例谈科学探究的层级分析与教学切入

甘肃省玉门市第一中学(735211) 罗建义

1 基本型实验探究,培养学生实验器材的使用、操作及实验能力

基本型实验探究是对高中学生学习生物实验的最基本要求,包括学习和使用显微镜、放大镜等目视光学器件。熟悉烧杯、试管、培养皿等实验器具并正确运用。还包括基于给定的实验方案,学生能够完成相应的实验操作、现象观察,并能以文本、图表的形式记录或处理实验数据,得出正确的实验结论等。

人教版生物教材必修一中“使用高倍显微镜观察几种细胞的实验”及必修三中“土壤中小动物类群丰富度的研究实验”都要求教师在课前引导学生熟悉显微镜、放大镜等实体镜的正确使用方法,正确的理解实验原理、步骤、现象观察等。特别在土壤中小动物类群丰富度的研究实验中,教材要求学生能够根据预设的实验方案,选择直径为5cm 的硬质金属饮料罐,能够独立的制作取样器,并选择合适的取样地点采集土样,能够熟练的使用诱虫器或吸虫器采集土壤小动物,学会运用显微镜或放大镜对土壤小动物进行观察和分类,能够运用科学的统计方法,设计数据收集统计表,通过分析收集的数据,用文本科学的描述实验的结论。可见,基本型实验探究是高中学生实验教学的最低要求,教师要引导学生从熟悉仪器的性能入手,熟悉实验的基本原理及各实验步骤的目的与要求,掌握科学的数据处理方法,学会用文本、图表记录或处理实验数据,引导学生得出科学的实验结论。

2 诱导型实验探究,培养学生正确选择实验方案及研究合作探究的能力

诱导型实验探究,指学生在正确使用实验工具进行观察的基础上,能够根据具体的语言情景提出问题,对给出的多个方案能够进行甄别、从中选择出恰当的方案并予以实施,能够如实的记录和分析实验结果,能与他人合作完成探究,能够对获取的数据进行分析与加工,得到科学的实验结论,这是科学探究能力培养的第二个层级。

人教版生物教材选修一在“DNA 的粗提取与鉴定”的实验教学中,教材呈现了鱼卵、猪肝、菜花、香蕉、鸡血、哺乳动物的红细胞等多种实验材料,要求学生从中选择出合适的实验材料。选择正确的细胞破碎方式处理材料,获得了含DNA 的滤液后,教材呈现了3种纯化提取DNA 的方案：①利用DNA 在不同浓度的DNA 溶液中溶解度的不同,通过控制NaCl溶液的浓度提纯DNA；②在滤液中加入嫩肉粉,利用嫩肉粉中的木瓜蛋白酶分解蛋白质来提纯DNA；③将滤液放在60～75 ℃的恒温水浴箱中保温,通过严格控制温度范围来提纯DNA。在实验教学中,教师引导学生展开讨论,分析3种纯化方式的基本原理,方法步骤的差异性,引导各小组选择其中1种或2种方式纯化DNA,小组内学生彼此合作,记录纯化所得DNA 的颜色和数量及利用二苯胺鉴定DNA 后的颜色状况,结合其他小组的实验数据,分析比较哪种材料提取DNA 效果好,哪种提纯方法提纯效果好。通过比较分析,得出鸡血细胞液中的DNA 易于提取,利用方案①纯化DNA 更易操作的实验结论。可见,诱导型实验探究既要求学生熟悉实验器具的使用,又要求学生根据具体实验情境,正确的选择实验方案,通过同学间彼此合作与探究,采用科学的数据处理方式,得出正确的实验结论。

3 自由型实验探究,培养学生针对特定情境提出问题、设计方案并开展探究的能力

自由型实验探究,指学生能够熟练地运用工具展开观察,针对特定情境提出可探究的生物学问题。基于给定的条件,能够设计并实施探究实验方案。运用多种方法如实记录和分析实验结果。在小组学习中能主动合作,推进探究方案,并运用科学术语报告实验结果,这是科学探究能力培养的第三个层级。

