促进学生思维深度提升的实验创新教学

邰玉韦

当前教育的核心在于发展学生的科学思维。《普通高中生物学课程标准（2017年版）解读》一书中将学生科学思维的发展聚焦为三点：质疑是思考的视角、实证是判断的尺度、逻辑是论辩的准绳。生物学是一门以观察和实验为基础的自然学科，实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一，学生对自然界进行探索时，假设、实验、论证、评价、解释、得出结论的过程都需要使用科学思维。教师要加强和完善生物学实验教学，尤其是借助实验创新教学，可以促进学生深度提升科学思维，落实生物学学科核心素养。

1创设有趣味、有价值的实验情境，促进学生思维深度参与

苏霍姆林斯基说过：“在人的心灵深处，都有一种根深蒂固的需要，这就是希望自己是一个发现者、研究者、探索者。”一方面，学生的学习和思维的形成需要建立在一定的认知基础之上，如学习兴趣、生活经验、认知水平、认知冲突;另一方面，重要概念的形成需要在提供恰当的情境中，先让学生在亲身体验中获得丰富的感性认识，然后再通过科学探究、推理论证等活动上升为理性认识。因此，在学科核心素养视角下，教师创设具有科学性、生活性、趣味性和价值性的实验创新教学情境，更能激励学生积极参与，促进学生思维深度参与。

以“探究草履虫对外界刺激的反应”一节教学为例，不同版本的教材中多使用显微镜来观察草履虫对外界刺激的反应，实验效果不理想，没有突破学生原有的认知。其主要原因有以下几种：

①盖盖玻片后会将草履虫挤开，影响了草履虫活动。

②受到显微镜视野的限制，观察时需要左右移动玻片才能看到完整的草履虫运动过程，而移动后，原来的视野就发生了变化，甚至就找不到了。

③学生移动载玻片时容易增加实验变量，影响实验结果的准确性等。

课堂上，教师提供了自制的观察工具装置，有效地解决了这些困难。该实验装置用到的器材有：黑色泡沫、小灯珠、100mL小烧杯一个、500mL烧杯一个、载玻片一枚、放大镜一个。这些材料都是学生生活中比较熟悉的，学生看到后感觉很亲切。在本实验中，还增加了光源，同时又提供了质量分数分别为5%的食盐溶液和5%的冰糖溶液作外界刺激物，充分调动学生探究的热情，实验效果非常明显。通过观察与探究，学生从开始的质疑到设计实验方案、实施实验、论证和解释实验结果等一系列活动，逐渐理解了草履虫具有“趋利避害”这一特性。在教学最后拓展环节，教师提供了硫酸铜溶液（模拟冶金工业废水）作为外界刺激物。学生通过观察直观的实验现象，发现草履虫对水体污染的反应很灵敏。这样既启发学生大胆设想可以利用草履虫应激反应的灵敏性在做水体检测的探索，又使学生理解了人与自然和谐发展的意义，形成初步的环境保护意识。

在课前调查中发现，一部分学生对“草履虫会对外界刺激产生一定的反应”持质疑态度，认为：草履虫是单细胞生物，没有发达的神经系统，不能对外界的不同刺激物进行识别和作出相应的反应。质疑是思考的起点。学生带着疑问进入了新的实验情境中。教师引导学生通过实验设计，运用一定的科学探究方法，进行实验结果的论证和分析。几乎所有学生在原认知的基础上都有了新的认识和收获，主动地运用实验证据来修正已有的解释或支持了自己的观点。学生学会了运用实证为判断的尺度，提升了科学思想和科学方法。本节课实验情境中的实验装置、实验材料和探究方法的改进以及实验内容的拓展，对于学生的学习和能力提升很有价值，有效落实了课程教学目标。

2聚焦分层问题和实验任务驱动，促进学生思维深度提升

任务驱动是高阶思维发展的动力。学生思维的深度参与，往往在完成具体的情境任务中表现出来，高阶思维的品质、高阶思维能力的发展与系列深度问题下的实验任务息息相关。在任务驱动的实践体验中，从学生身上反映出洞察力、想象、预测、设计、行动、生成、展示、互动、鉴赏、评价等行为或倾向，可以发展学生的问题解决能力、批判性思维与创造性思维。

在“植物的呼吸作用”一节实验教学中，发现学生对植物体有没有呼吸作用没有直观的感受，对植物的呼吸原理还没有形成科学的认识。因此，实验创新教学设计可以聚焦分层问题和实验任务驱动。

任务1：确定探究问题。教师同时抛出3个问题，每個学习小组自主选择探究主题，并作出假设：

①萝卜的呼吸会消耗氧气吗？

②萝卜的呼吸会产生二氧化碳吗？

③萝卜的呼吸过程中，会释放能量吗？

然后，教师分发组卡，学生明确氧气组、二氧化碳组、能量组。

任务2：制定计划，搭建实验装置。教师出示两等份的新鲜萝卜和煮熟萝卜实验材料，明确形成对照实验。再逐一出示实验器材，由学生说出每种器材的用处。各小组再讨论针对研究的问题需要选择的器材，设计并搭建实验装置、讨论检验方法并预估实验结果。

任务3：展示和评价实验装置。各小组展示搭建的实验装置并简要说明，相同探究主题的所有小组共同展示，其他学生提出质疑或给出合理的建议。相同探究小组之间比较学习，其他小组观摩、质疑或提出修改建议。

