動機和推進器。高質量的教學需要通過設計高質量的問題來推動學生思維發展，使他們主動深入學習。“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教版高中生物學教材中的重點實驗[1]，也是必修1第五章“降低化學反應活化能的酶”的重要內容。該實驗涉及科學實驗過程和科學研究方法的知識，對整個生物學實驗教學有著非常重要的作用，是進行探究式教學的好素材[2]。開展實驗探究是落實生物學學科核心素養的關鍵，充分參與實驗探究過程可有效促進“科學思維”和“科學探究”兩個核心素養的達成。為實現引導學生深入開展實驗探究學習的目標，教學設計的重點在于設計出有效問題，進而引發學生認知沖突，組織探究性學習活動。然而，部分教師在教學實施過程中對于問題的設計較為低效、淺層，缺少驅動性、層次性、開放性，難以使學生在探究過程中高效學習知識和掌握科學研究的基本方法。下面，針對本節中的“探究·實踐”和“控制變量和設計對照實驗”兩個環節，選取公開課中的教學片段，診斷和分析其存在的問題，并根據建構主義和最近發展區相關理論優化問題設計，以期提供一些教學建議。

一、教學片段診斷分析

（一）“探究·實踐”教學片段及診斷分析

【教學片段】教師首先介紹過氧化氫作為一種代謝廢物，它對細胞具有危害性，因此細胞需要及時將其分解。隨后，教師出示問題：“怎樣可以加快過氧化氫的分解？”接著，教師提到在加熱、FeCl3（無機催化劑）、過氧化氫酶等條件下均可促使過氧化氫分解，并引導學生思考問題：“哪種條件下過氧化氫的分解速率最快？”進而引出教材中的實驗原理和目的要求。接著，再次引導學生思考問題：“過氧化氫分解速率快慢的依據和檢測指標是什么？”教師展示材料和用具并提出問題：“該實驗將分為4組進行，每組需要設置的條件是什么？”在介紹完實驗方法和步驟后，教師組織學生以4人為一組進行實驗，討論并完成結果分析，最終得出實驗結論。

【診斷分析】在這次探究實驗的開展過程中，教師首先通過介紹過氧化氫及其對人體細胞的危害來設置情境，并嘗試通過提問來激發學生的探究欲望。然而，該情境不夠貼近生活，未能較好驅動學生思維和激發學生的探究欲望。其次，教師采用直接講述的方式來介紹可以促使過氧化氫分解的條件，并緊接著提出了“哪種條件下過氧化氫分解速率最快？”的問題。這種由教師強加給學生某種認識的教學方式，雖然能直接引出本實驗的目的和原理，但未能有效引發學生的認知沖突。此外，教師在介紹實驗步驟時提出的問題“該實驗將分為4組進行，每組需要設置的條件是什么？”也存在一定的問題，學生很容易從教材的實驗步驟中獲取答案，從而限制了學生的思維發散和開放性思考。

（二）“控制變量和設計對照實驗”教學片段及診斷分析

【教學片段】教師首先帶領學生分析典型的學生實驗設計和結果，并引導學生推出實驗結論。隨后，讓學生自主閱讀教材第78頁科學方法的相關內容，并結合上述實驗思考以下幾個問題：變量有哪些類型？自變量、因變量和無關變量分別指的是什么？什么是對照實驗？哪個試管是對照組，哪個試管是實驗組？設置對照組的意義是什么？學生經過一定時間的自學后，教師結合自變量、因變量和無關變量的概念，預設在學生理解這些概念后能回到實驗設計中進行變量分析。接著，教師講解變量應用的原則，給出對照實驗的概念，并讓學生判斷哪個是實驗組，哪個是對照組。

【診斷分析】學生在初中階段學習過對照實驗和變量的概念，但對自變量、因變量、無關變量的具體含義以及如何嚴格控制變量和設置對照實驗缺乏系統的認識。因此，教學中教師應充分利用這一探究性實驗，幫助學生掌握科學探究的基本方法，培養他們的科學探究能力和生物學學科核心素養。雖然教師試圖通過實驗設計的分析，引導學生在探究對照實驗的過程中自主關聯變量的類型，但這樣的教學未能讓學生體驗知識的自然生成過程。教師先直接給出概念，再讓學生進行判斷，跳躍性太強，且設問缺乏一定的層次性，難以讓學生真正理解并辨析幾種變量的關系。實驗設計的關鍵在于變量的確定及控制。在實際教學過程中，學生常因無法正確分析變量而難以獨立設計出完整的實驗方案。因此，教師應加強有關變量分析的教學，幫助學生掌握對各種變量的識別以及控制變量的方法，從而有效提高他們的實驗設計能力。此外，教師雖然帶領學生分析了如何判斷實驗組和對照組，但并沒有對對照組的設置進行深度剖析，問題的設置也沒有將對照實驗和控制變量聯系起來，導致學生無法深層次理解“對照原則”和“單一變量原則”，也沒能很好地掌握控制變量和設置對照實驗的方法。因此，教師應結合本實驗設置一系有層次的問題串，引導學生判斷變量的類型并歸納出變量的概念。這樣才能有效幫助學生深入理解這些概念，進而掌握控制變量的方法。