在学习了选修一酵母细胞的固定化一节后,有学生质疑配制物质的量浓度为0.05 mol/LCaCl2溶液的必要性,还有学生提出用其它浓度的CaCl2溶液是否可行呢。为了答疑解惑,笔者引导学生设计实验方案展开探究：①选择同型号的试管8支,分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8,依次加入0mol/L、0.05 mol/L、0.4 mol/L、0.8 mol/L、1.2 mol/L、1.6mol/L、2.0 mol/L、2.4 mol/L 的CaCl2溶 液；②配制海藻酸钠溶液：称取7g 海藻酸钠,置于500mL烧杯后,加入100mL水,小火间断加热,反复几次,直到海藻酸钠完全融化为止,用蒸馏水定容至100mL；③将融化后的海藻酸钠溶液冷却至室温,加入已活化的酵母菌,混合均匀；④用注射器吸取混有酵母菌的海藻酸钠溶液,以恒定的速度分别向8支试管中滴加10mL 混有酵母菌的海藻酸钠溶液,观察各试管中凝胶珠的形成状况,测定凝胶珠完整率；⑤分别向8个试管中加入5mL 质量分数为10%的葡萄糖溶液,封口后在25 ℃条件下发酵24h,向各试管中分别加入等量的经盐酸酸化的重铬酸钾溶液,观察各试管中溶液的颜色变化。实验结果表明,随CaCl2溶液浓度的增大,凝胶珠数量上升,完整率增加,2.0mol/L的CaCl2溶液凝胶珠数量、完整率达到高峰,之后逐渐下降。教师引导学生分析,发现CaCl2溶液浓度过大,凝胶珠机械强度过大,通透性降低,影响葡萄糖加入颗粒内部,发酵效果较差。由此可见,教材中选择0.05mol/LCaCl2溶液包埋酵母细胞,只为包埋酵母细胞提供了一个可能条件。针对酵母细胞的包埋过程,学生提出了可探究的生物学问题。基于给定的条件,教师要引导学生设计并实施实验探究方案,如实记录和分析了实验结果。学生在小组学习中主动合作,推进了科学探究能力第三个层级的教学,培养了学生针对特定情境提出问题、设计方案与探究能力。

4 反思型实验探究,培养学生针对真实情境提出问题、设计方案与独立探究的能力

反思型实验探究,是基于实验培养学生科学探究能力的最高要求。要求学生能够恰当、熟练的运用工具展开观察。针对日常生活的真实情境能够提出清晰的、有价值的、可探究的生命科学问题,或基于对相关资料的查阅,设计并实施恰当可行的方案,能够运用多种方法如实记录,并创造性地运用数学方法分析实验结果,在团队中起组织和引领作用。能够运用科学术语精确阐明实验结果,并展开交流。

反思型实验探究重在解决生活中的实际问题,教材中案例较多,如必修一中“探究酵母菌细胞呼吸的方式”、必修三中“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”等。教学中教师要根据学生学习、生活的具体情境,选择适宜的探究主题。如学习了选修一微生物的分离与培养后,有学生想知道食堂、教室、厕所3个地方中,哪个地方大肠杆菌的数量多；有的学生想知道青霉素、大蒜汁、唾液3种物质中,哪种物质的灭菌效果好。在学习了植物种群密度的调查一节后,有学生欲调查学校植物园内蒲公英的种群密度。这些问题具有一定的代表性,教师可引导学生设计探究方案展开探究,引导学生记录、分析探究过程中获得的实验数据,评估哪些因素会导致探究结果偏高,哪些因素会导致探究结果偏低,科学分析,运用科学术语阐明实验结论,促进学生探究能力的提升。

科学探究是学生核心素养培育中的重要一环,只有深入研究科学探究的不同层级,才能根据学生的知识、技能、情感水平,选择合适的层级切入教学,做到因材施教,促进学生科学探究水平的不断提升。