例谈生物学核心素养中“科学探究”素养的培育

关键词：科学探究  认识误区  培育  策略

“科学探究”是高中生物新课标中明确的生物学四大核心素养之一。“科学探究”素养是指学生能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论。在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新[1]。学生“科学探究”素养的培育要求教师在日常的教学工作中，通过学生探究能力的发展，培养学生的观察能力、提出问题的能力、制订并实施方案的能力、获取证据或数据的能力以及表达和交流的能力。学生仅仅简单地学习诸如“假设”“推论”这样的术语或者记忆诸如“科学方法的步骤”这样的过程，是不可能真正理解“探究”本质的，也不可能培养学生的科学精神和科学思维品质。正如朱正威先生曾经说过，最好的媒体技术也不应替代实际的观察和操作[2]。

一、对科学探究和操作活动认识的误区

1.科学探究的“程序化”

一提起科学探究，就想到“提出问题、作出假设、根据假设进行实验设计、进行实验、分析结果得出结论、表达和交流、进一步探究”这样一系列的程序化的操作，似乎任何科学探究都要遵循这样的程序进行。其实这是对科学探究“教条化”的理解，探究教学等同于传授和套用步骤，抽取出来让学生“自主探究”的往往是最无须思考的部分，如执行教师设计好的探究方案、收集数据后全班汇报分享等等。没有什么比要求学生记忆并遵循一套一成不变的步骤来理解自然现象离科学更远的了！

2.科学探究的“实验化”

谈及科学探究，往往就认为要经过动手实验的活动才能称为科学探究。事实上，科学探究的目的之一是培养科学思考能力，帮助学生自发地运用科学证据和推理，不断发展自己的科学思维能力。因此，科学探究活动的重点不是让学生执行程序化的步骤和得出确切的实验结论，而是研究学生的想法是如何形成和发展的、推理的过程是否合理、哪些现有证据可支持这个想法、进一步检验这个想法还需要寻找出哪些证据，等等。学生在反复经历这样的思考过程中，学会用证据和推理说话[3]。

美国《科学探究与国家科学教育标准》给出了关于探究性学习的五个特征[4]：

（1）学习者围绕科学性问题展开探究活动。

（2）学习者要优先考虑证据，证据可以帮助他们解释科学性问题并予以评价。

（3）学习者要从证据中提炼出解释，对科学性问题作出回答。

（4）学习者通过比较其他可能的解释特别是那些体现出科学性理解的解释来评价自己的解释。

（5）学习者要交流和论证他们所提出的解释。

上述提出的五个特征与生物新课程标准中提出的科学探究的本质是不谋而合的。同时也说明我们可以设计好实验来帮助学生了解科学探究的性质，但应该少些呆板的、照方抓药式的实验，即使是教材中的验证性实验也可以融入探究成分，以发展学生的科学思维与探究能力。学生参与了适宜的、循序渐进的探究活动，未来当他们离开学校时，所形成的科学探究思维和方法就可以应用于日常生活。

二、“科学探究”素养培育的策略

1.学会提出有价值的科学问题走进探究

问题是探究的起点，但并不是所有问题都值得或适合中学生去探究。引导学生学会提出有价值的科学问题是培育“科学探究”素养的第一步。

例如在进行必修一教材中“探究植物细胞吸水与失水”实验时，教师在展示生活中有关植物细胞吸水与失水的现象时，可以向学生提出：面对这些现象，你能够提出哪些值得我们探究的问题？在具体的教学活动中，我们发现，就这个现象学生会提出许多问题，比如：①植物细胞能够吸水与失水吗？②植物细胞为什么能够吸水与失水？③植物细胞吸水与失水的原理是什么？④植物细胞吸水与失水的原理与动物细胞一致吗？⑤植物细胞在吸水与失水时发生的现象与动物细胞一样吗？⑥植物细胞吸水与失水要通过哪些结构？等等。结合学生所提的问题，教师应该引导学生明确什么是有探究价值的问题。

有探究价值的问题的第一个特点是，提出的问题为一个科学问题。对上述学生提出的问题，我们首先判断能否运用已有知识和经验进行解答，如果可以，就无须经过探究解决，如问题①和⑥。

