实验活动优化生物学概念构建的研究

王 鹏 金明明

（1天津市滨海新区塘沽第九中学 天津 300455 2天津市滨海新区塘沽教育中心 天津 300450）

《义务教育生物学课程标准》（2011年版）在教学建议中明确指出：加强和完善实验教学，关注重要概念的学习［1］。实验活动可以把生命现象、生理活动、生物规律直观地呈现出来，实验凸显概念所包含的关键属性［2］，是概念产生、构建、理解和应用的重要途径，也是一种优化概念构建的有效方式［3］，实验结果是对新概念产生的重要依据。概念是在对客观事物的观察、实验、对比、分析、综合、抽象和概括等科学方法的基础上形成的［4］。有效开展实验活动，可以降低学习概念的难度，优化概念构建的过程，使重要概念的构建过程螺旋上升式发展。

1 充分安排预实验，形成科学前概念

客观知识依存的基本方式是背景、经验和逻辑［5］。学生已有的前概念有正确和错误之分，利用学生头脑中或片面、或错误的前概念转变为科学概念，是形成概念的重要过程。做好预实验，可为实验材料和仪器药品的选择、过程创新等奠定基础，同时可修正、完善学生的已有经验和前概念。

例如，进行“绿叶在光下制造淀粉”实验时，教师依据课程标准、教材，设计并进行前概念调查，结果显示：①多数学生认为绿色植物的叶片都能作为实验材料；②光照时间长短对实验效果影响不大；③50%学生认为没必要进行暗处理；④多数学生认为光、叶绿体是光合作用的条件，光合作用的产物是淀粉。根据学生的前概念、实验材料的成本、季节等问题，教师指导学生进行预实验。组织学生因地制宜地精选校园的常见资源——锦葵、爬山虎、黄瓜、长春花、薄荷、桑叶、凤仙花等近10种植物的叶片，进行1～6 h不同光照时间的预实验、结果分析，最后选定桑树苗和凤仙花脱色时间较短的2种植物作为课上实验材料，其他实验结果作为课上实验的补充，利于学生全面认识光合作用普遍存在于绿色植物之中。这些实验材料校园内随处可见，有草本、木本植物，可丰富实验材料；用不同光照时间，可完善实验过程。在预实验中，学生亲历实验材料的选择、处理、现象观察及结果分析，利于正面佐证或纠正前概念的问题，形成正确的新概念，初步感知光合作用的条件、产物。同时，教学中还要发挥科学前概念的正迁移作用，使之成为学习新概念的铺垫、资源，成为概念学习的必要过程。

2 实验导学促进概念螺旋式构建

实验导学是通过一系列相互联系的实验，将教材内容重新组织和整合，以具体化、生活化的方式呈现给学生，学生在观察、实验、分析中，体会概念间的联系，构建和理解重要概念［6］。很多重要概念是由若干下位概念构成的，通过实验活动获得生物学事实——下位概念，引导学生综合分析下位概念得出重要概念，这一过程是学生构建重要概念的过程，也是学生理解概念的过程［7］，而实验在其中起了重要作用。

2.1 明确重要概念，精心设计实验活动 依据课程标准、教材内容明确要构建的重要概念，精心设计实验活动，是概念构建的前提。例如学习“发生在肺内的气体交换”时，教师确定了重要概念和实验活动间的关系（图1），设计了7个环节：亲身体验创情境→经典实验→小实验→小组实验→亲身体验→模拟实验→表格总结，设计了6个相互衔接层层递进的活动，激发学生探究气体的流动，胸廓与呼吸肌的关系，呼吸运动等概念，帮助学生螺旋式形成“气压、气体流动，气压和容积关系，胸廓与呼吸，膈肌与呼吸的关系，以及胸廓和呼吸肌协作完成呼吸运动”的重要概念。

图1 “肺与外界气体交换”实验活动与概念构建

2.2 演示实验破解物理学概念，解释生命现象学生演示实验过程可增加直观性、体验性，给学生带来更多的感性刺激和视觉冲击，最大程度地使学生感受实验过程，激发学生探究实验原理的动机进而构建概念。“肺与外界气体交换”涉及到气体流动、大气压、容积与气压的关系等物理学概念，7年级学生没有相关物理学知识的铺垫，因此教师设置了学生演示活动：马德堡半球的经典实验和鸡蛋进奶瓶的小实验。

2.2.1 重现经典实验，身临其境感受 “气压”传统经典实验渗透着科学家的思维和探究过程，引导学生在体验科学家对问题的认识和探索的过程中，逐渐构建概念。利用物理学实验用具马德堡半球模型，指导学生演示实验模型，真实还原经典的实验过程，使学生身临其境地感受实验，感受科学家探究历程，形成自然界存在气压这个事实，体会科学家的探索精神和用事实说话的科学态度。

