徐正龙

（岳西县教育局，安徽 岳西 246601）

摘  要：归纳 “科学探究”的内涵和特点，通过三个典型概念教学案例，探寻培养“科学探究”核心素养的教学路径。

关键词：高中生物， 科学探究， 概念教学 案例

中图分类号：G633.91    文献标识码：A    文章编号：

科学探究是生物四大核心素养之一，是理性思维的实证过程，培养科学探究这一核心素养，对促进学生生命观念的形成^[1]，增强其社会责任感意义重大。

1 科学探究的内涵

科学探究不仅指一种教学方式，更是指学生的学习方式和研究方式，是学生学习科学知识，发展理性思维，培养探究能力，形成科学态度和精神的一种过程 。科学探究一般包括以下几个步骤：提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论、表达与交流。科学探究的最高素养水平由一系列的能力所组成，如观察能力、提出问题的能力、制定并实施方案的能力、获取证据和数据的能力以及表达与交流的能力等，属于生物高考实验与探究能力的范畴^[1]。

2 科学探究的特点

科学探究是一种跨学科素养，高中物理、化学、生物和地理学科中均强调科学探究，该素养具备核心素养的基本特性：综合性、发展性和终身性^[2]。

鉴于高中生物实验教学受课时和实验条件的制约，高考实验考查只能是纸笔测试的局限性，在高中阶段培养学生的科学探究素养还有一个重要特点，即引导学生进行思想实验。思想实验是奥地利著名科学家、哲学家恩斯特·马赫（MachE,1838-1916）提出的概念。他认为，“除有形实验外，还有在较高理智水平上使用的其他实验，即思想实验。”      

其实，思想实验在任何情况下都是有形实验的先决条件，每一个实验者和发明者在把有形实验转化为事实之前，都必须在头脑中进行有计划的安排。实际上，思想和实验的密切结合建立了近代自然科学。实验产生思想，思想接着进而转向于实验，再次比较并被修正。这样产生了新概念，如此反复不已。其实高中生物教材中的许多伟大的科学家如孟德尔、达尔文、摩尔根、鲁宾和卡门等人，都是进行思想实验的成功者。

3在概念教学进行科学探究的教学案例

高中生物教材的编写，充分体现了探究式教学的特点，许多概念的得出，如光合作用、酶等，不是直接给出概念，而是先介绍概念形成的科学史，最后再归纳总结出核心概念，广大生物教师可以在教学中实现主动探究学习与凸显重要概念传递的对接^[3]。

3.1光合作用科学史的教学案例

笔者在进行《光合作用的探究历程》一节的教学时，光合作用的科学史分为五个阶段：早期植物生长原因的研究，光合作用的发现，光合作用概念的形成，光合作用的深入研究，光合作用概念的拓展。

第一阶段补充了教材中没有的内容，即早期植物生物生长原因的研究，主要介绍亚里士多德的腐殖质学说和海尔蒙特桶栽柳树实验。运用多媒体教学创设情境，还原真实的科学探索时代背景，引导学生穿越时空隧道，体验探究植物生长的原因的艰辛历程：亚里斯多德认为植物生长物质来自土壤中腐殖质，海尔蒙特通过实验否定了亚里斯多德的理论，得出了植物生长物质来自水的结论，这种理论被当时的无土栽培技术所证实。课本中是这样表述的：“直到18世纪中叶期，人们一直以为只有土壤中的水分是植物建造自身的原料，而没有考虑到植物能否从空气中得到什么。”^[4]

第二阶段把光合作用的发现归功三位科学家的研究，即普利斯特利、英格豪斯和内比尔。普利斯特是在研究空气成分实验过程中，发现植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气。当有人重复他的实验却得出了完全相反的结论，即植物跟动物一样能使空气变污浊。这种争论引发了荷兰科学家英格豪斯的浓厚兴趣，1779年他做了500多次植物更新空气的实验，结果发现：普利斯特利的实验只有在阳光下照射下才能成功，植物体只有绿叶才能更新污浊的空气。笔者适时补充了内比尔的研究：1782年，瑞士的牧师塞内比尔注意到“植物恢复空气的活性取决于固定的空气”，知道1785年，由于发现了空气成分，人们才明确植物在光下放出的是氧气，吸收的是二氧化碳。