有探究价值的问题的第二个特点是，问题需要明确具体，后面要有一个清晰的研究思路，指向一个明确的答案。如上述问题③④⑤，指向明确。而问题②比较宽泛，研究思路的指向不明确，故舍去。

这样，借助于具体的案例分析，有助于帮助学生初步领会“什么是科学问题”的含义。在课堂上，教师要善于唤起学生的问题意识，特别是当问题来自学生时，教师要给予适当引导。只有来自学生时有价值的问题才能产生有所收获的探究活动。

2.充分利用教材现有实验案例体验探究

目前教材中提供的探究实验都是生物学史上一些重要的适合中学生实践操作的经典实验。关键是在实验教学中，教师如同中药依方抓药一般，借助教材所提供的实验程序完成实验，实验探究还没开始，学生已经知道了正确的答案，这对学生的好奇心和探索精神的培养无疑是一种扼杀。教育就是要培养学生的好奇心。在某种程度上，探究本身就是一种好奇心驱使的心理倾向，所以，教学中不仅要重视，更要注重满足学生的好奇心。例如，在“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验中，可以在实验材料的选取上预留出探究空间，教师除了为学生准备梨、花生、大豆三类典型的实验材料外，还可以准备面粉、番茄、马铃薯、甘蔗汁、食用油等容易获取的材料为学生自主选择实验材料尝试探究提供可能，另外还可以引导学生思考：生物组织中是否只含有一种物质，比如梨中是否只含有还原糖？有沒有蛋白质？能否用梨来检测蛋白质？等等。这样的学习过程，既在一定程度上满足了学生的好奇心，又注意了书本知识与实际的联系，让学生了解生活中的一些常识问题。

充分利用教材中现有的实验案例，帮助学生体验探究，不仅有利于利用学习到的生物学原理和概念对探究过程中出现的现象或收集到的证据进行解释，而且有助于学生通过相互讨论和解释引发新的问题，将实验证据、已有的生物学知识和他们所提出的解释紧密联系起来，最终解决不同观点中的矛盾，提升了自身的核心素养。例如，在学习“探究酵母菌的呼吸方式”内容时，学生以小组为单位，教师请每个小组结合他们已有的学习，设计探究方案，下面是课堂中的一段对话情景：

师：下面我们来展示各小组的探究设计方案。

组1：我们小组设置了实验装置，假设酵母菌在有氧和无氧条件下都可以进行呼吸作用。我们设置了两个实验组，自变量是有无氧气通入，以澄清石灰水是否变浑浊作为最后判定的依据。

组2：我们小组和组1比较接近，不同的是我们在无氧呼吸装置的酵母菌培养液中增加了植物油密封，保证无氧环境。

生1：我觉得这样有问题，不符合对照实验设置的单一变量原则。要么有氧呼吸装置中也用植物油密封。

组3：我们小组与组1、组2有所不同，无氧呼吸装置相同，有氧呼吸装置中我们是将空气先通入NaOH溶液中，再通入到酵母菌培养液中，以此保证酵母菌的有氧呼吸。

生2：有一个问题，你们怎么保证通入的空气中没有CO2呢？

（全体同学安静）

组4：我们组方案与组3接近，但我们是通过增加一组装置来解决通入的气体中是否含有CO2的问题，就是把其中的活酵母改为死酵母。

……

从上面的课堂讨论中可以感受到在这个探究实验中学生思维特别活跃，有些想法已经超出了教师对教材的理解，甚至有对教材的批判与建设。这样的探究与交流对培养学生的创新思维、合作精神、质疑意识等学科素养的作用是不可估量的。

