生物实验教学的自组织

林拱标

一、实验课堂的开放性

教学系统的开放性是实现课堂自组织的前提条件，课堂教学是在教师引导和组织下的师生活动，生物实验课则是以学生“探究”活动为主的课堂。虽然学生实验的探究多数具有模拟性、验证性和再现性，并非真正意义上的科学探究，但从科学本质来看，学习与研究是统一的，探究使学生实验的开放性特征更加明显。根据建构主义理论，学生对认知的获取一直保持开放的状态。因此，从课堂的开放角度来看，教师系统的开放性起着关键的作用。

教师系统的开放性，就是突出教师的主导作用，创造条件使学生思维远离平衡，并强化这种不平衡状态，调控“涨落”的正反馈条件，促进学生学习的自组织，即教师要做学生课堂学习“催化剂”。以高中生物必修①的探究“植物细胞的吸水和失水”为例，教师可以从多角度去调控实验课堂的开放性：

（1）实验材料选择：除了经典的紫色洋葱外表皮，有资料提到还可用朱槿花瓣、马齿苋的茎等。另外，还可考虑在不同生长环境如盐碱地、干旱地区中的植物为材料。

（2）实验溶液选择：蔗糖溶液以外，还可以选择NaCl、KNO3、葡萄糖、尿素等等溶液。有的老师建议使用胭脂红溶液①，可以兼顾验证细胞壁的全透性。

（3）处理方式选择：教材建议使用0.3g/mL的蔗糖溶液，这也仅是常模数据。使用不同溶液，其选择的浓度范围也不尽相同，处理材料的时间也有差异。即使同样使用蔗糖溶液，不同条件下（如温度）的实验效果也会有差异。另外，利用一定浓度的溶液处理整体材料或离体材料，实验过程和结果都会有变化。

只要规范操作，实验结果都会有一定意义，哪怕不是符合理想的结果。例如使用的溶液浓度过高，会导致细胞很快死亡，原生质失去选择透过性，出现不加清水也会有质壁分离复原的“假象”，这一样可以让学生理解植物细胞吸水和失水的原理。所以，实验的选择性为课堂的开放性创造了有利的条件，影响课堂开放的重要因素还是教师，需要教师转变传统的教学观念和思维方式，让学生成为课堂的主体。

二、教学过程远离平衡态

普利高津认为：非平衡的有序之源。教学系统远离平衡态，才有可能进入有序的自组织状态，学生认识之所以不断提高，是因为原有认知结构的平衡状态被外来的刺激所打破，发生“同化”或“顺应”作用，获得认知重组，达到另一个新的平衡。

教学过程的开放，为系统远离平衡态提供了条件，实现课堂教学系统远离平衡，关键是要有真实的交流。现有的中学生物实验，都是对已知生物学原理的验证，“探究”仅是模拟科学探究过程，系统的输入和输出容易出现平衡态，使系统朝着均匀、无序和简单的方向发展，不可能产生自组织结构。生物实验的控制原理，正好是调节系统平衡的“杠杆”，特别是学生对单一变量的理解并不深刻时，如探究“影响酶活性的因素”实验中，一般不主张用过氧化氢酶来探究温度对酶活性的影响，温度可以影响酶的活性，过氧化氢酶也不例外，为何不主张使用？这样打破了学生的思维平衡，让学生去发现这时实验并非单一变量，温度不仅影响酶的活性，还直接影响过氧化氢分解，高温还可能使过氧化氢强烈分解产生危险。

来源于学生思考的问题，比教师提问更能打破系统平衡。开放性实验可以为学生提供很多问题情景，实验“叶绿体色素的提取与分离”，诸多因素影响实验效果，如取材、研磨的质量及时间长短、提取液的浓度、纸层析的方式、色素分离的时间等等。同样的材料、同样的操作程序，可能会有不同实验结果，学生通过对实验结果交流、观察和比较，从而产生认知冲突并形成自组织结构，这比起教师提问类似“研磨时加CaCO3有什么作用”等问题，更有利于他们理解实验原理。

三、教学的非线性发展

教学系统本身就存在非线性的特征：①学生的个体差异，使学生系统呈非线性关系；②教学目标多层次，如了解、理解和应用等，这些目标也是非线性关系；③教学活动过程也具有非线性特点，教学内容、教学环境的（下转第72页）（上接第67页）不同；教学的组织形式也不同。④教和学之间是非线性的，教师怎样教、教多少，跟学生如何学、学多少并不是线性关系，还取决于系统内各要素的相干效应和协同作用。

课堂的生成性很多时候表现在学生的直觉思维上，学生已有的认知和经验，也为直觉思维提供了必要的依据。例如用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度，对于样方的计数，学生可以凭直觉思维判断：四条边线上的个体不能全部计数，只能取两条边上的。探究“温度影响酶的活性”实验，学生也可以预测淀粉酶的最适温度应该接近人的体温。

实验观察为学生直觉思维提供了大量的感性材料，学生在实验中非线性的“试误”，实际上也是促进教学有序发展。“探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度”这一实验，选用的药品多样化，如有吲哚乙酸（IAA）、萘乙酸（NAA）、吲哚丙酸（IPA）、吲哚丁酸（IBA）等；实验材料也没统一，可以是花卉或绿化树种。因此实验结果也呈多元化，为学生提供丰富的直觉思维依据：①预实验有助于更准确的判断；②同一药品处理不同材料，最适浓度不同；③同一材料使用不同药品，浓度范围也有差异；④同一品种的植物使用相同的药品，枝条的老幼程度不同，对药品的敏感度也不同；⑤其他因素差异如环境温度、湿度、处理时间等，也会有不同的实验结果；⑥实验所得到的最适浓度，不一定是实践生产中的最佳浓度。实验教学的“不拘一格”，更好地促进教学系统非线性发展，形成实验教学中的“涨落”，进而促进学生学习系统的自组织。

① 曾群珍等，植物细胞渗透失水和吸水实验的创新设计，生物学通报，2010（10）：48

责任编辑 潘孟良