高中实验教学：从科学探究到科学思维

蔡利永

2003年，教育部印发的普通高中课程方案和课程标准实验稿，指导了十余年来普通高中课程改革的实践，坚持了正确的改革方向和先进的教育理念，基本建立起适合我国国情、适应时代要求的普通高中课程体系。十余年来，随著课程改革的有序推进，课堂教学也发生了深刻的变化。“倡导探究性学习”作为当初《普通高中生物学课程标准（实验）》提出的四个基本理念之一，得到了广大生物教师的重视。在生物学教学尤其是实验教学过程，教师积极探索新的课堂教学模式，力图促进学生学习方式的变革，引导学生主动参与探究过程，为学生关键能力的培养摸索了一条有效的途径。

1 基于科学探究的实验教学现状

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。实验教学可以帮助学生形成概念，理解和巩固生物学知识，培养学生观察现象、分析问题、解决问题，初步掌握一些常用的生物学实验技能，培养学生实事求是的科学态度和科学方法。新课程实施以来，广大教师以实验教学为载体，积极培养学生的科学探究能力。

1.1 实验教学得到了足够的重视

一直以来，实验教学由于受到时间（课时）太紧、实验难度太大、对教学帮助不大等因素的影响，高中生物学必修教材实验的开设情况令人堪忧。但近几年来，随着课程改革的推进，广大教师思想上发生了较大变化，认识到了实验教学的重要意义以及其承载的功能，从而克服万难，积极开设实验课，尤其在平时的教学过程中实验课的开出率有了明显的提升。生物课也受到越来越多学生的喜爱和期盼。

1.2 从验证性实验走向探究性实验

传统实验教学从教学方法看存在教师讲解太多、背诵记忆太多和机械笔试太多等突出问题，从教学内容看存在定性实验太多、验证实验太多和实验规定太多等突出问题。这些突出问题导致学生实验的主动性不够，被动实验仍处于主导地位，知识本位仍是实验教学的主旨，学生创新实践能力低下。当前，广大教师在实验教学中积极主动将“验证实验”变为“探究实验”，为探究性实验创设真实情境，鼓励学生自己观察、思考、提问，并在提出假设的基础上进行探究活动方案的设计和实施。

1.3 以问题激发规范化的探究性学习过程

课改当初，教师在设计和实施实验时，为实验而实验，为探究而探究的现象还是比较普遍的，很多探究活动流于形式，没有问题的引领，没有规范的探究过程，没有学生的自主，意义不大。近几年的实验教学中，广大教师积极为学生的探究性学习创设各种科研、生活，生产实践等方面的真实情境，尤其通过问题链或问题串的形式激发学生的探究热情和思维，指导学生在问题的基础上提出假设，进行探究活动方案的设计和实施。同时，广大教师也注重科学探究的规范性操作，注重科学探究的完整性，帮助学生掌握科学探究的基本思路和方法，从而切实提高学生的科学探究能力。

2 基于科学思维的实验教学策略

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。科学思维能够支持学生获取新知识，学会如何使用知识，建构并评价假设和观点。具备科学思维的学生能够成为独立的学习者，能够自主地为自己的问题寻求答案。生物学学科核心素养的四个要素是一个统一的整体。科学思维和科学探究互为倚重，科学思维是科学探究的重要内涵，科学探究是科学思维的实证过程。实验教学在注重科学探究的同时，也为学生科学思维素养的培养开创了新的途径。

2.1 在实验准备中培养学生归纳与概括的能力

人们对事物的认识往往从个别开始，然后扩展到一般，再从一般进一步认识个别。归纳就是在个别中发现一般的推理形式和思维方式。概括是指把抽象出来的个别事物的本质属性连接起来，推及到其他同类事物上去，从而归结全类事物的共性的思维方法。

实验开始之前，教师一般都要准备好相应的实验材料。例如，检测生物组织中的还原糖，要准备苹果或梨的新鲜匀浆;检测生物组织中的脂肪，要准备花生去皮种子的匀浆;检测生物组织中的蛋白质，要准备豆浆或鸡蛋清液。对于选择这些材料来做检测实验的原因，教师可以让学生在准备过程中加以思考。在学生思考后，教师可以引导学生归纳和概括出做这类检测实验的材料的一般共性，即生物组织中要含有相应的有机物，并且材料本身最好不带有颜色，否则会影响正常的颜色反应。学生自己归纳和概括共性的学习方式可迁移到其他类似的实验中去，从而有利于选择合适的实验材料。再如，本实验中涉及颜色反应，有的颜色反应涉及相应的化学变化，有的颜色反应仅仅是物理变化过程。针对颜色反应的原理，教师也可以让学生自己去归纳和概括，从而有助于在实验中选择合理的鉴定试剂。

2.2 在实验思路上培养学生演绎与推理的能力

演绎是从一般性的前提出发，通过推导得出具体陈述或个别结论的过程，是在一般中发现个别的推理形式和思维方式。推理是由一个或几个已知的判断（前提）推出新判断（结论）的过程。孟德尔发现遗传规律过程采用的“假说一演绎法”是演绎与推理的经典形式之一。在实验思路上培养学生的演绎与推理能力，有助于学生掌握科学的研究方法，形成严密、严谨的思维习惯。