通过第一、第二阶段的教学，引导学生沿着科学家的探索历程，从土壤→水→空气来探究植物生长的原因，激起了学生浓厚的探究兴趣。

第三阶段系统是光合作用概念的形成，主要是介绍三位科学家的贡献，即梅耶、萨克斯和恩格尔曼。梅耶的研究，发现了光合作用过程中的能量转变。萨克斯实验发现了光合作用的产物有淀粉。恩格尔曼实验发现了光合作用的场所在叶肉细胞的叶绿体。

萨克斯实验和恩格尔曼实验，是引导学生模仿科学家的理性思维和巧妙实验方法，分析实验变量，设计原则和实验步骤的最好素材。

这一阶段，师生一起归纳总结光合作用的概念：绿色植物在叶绿体上利用光能，把水和二氧化碳合成有机物，并释放氧气的过程。及时要求学生书写光合作用反应式。

6CO₂+6H₂O C₆H₁₂O₆+6O₂

建议学生把反应式中的叶绿体、光、二氧化碳、水、葡萄糖、氧气分别标记为 、 、、 、、 ，然后按从到 的顺序理解记忆光合作用的概念。1898年，光合作用一词首次出现在英国教科书中，20世纪才广为流传。

第四阶段是光合作用的深入研究，即鲁宾、卡门实验，卡尔文实验的探索历程。光合作用释放的氧气到底来自二氧化碳还是水？鲁宾和卡门运用同位素示踪法，发现了氧气中氧元素全部来自反应物中的水。卡尔文也是运用同位素示踪法，利用小球藻做实验材料，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化为有机物的途径。由此可见，科学探究无止境，科学家们锲而不舍的探索精神令人钦佩。

第五阶段是光合作用研究的拓展：化能合成作用。主要介绍两位科学家的研究，一是1929-1931年，荷兰微生物学家，范.尼尔发现光合细菌能利用光能，但以硫化氢作为供氢体，光合作用拓展到微生物领域。二是科学家后来又发现某些微生物不能利用光能，但能利用其他能力合成有机物，即化能合成作用。并引导学生对比光合作用与化能合成作用的异同点。

运用探究教学方式，引导学生感悟科学在实验和争论中前进，许多科学家继承前人科学成果，汲取不同的学术见解，富有创新精神、锲而不舍，促进了科学的不断深入发展。

3.2基因分离定律的教学案例

孟德尔发现分离定律的遗传实验可作为思想实验体验科学探究的典例，学生要掌握它不能靠死记硬背，而是要遵循孟德尔对豌豆一对相对性状的研究的探究历程来进行教与学。 

首先总结分离现象：子一代都是高茎而没有矮茎豌豆， 子二代中又出现了矮茎豌豆，即出现了性状分离， 子二代性状分离比接近3:1。

然后依据课本中颗粒遗传的理论，解释孟德尔的4点假设：生物的现状由遗传因子决定的， 体细胞内遗传因子是成对存在的， 生物体在形成配子时，成对的遗传因子彼此分离，分别进入不同的配子中， 受精时，雌雄配子的结合是随机^[5]。并结合遗传图解，合理地解释分离现象。

再次，运用假设演绎推理，试图对F1的遗传因子组成进行验证，如果F1遗传因子组成是Dd，那么子一代就会形成D和d两种不同类型的配子，让F1与隐形亲本dd（只产生d型配子）进行测交，预期实验结果会出现1:1的性状分离比。孟德尔进行思想实验及假设演绎之后，再通过豌豆测交实验，其结果如课本提供的数据，高茎豌豆和矮茎豌豆的比例接近1：1，由此证明孟德尔的假设是正确的。