3.利用生活中的问题研究感受探究

中学生物教学的一个重要目标是要培养学生的生物科学素养，要能够通过研究过程获得关于身边世界的理解。但不可否认的一个事实是：学生不假思索地就能说出“渗透现象”发生条件，口若悬河地解答如何进行生态农业的设计，准确分析出考卷上的某个家庭系谱图中某个成员可能患有某种遗传病的概率……但现实的情况是另一种情形：面对一些网上的调查数据（如某地区某种癌症的发病率）深信不疑，看到某种通过浸泡可以去除农药残留的方法不假思索地转发给其他同学，等等。种种表现与他们接受的科学思维的养成目标相距甚远，说明了学生科学思维的养成不是仅仅通过课堂的探究学习所能达到的，更重要的一点是我们的许多探究活动是远离学生生活的。所以我们的科学探究要与学生的日常生活相联系，这样通过探究学生才能理解、尝试解决生产生活中的生物学问题。

例如，高中人教版必修二中“调查人群中的遗传病”一课，在课堂上讨论调查方案时，学生觉得很简单，首先选定一个单基因控制的发病率高的遗传病进行调查;其次，设计好调查表;最后，进行调查，统计结果，计算出该遗传病的发病率。然而，在进一步的论证过程中，学生意识到调查的繁琐性，他们必须要解决以下一些问题：①选择何种遗传病进行调查？是由单基因控制的吗？在人群中的发病率是多少？通过何种途径认识所要调查的遗传病的症状？②如何确定一个调查范围以确保调查结果的可信度？③如何设计一份调查记录表？④如何进行结果分析以得出相应的结论？在具体进行调查和结果分析时，学生们还遇到了事先没有考虑到的问题，如在学校调查色盲时，一些学生并不知道自己是否患有色盲。在街头进行调查时，许多人对常见的一些遗传病都不知道，而且很多被调查人不愿配合调查他们的隐私。在统计结果分析时发现许多调查结果与相关的文献资料提供的数据相差甚远，产生了认知冲突，就会激发学生的学习乐趣，引发学生的好奇心，学生就会进一步地去学习、判断、探究并尝试解决出现的问题。

要培养学生的科学探究素养，需要教师通过生活中实际问题的探究来培养学生的科学素养和科学思维，寻找有价值的问题让学生置身其中进行研究，学生才会在研究中学得科学知识、发展科学思维、形成科学态度，这也是未来公民在创新型社会中生存和参与社会活动应具备的一种综合能力。

4.根据教学目标选择合适形式有效探究

美国《科学探究与国家科学教育标准》列举了学生探究过程的五个基本特征，在平时的教学中很多教师认为，只有包含探究的五个基本特征，并且每一类学生的活动都具有高度的自主性和探索性才能称得上探究式学习。这样的看法既不符合科学探究的实际，也不符合学生科学学习的现实。对于中学生而言，科学探究主要发展以下基本能力：观察能力，提出问题的能力，制订并实施方案的能力，获得证据或数据的能力，表达和交流的能力。探究可以就其中的某一部分去展开。

在一个具体的探究中，教师应该根据教学目标进行合理选择。例如，在“探究植物细胞吸水与失水”实验中，一个重要的教学目标是让学生体验探究活动的完整过程;在学习达尔文的自然选择学说时，我们希望发展学生对科学探究的理解，因此，让学生收集有关达尔文自然选择学说的文献，通过阅读达尔文的《物种起源》以及相关的文章，要求学生讨论并回答下列问题：是什么引起达尔文对雀类进行调查研究？他的研究与其他科学家的研究有哪些差异和共同点？源于调查研究的科学解释在逻辑上前后是否一致？达尔文的自然选择学说的四个要点是否建立在其他实验发现的基础上？阅读与讨论后，学生以小组为单位，开展一次关于“探究在科学发展中的作用”的交流。思维的碰撞有助于引发学生的深度思考，激发学生的探究热情，培养学生科学探究的意识。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：北京师范大学，2018.

[2] 朱正威.最好的媒體技术也不应替代实际的观察和操作[J].生物学通报，2011（06）.

[3] 唐小为，丁邦平.“科学探究”缘何变身“科学实践”[J].教育研究，2012（11）.

[4] 美国国家研究理事会科学数学及技术教育中心.科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南[M].罗星凯，等，译.北京：科学普及出版社，2004.

[作者：张祥（1976-），男，江苏扬中人，江苏省扬中市教师发展中心副主任，中学高级教师。]

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