任务4：实施实验并展示实验结果。学生有成功、有困惑、有猜想、有创新，收获满满。

最后，教师拓展，并引导学生磁铁卡片建构呼吸作用概念模型。

教师以问题为线索，以实验任务为载体，促进实验过程与思维有机结合，使学生在不同探究实验任务之间产生思维碰撞。生成连连不断，智慧频频进发，师生、生生之间形成了多元化意义沟通，实现了协同发展，实现了各个层次的学生进行自我提升。学生有了“定量”的意识，形成以事实和证据作为科学思维的认知方式，明显加深学习程度，提升了思维有深度，增强了学习效果。分层问题和任务驱动化设计有多种，如设计一份调查报告、一个实验方案，完成一个实验、一个模型作品、一次访谈或角色扮演等。学生只有通过丰富的实践经验，才能促进思维向深度发展。

3适时提供“示范”式教学引导，促进学生思维深度提升

在实验教学中，有思维深度的创新体验活动对于学生来说往往都具有一定的思维难度，教师要适时提供“示范”式教学引导。“示范”式引导既有范例含义，又包含行为需要基本规范要求的内涵。当学生面对有多种可能性选择时，“示范”式引导取向于建立有价值取向性的标准，能够激发学生的学习興趣，及时帮助学生行为上的选择判断。“示范”的主体可以是教师，可以是学生，也可以是真实性情境等。这样的“示范”式引导有助于降低思维障碍，促进学生及时深度参与到自主探索、动手实践活动中，及时解决教学中的困惑，推进教学活动向深度发展，进而提升学生的深度思维。

“蚯蚓在什么样的物体上爬得快”是苏教版《生物学》（七年级上册）“探索生命的方法”一节中的探究实验内容。教材设计的意图是让学生体验一次探究的全过程，并感悟和理解科学探究的一般过程。在探究过程中，学生对比观察蚯蚓在硬纸板上和玻璃板上两种运动状态，理解实验变量的含义并初步学会设计对照实验。此探究实验的设计方法简便易操作，但实验过程中的影响因素过于复杂，如蚯蚓运动活力不同，观察指标速度的判断，实施和论证过程有一定的难度，实验结果不理想。因这个实验在七年级第一学期开学不久，若实验影响因素过于复杂，实验结果得不到有效保障，将会影响学生理解科学探究的过程和科学探究能力的形成，难以达成教学目标。教师面对这样的教学困境，就要想办法降低难度，提供一定的帮助，或提供“示范”式教学引导，或改进实验情境。

笔者将原实验改为“探究洗涤剂稀释液对蚯蚓刺激的反应”，观察蚯蚓在清水和洗洁精稀释液不同刺激下的两种反应状态。改进实验的实验效果比较理想，有效达成教学目标，有利于学生形成科学探究能力和科学探究思维。但在这个新的实验情境中，实验变量的控制难度虽然减低了，但学生也需要一定的“示范”式教学引导。按照学生现有的认知水平，学生还不能科学地使用量筒量取液体体积，教师可以示范如何用滴管量取1mL清水或洗涤剂稀释液。又如，在设计对照实验时，教师最好提供一张探究工作单进行“示范”式引导，把自变量和因变量同时列在一张表格中，确定学生能够识别出实验中的单一变量因素后，才能开始实施实验。在实验结束时，被洗涤剂稀释液滴过的蚯蚓应该怎样及时用清水处理再放回土壤中，也需要进行一定的“示范”式引导。教师适时提供以上“示范”式教学引导，是为了更好地吸引学生的注意力和主动性，更好地促进学生思维深度发展。

4创新开展实验考查评价，促进学生思维深度提升

实验在生物学课程中具有独特的价值和魅力。科学经典实验永远启迪人类智慧。“实践出真知”“事实胜于雄辨”是能穿越时空的教学法则，也是众多教学策略中的首选。实验能力一般包括实验操作、实验观察和实验认知;科学探究能力一般包括科学思想的建立、科学知识的掌握、科学方法的运用和表达与交流，科学探究能力的培养在实验操作的环境中更容易深入培养。创新实验教学评价可以突破教材内容的范畴，直指学生发展的核心素养。创新实验评价方式需要将动手实验操作与纸笔测试有效融合。教师只有基于真实情境，回归日常生活，才能有效提升学生内隐的学科关键能力，才能进一步完善实验教与学的品质，促进学生思维深度提升。

以“探究水对大豆种子萌发的影响”实验考查为例，考查对象为初二学生，实验考查时间为15min。实验考查的目的指向学生的实验探究能力。考查内容主要包括：选择实验器材、选取实验对象、设计对照实验、整理实验器材;操作过程中包括绘制种子萌发记录表。实验考查准备：教师提前帮助学生准备好相关的实验器材，如纸巾、培养皿、标签纸、洒水壶、黄豆种子、工作单。实验考查方法：学生单人单桌，在规定时间内完成实验操作内容;教师现场对每位学生的操作行为表现和探究工作单相关内容的表达进行即时评价。实验考查结果评定可以分合格或不合格，也可以按照学生能力表现水平层次从高到低划分A、B和c三个等级。教师实验考查评价表见表1。

实验操作评价方式是在新颖、简单、真实的实验探究隋境中，借助“探究工作单”，让学生实验探究不同水平层次的能力真实地表现出来，从而获得学生实验探究能力真实数据;并基于学生实验探究能力的不同维度，对学生进行相对真实的评价和反馈。教师只有开展有效评价，才能真正了解学生的科学思维和科学探究能力的水平层次;只有在认真分析评价结果的基础上，才能促进学生进行更多地创新思考，才能进一步明确学生实验探究能力和科学思维的发展方向。实践证明，实验考查的内容越具有探究性和开放性，越能从操作评价走向学科关键能力评价，促进教师真正转变课堂教学方式，追求理科学科味道，彰显理科学科魅力。

在生物学教学中，教师要立足于发展学生核心素养，立足于学生的实际能力发展需要，不断地改善课堂教学方式，大胆进行有价值、有思维深度的实验创新教学，帮助学生在生物学学习过程中逐步形成正确的价值观念、必备品格和关键能力。