基于科学史的中学生物学元探究教学——以“酶本质的探索”为例

聂晓倩 张 锋

（1.福建师范大学生命科学学院 福建福州 350108）

（2.福建省普通教育教学研究室 福建福州 350003）

元探究教学，即“基于探究的探究”，是对科学探究过程进行二次探究的一种教学方式，旨在帮助学生自主建立起对科学知识获得过程的认识。元探究以学生为主体，以各类研究科学问题的探究活动为对象，通过确定所要探究的问题，探明探究过程中各个要素之间的联系，从而提高学生的探究能力，提升科学素养。下面尝试运用元探究教学开展生物学科学史教学，以2019年人教版高中生物学《必修1·分子与细胞》科学史“酶本质的探索”为例，通过引导学生对科学探究过程进行元探究，以解决探究僵化、形式化问题，进而实现生物学学科核心素养的达成。

1 基于情境的引入，初识科学本质

元探究教学始于确定研究主题，而科学家研究的主题往往是基于观察而确定的。与传统讲故事的科学史教学相比，通过真实情境的引入，学生能够亲历科学家提出问题、作出假设的思维过程。学生在观察生命现象时，往往会产生疑问：该现象是什么导致的？进而初步认识科学本质：科学发现始于对生活的敏锐观察、对未知的好奇。元探究教学具开放性，在面对学生不同设想时，教师应给予鼓励，引出科学本质：科学知识会受到各种主观因素和环境因素的影响。

在教学中，教师通过介绍中国酒文化，以提升国家认同感，并为各组提供正常的和变酸的葡萄酒，创设真实情境，指导学生进行感官评定。学生自发提出问题：酒为什么会变酸？糖类是怎么变成酒精的？并作出假设：存在某种微生物进行生命运动、存在某种物质以及自然变化等。于是，教师基于问题，引出本次元探究主题：酶的本质是什么?如何确定未知物质的本质?

2 基于材料的元探究，体会科学本质

本阶段由整体初步探究到分维度探究，各环节层层递进，促进学生深度思考，逐步构建科学知识的产生过程，体会科学本质，最终形成重要概念。

2.1 确定素材

科学史素材丰富，但并不都适于元探究。教师所选科学史需包含科学家的科学探究过程，并突出体现科学家的思维，以有效促进学生的科学思维。在教学中，教师以教材为主，补充相关科学史料，确定元探究素材。同时，教师补充巴斯德的显微镜观察结果，能更好地激发学生的求异思维，使学生体会巴斯德的创新思维。补充素材为：1857年，巴斯德利用显微镜进行观察，在发酵液中发现活酵母菌正在繁殖；发酵成功的葡萄酒内发现球形酵母菌；发酵失败的葡萄酒里发现醋酸杆菌。

2.2 确定探究要素

确定探究要素是元探究教学的关键，教师可从研究的问题、收集的证据、证据的解释、技术应用、得到的结论等探究要素入手，引导学生对科学发现过程进行初步探究。此外，不是每个探究过程都包含所有探究要素，不同的探究过程应从不同要素进行元探究，各要素所关注的重点也有所侧重。在教学中，教师讲授科学史后，根据表格提出问题，引导学生分析科学发现过程中值得关注的问题，表1呈现了元探究结果。

表1 科学家对酶本质的认识过程

2.3 多维探究以解决问题

从科学探究的一般步骤出发，进行元探究维度的划分。不同的科学史素材着重分析的维度不同，可侧重其中某一科学探究技能的教学。在科学发现过程中，各科学探究技能贯穿始终，不能单一看待。问题的不断发生与解决，有赖于分析、比较等思维逻辑方法，归纳推理、类比推理等逻辑思维形式，更离不开直觉、想象、灵感、顿悟等非逻辑思维形式。教师在本环节需提供多个维度，引导学生围绕不同维度思考并感受科学知识的产生过程，形成发现问题与解决问题的科学思维。下面以研究问题及得出结论维度为例。

2.3.1 研究问题维度

科学探究始于提出一个有价值的问题，其后各步骤均围绕此问题开展，故明晰科学家所探究的问题是关键。表2提供了学生围绕研究问题维度从三个元探究问题：研究的问题、问题的来源、提出的假说对科学发现过程进行深入探究。

表2 元探究问题下的科学发现过程——研究问题维度

2.3.2 得出结论维度

得出结论需要学生深入探寻证据与结论间的关系，分清事实、观点与结论，而非仅仅停留于得出的知识点结论，重在得出结论过程中的思维方法。表3呈现了学生从结论来源、证据是否需要进一步处理、原因及结论与证据的一致性4个元探究问题入手的元探究结果。

表3 元探究问题下的科学发现过程——得出结论维度

2.4 讨论总结

各组学生总结科学知识产生的特点，并举例说明，深入体会科学本质。例如：科学会受到社会和文化的影响，当发现客观事实与已有观念存在矛盾时，应敢于质疑，提出自己的设想。例如，巴斯德不囿于已有观念，创新性地通过显微镜观察。学生通过关注科学家对证据与结论之间关系的态度，从而认识到科学发展的曲折性，意识到正确的结论不仅需要理论依据、事实依据以及严密的论证，还要敢于相信事实，质疑已有观念。

3 基于应用的评价，体验科学本质

在元探究教学的应用阶段，教师通过提供变式案例对学生的元探究技能进行评价，使得学生的思维可视化。元探究技能评价工具表（表4）提供了作出假设、得出结论维度的评价，教师可根据实际选择最适维度进行评价，如提出问题、收集证据、解释证据等维度。

表4 元探究技能评价工具表

通过工具表，教师可获得教学反馈，从而选择强化某一维度的元探究技能。学生由此体验到科学本质，认识到科学工作依赖于观察与推论、科学是创造性的工作等，意识到科学是发展的，从而增强学科学和科研的兴趣，甚至是参与科研事业的职业意向。

4 小结

基于科学史开展元探究教学，引导学生自主探究科学家的探究过程，能够引发学生不断反思、叩问与批判，发展科学思维。元探究教学通过科学史料的补充、分析探究过程的各个元探究问题等方式，不仅有效帮助学生获得方法论的教育，还能渗透对科学本质的学习。生物学教材中科学史素材丰富，是发展学生科学思维、科学探究等素养的良好载体，在元探究过程中，学生追问与质疑科学家探究的过程正是学生问题生成与科学知识建立的过程，这一过程能够有效促进学生学科核心素养的发展，实现思维教学。