二、問題設計優化

（一）“探究·實踐”教學片段的問題設計優化

基于上述對“探究·實踐”教學片段的診斷分析，提出教學重構方案：提供資料創設生活情境，激發探究欲望；搭建問題支架，引領合作探究；展示交流，分析評價。

首先，播放皮膚出現小傷口用醫用雙氧水（H2O2）消毒的視頻，并提出以下兩個問題：

問題1：你觀察到什么現象？

問題2：你能嘗試解釋出現該現象的原因嗎？

設計意圖：從生活中處理傷口的場景出發，基于學生熟悉的生活情境和學生原有的認知，設置問題并引導學生解釋現象。這樣不僅能驅動學生應用所學知識解決實際問題，還能發展學生的科學思維，并為后續理解過氧化氫的分解產物做鋪墊，使教學組織更具條理。

其次，提供如下資料：

資料1：細胞代謝是細胞生命活動的基礎，但代謝會產生對細胞有害的物質，如過氧化氫。體內過氧化氫過多會導致皮膚發黃、毛發變白，加速人體衰老。細胞中含有的過氧化氫酶能夠將過氧化氫及時分解，起到解毒的作用。

資料2：過氧化氫在儲運過程中有特殊要求，嚴禁與FeCl3等金屬化合物混存混運。

資料3：藥用過氧化氫溶液的說明書上關于過氧化氫的貯藏說明為“密閉、在陰涼處（溫度不超過20 ℃）保存”。

基于上述三則資料將原問題“怎樣可以加快過氧化氫的分解？”“哪種條件下過氧化氫的分解速率最快？”改為以下幾個問題：

問題3：通過以上資料分析，你認為哪些因素可以影響過氧化氫的分解？

問題4：對于“哪種條件下過氧化氫的分解速率最快？”這一問題，你能作出怎樣的假設？

問題5：如果你的假設是正確的，會有什么樣的實驗結果？

問題6：過氧化氫分解后，可能出現哪些可觀察和檢測的變化？具體如何檢測呢？

設計意圖：通過問題串的形式，引導學生分析資料素材、提出問題、作出假設、預期結果。這樣不僅使問題呈現出一定的層次性，還能讓學生通過問題指引主動探究，進而掌握科學探究的基本思路和方法。

最后，基于以下問題進行交流分析。

問題7：你認為本實驗應該設置為幾組較為合適？并說明理由。

問題8：根據以上分析和所提供的材料用具，你們小組能否設計出本實驗方案？

設計意圖：相較于原問題“該實驗將分為4組進行，每組需要設置的條件是什么？”，問題7、8更具開放性，更能發散學生思維，驅動學生大膽思考，幫助學生擺脫定向思維。同時，問題8還能培養學生的團隊合作能力和創新意識。此外，這樣設置還能為下一個教學環節“控制變量和設計對照實驗”做好預設。

（二）“控制變量和設計對照實驗”教學片段的問題設計優化

基于上述對“控制變量和設計對照實驗”教學片段的診斷分析，建議在學生設計實驗方案并完成實驗后，采用問題串的方式引導學生思考分析，進而生成幾種變量和對照實驗的概念及關系，并逐步掌握控制變量的方法。

問題1：每組實驗中人為控制的因素分別是什么？

問題2：不同的實驗條件下，過氧化氫分解的快慢是否隨之發生變化？如何判斷并檢測過氧化氫分解的快慢？

問題3：為何各組的底物量要一致，如果底物量不同，是否會影響實驗結果？還有哪些因素會影響實驗結果？

問題4：自變量、因變量和無關變量之間存在什么關系？

問題5：請結合表1，小組討論控制變量的一般思維路徑（步驟）。

設計意圖：前三個問題的設置分別對應自變量操作、因變量觀測和無關變量控制，通過實驗設計和操作中的具體問題驅動學生理解三個變量，逐步得出各變量的處理方法。隨后，教師引入自變量與因變量、無關變量的概念，并通過問題4、5引導學生歸納總結各類變量的概念以及變量之間的關系，學會確定變量以及控制變量的一般思維路徑：先進行實驗分組、自變量操作，再設置對照實驗，控制無關變量，最后確定觀測因變量的方法。