最后，师生一起总结出孟德尔的分离定律。在学习减速分裂和受精作用之后，对基因的分裂定律再度进行深刻理解。

让学生体验遗传定律发现的历程，领悟孟德尔科学实验方法——假设演绎法，感悟到科学探究的过程就是对假设演绎法这一理性思维验证的过程。

3.3实验探究唾液淀粉酶催化淀粉水解最适宜温度的教学案例

实验探究是生物高考重点考查的能力之一。笔者在《探究影响酶活性的条件》^[4]的实验教学中，引导学生遵循实验设计的思路，通过小组合作的方式，自行设计探究实验方案，具体过程如下。

首先，指导各组通过阅读课本实验文本，各组基于加酶洗衣粉的适用温度范围和人体消化液起作用的的最适温度（人体正常体温37）范围等生活和生理常识，提出问题：唾液淀粉酶最适宜的温度是多少？通过师生一起讨论，作出假设：唾液淀粉酶最适宜温度在37左右。

然后各实验小组讨论：本次实验的自变量、因变量和无关变量分别是什么？本次实验需要遵循哪些实验设计的原则？

师生一起归纳总结：本探究实验的自变量是温度，因变量是酶的活性，无关变量是PH值、酶浓度、底物浓度等。实验设计一般要遵循科学性原则、单一因子原则、等量原则和对照原则等。

第三步，各小组讨论如何设计实验步骤并选派一名代表汇报本小组实验设计的步骤。师生一起讨论，优化实验设计方案。得出如下实验步骤：

实验材料准备，设置实验12小组，每组取试管2支，分别标记为1号、1^，号，2号、2^，号，……12号、12^，号，取烧杯12个，编号为S1、S2、……S11、S12。

控制无关变量，在1-12号支试管中均装人5毫升新配制的质量分数为3%的淀粉溶液，均滴入2滴碘液；在1^，-12^，号试管中均装入1毫升新配制的质量分数为2%的唾液淀粉酶溶液。

控制自变量，通过冰水浴或水浴加热分别将各组烧杯温度控制在0、10、20、30、35、40、50、60、70、80、90、100。将12组实验中的两支试管放在对应的烧杯中保温5分钟。5分钟后，将每个烧杯中的两支试管溶液快速混合，混合后仍然放在各自烧杯中继续保温5分钟。

检测因变量：观察12支试管中，蓝色消退的速度。

特别是控制自变量的实验步骤，看起来很繁琐，难以做到准确表述，但必须严格要求学生在小组展示环节准确表述，并引导学生分析这样设计的目的是确保各组实验反应前后，底物和酶溶液均在控制的温度条件下。

优化实验步骤之后，还请学生预测实验结果：5号试管中溶液蓝色消退速度最快。进而引导学生得出结论：唾液淀粉酶最适宜的温度在37左右。

本实验教学案例，不仅训练了学生科学探究的一般方法，即提出问题、作出假设、设计实验、进行思想实验、预期实验结果和结论，进行表达和交流；而且让学生获得了实验的基本技能，即如何分析三个变量，如何遵循实验设计原则，如何分为四步设置实验步骤等。

总之，加强高中生物概念教学，并将概念传递与科学探究巧妙对接，是培养学生核心素养的重要途径。

参考文献

  [1] 吴成军，基于生物学核心素养的高考命题研究[J].中国考试，2016年，第10期：25-31

[2] 肖安庆，颜培军.高中生物核心素养的内涵与培养策略[J].中学生物学，2017年，第3期：71-73

[3] 刘恩山，在教学中实现主动探究学习与凸显重要概念传递的对接[J].生物学通报，2012年，第3期：33-36

[4] 朱正威， 赵占良. 普通高中课程标准实验教科书生物必修1 [M]. 北京：人民教育出版社，2007.

[5] 朱正威， 赵占良. 普通高中课程标准实验教科书生物必修2 [M]. 北京：人民教育出版社，2007.