2.2.2 创新小实验直观呈现概念 简单有趣的小实验，能有效降低概念的难度，帮助学生直观化地形成、理解较抽象的概念。例如探究气体流动的方向，学生演示“鸡蛋进奶瓶的实验”：在奶瓶中放置燃烧的纸条，然后将去皮的熟鸡蛋迅速放在瓶口，鸡蛋进入瓶内。通过鸡蛋的运动状态，直观地呈现气体从气压高“流向”气压低的事实，将抽象的事物具体形象化，用物理学概念解释生命现象，为后续概念的学习提供支撑，优化了学生构建概念的过程。

2.3 模拟实验促进概念递进式形成 模拟实验是通过模拟物质组成、实验模型、实验原理、生命现象、生命活动的一种实验方式，教师内化生命现象、原理和过程，利用身边易获得、简单易操作的实验用具的发生作用原理，体现生命活动发生的原理，从现象到本质，从直观到抽象递进式构建概念。

2.3.1 模拟小实验深化概念认识 为帮助学生构建气压与容积间关系的概念，在前2个演示实验的基础上，教师设计了注射器模拟小实验，通过系列问题串的驱动和实验体验，学生顺其自然认识到气压与容积间的关系，自我构建概念表象，通过讨论交流达成共识（表1）。前一个实验为下一个实验做铺垫，层层递进地完成“气压→气体流动方向→容积大小与气压的关系”物理学概念的传递，深化对呼吸原理的认识。2.3.2 模型模拟强化概念的形成过程 直观形象的教具、模型可以变抽象为具体，丰富学生的感性认识，从立体模型的角度，让学生进行概念的探索和发现，让“死”的概念“活”起来。

表1 “注射器”模拟实验与概念构建

教师指导学生小组合作自制膈肌模型，进行模拟实验。利用塑料瓶模拟胸廓，Y形管模拟气管和支气管，2个小气球模拟肺，底部橡皮膜模拟膈（图2）。人体中，肋间肌和膈肌能有节律地收缩与舒张，引起胸廓有节律地扩大和缩小。本实验通过下拉、上推橡皮膜，模拟膈肌的收缩和舒张。在拼插、组装模型的过程中，学生巩固已有呼吸系统结构的概念，在下拉与放松、上推与放松橡皮膜的实验过程中，直观感受橡皮膜——膈肌收缩和舒张时，胸廓容积在纵向（上下径）的变化，以及小气球体积的变化，实现呼吸运动的生物学事实，搭建了理解膈肌、胸廓、与肺内外气压差之间关系的梯子，促进构建膈肌变化与呼吸运动关系的重要概念，实现概念的递进式发展。

图2 自制装置模拟膈肌收缩舒张与呼吸运动的关系

表2 膈肌模型模拟与概念构建

实验导学的系列活动具有关联性，前一个实验的下位概念，为下一个实验做理论基础和铺垫，每个实验产生的概念又层层递进地完成气压→气体流动方向→容积与气压间关系的概念原理，为后续重要概念形成提供理论基础。再通过模拟和体验活动，从横纵2个方面对呼吸运动进行概括，形成呼吸运动过程的重要概念（表2）。通过系列逐渐深入有联系的实验获得若干概念，分析概念间的关系，深化认识，螺旋上升式构建重要概念。

3 实验活动促进概念模型的构建

概念模型是以流程图的形式对事物的活动规律、机理和过程进行描述，包含中心概念、内涵和外延3个要素［8］。实验中，引导学生观察实验现象，引发对实验现象的思考，通过不断设疑求证，归纳形成若干一般概念之后，通过归纳分析整合成完整的概念体系［9］，最后概括形成概念模型，利于整体认识理解重要概念。

图3 “绿色植物与生物圈的水循环”概念模型

例如，学习“绿色植物与生物圈的水循环”时，教师引导学生完成植物蒸腾实验，将实验结论整合构建下位概念模型，形成“叶是蒸腾作用的部位”的下位概念。根据下位概念设疑：叶上有何结构可以蒸发水蒸气？通过“气孔数目实验”证实叶上有气孔，不同绿色植物上、下表皮气孔数目不同的概念，继续设疑引出观察叶的结构实验，形成叶片基本结构的认识，再将概念继续延伸到水分在植物体内的运输和吸收，形成多个有联系不断深入的下位概念，最后通过分析综合、高度概括各下位概念间的联系，构建全面、清晰的“植物参与生物圈水循环”的重要概念模型（图3）。

总之，依托实验活动构建重要概念，重在关注学生对概念的产生和传递过程，为学生主动参与学习提供更多可能，或修正完善前概念，或直观化呈现概念，形成概念的表象，或转化应用概念，构建概念模型，优化了整个概念的构建过程，实验活动为学生搭建生成概念的梯子，真正意义地实现概念的学习。