問題6：試管1設置的目的是什么？可否去除這一組？

問題7：試管1、2、3、4能否構成對照實驗？若能，其中的實驗組、對照組分別是哪些？

問題8：試管1、2，試管1、3，試管1、4，試管3、4分別能構成對照實驗嗎？請完善表2。

設計意圖：基于對上述教學片段的診斷分析，原問題在設置上存在無法深入剖析對照組概念，以及未將對照實驗與控制變量相聯系等問題。為了解決這些問題，首先通過問題6引導學生明確設置空白對照的目的和意義，然后通過問題7、8讓學生理解對照實驗的概念，并學會辨別實驗組和對照組。在完成表2的活動過程中，學生將能夠厘清對照實驗和控制變量的關系。這樣，以子問題為支架，逐層深入引導學生理解“對照原則”和“單一變量原則”，進而掌握控制變量和設置對照實驗的方法。

三、教學啟示

（一）以真情境為載體，重視問題的驅動性

新課程改革要求以培養學生的核心素養作為課程學習的目的，強調在真實情境下創設任務，讓學生在解決實際問題的過程中獲得對事物的認識，形成和發展相關概念，從而培養學生的核心素養。因此，教師在設計教學問題時，應以真實情境為載體，驅動學生以研究者的身份主動參與學習。例如，在進行上述“探究·實踐”教學的優化重構時，教師利用醫用雙氧水（H2O2）消毒的生活情境，設計了一系列問題，讓學生嘗試解釋現象。隨后，基于三則情境資料，教師又設計了一系列問題，以引導學生分析資料素材、提出問題、作出假設、預期結果，自然而然地驅動著學生圍繞實驗課題“比較過氧化氫在不同條件下的分解”展開深入探究。在以真實情境為載體的問題驅動下，學生主動地參與學習，親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程，從而習得生物學知識，養成科學思維的習慣。

（二）以子問題為支架，聚焦問題的層次性

設計教學問題時，不僅要圍繞課標擬定內容和學業質量水平要求，還要基于學情，著眼于學生的最近發展區，著力于在學生現有水平和潛在水平之間設計邏輯緊密、層次分明的問題串，為學生提供具有適宜思維難度和思維空間的學習支架，讓學生能夠通過層次分明、相互關聯的子問題層層推進，深入思考，從而達到對知識的深度加工和內化。例如，在“控制變量和設計對照實驗”的教學中，主要從科學方法的角度對本節實驗設計進行提煉和總結。此部分的學習有助于提升學生的探究能力，發展學生的科學探究素養。學生在初中階段雖接觸過對照實驗和變量的概念，但對自變量、因變量和無關變量的概念，以及如何嚴格控制變量和設置對照實驗還缺乏系統的認識。因此，此部分的教學重點在于讓學生厘清對照實驗與控制變量的關系，掌握設置對照實驗和控制變量的方法。在優化重構時，教師在學生設計完成實驗后，設計了8個有層次的子問題任務，以此為支架，引導學生思維逐層深入，實現對相關概念的深度理解，學會確定變量、控制變量，掌握實驗設計原則和方法，從而有效提高學生的生物實驗設計能力。

（三）以激活思維為目標，增強問題的開放性

現代教育的主要目標之一是激活思維而不是“儲存”思維[3]。高質量的問題應能激發學生思考，引導學生進行多維度的探究、分析和討論。相較于封閉性問題，開放性問題更注重思維的過程，更有利于拓展學生思維的深度和廣度。教學問題應以激活學生思維為目的，從條件、過程和結論等多個方面進行設計，增強問題的開放性，從而培養學生的發散性和創造性思維。例如，在“探究·實踐”教學優化重構時，教師設計了如下兩個問題：“你認為本實驗應該設置為幾組較為合適？并說明理由。”“根據以上分析和所提供的材料用具，你們小組能否設計出本實驗方案？”這兩個問題讓學生基于實驗分析選擇實驗的分組數，并闡述分組的理由，然后根據材料用具設計實驗方案。這樣的設計沒有了組數的限定，更加指向實驗設計能力，能夠深度激發學生的探究行為。學生不僅要明確實驗中的自變量、因變量以及需要控制的無關變量，而且要明確各變量之間的關系。同時，教師還通過組織評價交流引導學生進行批判性分析，為下一個教學環節“控制變量和設計對照實驗”做好鋪墊。由此可見，開放性問題任務更能有效激發學生的探究意識、獨立思考與合作探究能力，發散學生思維，促進學生分析、綜合、評價、創造等高階認知能力的培養。

［ " 參 " 考 " 文 " 獻 " ］

[1] "朱正威，趙占良.普通高中課程標準實驗教科書 生物 必修1 分子與細胞[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2] "朱正威，趙占良.普通高中教科書教師教學用書 生物學 必修一 分子與細胞［M］.北京：人民教育出版社，2019．

[3] "麥克泰，西爾維.為深度學習而教［M］.丁旭，譯.北京：教育科學出版社，2021.

（責任編輯 羅 艷）