例如，在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，教师可以引导学生通过演绎和推理的思路开始整个实验过程。在学习渗透作用的基础上，学生提出问题：如果成熟植物细胞能通过渗透作用吸水和失水，那植物细胞中什么结构相当于半透膜呢？针对问题，学生作出的假设是“原生质层相当于半透膜”。为了检验这一假设，教师可以引导学生设计实验方案进行演绎和推理：将植物细胞浸润在高浓度的蔗糖溶液中，观察其大小的变化;再将细胞浸润在清水中，观察其大小的变化。那么该如何直观地观察大小变化呢？可以观察紫色洋葱鳞片叶表皮细胞的质壁分离及复原现象。讨论及预期的结果是：紫色洋葱鳞片叶表皮细胞在高浓度的蔗糖溶液中会发生质壁分离现象，间接说明细胞渗透失水;在清水中发生质壁分离复原现象，间接说明细胞渗透吸水。通过这样的演绎与推理过程，学生不但能深入理解实验的目的和意义，而且也掌握了解决实际问题的一种方法。

2.3 在实验方法上培养学生模型与建模的能力

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述，是认识和阐明生命活动规律、原理的重要方法之一，其形式主要包括物理模型、概念模型和數学模型。建模更强调的是思维过程，是一种解决问题的方法，即遵循化繁为简的原则、舍去原型的一些次要细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，使问题呈现更加简明扼要。

建模方法在人教版必修教材中有着重要的体现。《必修1.分子与细胞》中要求学生“尝试制作真核细胞的三维结构模型”，学生在制作过程中得到认知体验，效果远大于图片等的感官刺激。《必修2.稳态与环境>模块中要求学生通过建立数学模型的方法研究种群数量变化，学生在建立模型的过程中不但能深入理解种群增长的相关规律，更重要的是无形之中提升了思维能力。建模方法在实验方法上同样具有重要的意义，如在“调查人群中的遗传病”实验中，根据调查结果建立遗传系谱图是分析遗传学问题中常用的一种模型建构方法。调查结果呈现的信息往往是以简单描述事实为主，相互之间的逻辑关系并不明显。通过绘制遗传系谱图，将性别、性状表现、亲子关系、世代数以及每一个体在世代中的位置等信息直观地呈现出来，使后续的分析过程更加直观、条理性更强，从而有利于学生对遗传病遗传方式的判断。

2.4 在实验结果分析中培养学生批判性和创造性思维能力

批判性思维是指具有目的性和反思性的判断，既包括阐释、分析、推理、评估、解释和自我调整等认知技能，也包括好奇、敏锐、求真等思维习性。创造性思维即发散性思维，能从多角度、多侧面、多层次、多结构去思考和寻找答案，既不受现有知识的限制，也不受传统方法的束缚，思维是开放、扩散的。在实验结果分析中经常使用判断性和创造性思维，有助于学生重新审视和论证表生物学观点，加深其对生命本质的认识。

在“探究影响酶活性的条件”实验中，很多教师都认为不能用过氧化氢溶液和肝脏研磨液作为实验材料来探究温度对酶活性的影响，理由是过氧化氢溶液自身受热会分解，不能判断是酶作用的结果。在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，也没有教师去思考过氧化氢要用90℃的高温水浴加热的原因。教师完全可以结合这两个实验引导学生进行批判性思维，通过亲自设计实验方案重新论证该结论的可靠性。重新实验结果表明，过氧化氢在0-60℃之间不会随着温度的升高而分解加快，几乎不分解，只有超过60℃才能有少量的分解。可见，这种批判性还是很有必要的，教师的一些经验性实验教学不但误导学生，而且还会束缚学生的思维。再如，有学生提出：肝脏是生物体重要的解毒器官，过氧化氢酶的含量相对比较多，那其他动物组织中有没有过氧化氢酶呢？如果有，含量怎样呢？学生的这些创造性思维火花值得赞赏和保护，教师当然有必要引导学生根据自己的想法，结合教材实验的方法，去进行拓展实验，从而在实验结果和实验结论加以补充和完善。

3 结语

新一轮课改对广大教师来说，一个亟待深入思考的问题是，如何在课堂教学中将学科核心素养落地生根，充分体现生物学科的特点和育人价值。教师在备每节课时，都要考虑核心素养任务的针对性落实和有效完成。当然，每堂课都要落实核心素养的四个维度也是不现实的，教师可根据不同的教学内容，在落实时有所侧重。实验教学从科学探究到科学思维，并不是弱化科学探究，而是在坚持科学探究的同时积极融入科学思维，让科学探究和科学思维真正在实验课堂中落地。这就要求广大教师进一步认识到实验教学的重要意义，备好每一堂实验课，上好每一堂实验课，让实验教学成为促成学生核心素养养成的重要阵地。

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