科研素材在高中生物教学中的应用

广西 秦青佩

教育部颁布的《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)提出了发展学生学科核心素养的课程理念，目前教育界关于学科核心素养落地的基本思路是需要学生在真实的情境中发现问题、提出问题、分析问题和解决问题。科学家的故事以及科学研究的过程、现象和结果作为生物学教学情境素材的重要来源，能促使学生在获取知识的同时逐步发展学科核心素养。

一、科研素材的来源：“新”和“旧”并用

随着科学研究的不断深入，人们积累了丰富的科研实践素材，这些已有的科学研究成果可直接作为情境素材在教学中使用，比如教材上“思考·讨论”和“生物科学史话”栏目提供的科学家的故事、科研过程等。此外，随着科研技术水平的不断提高，新的科研成果不断发布，教师可通过阅读书刊、网络检索等方式搜集与教学内容相关的最新研究成果作为教学材料的补充内容，以扩大课堂教学的容量。

1.“旧”科研素材的利用

教材中提供的科学史富含求真的科学精神、严谨求实的科学态度，其本身也是科学知识，有独特的教育价值。因而在有限的课堂学习时间里，教师要合理利用教材中的已有素材促进学生科学思维的发展，领悟科研的乐趣与艰辛。例如在新人教版高中生物学教材必修1第3章第1节“细胞膜的结构和功能”的教学中，教师可以以时间为主线，带领同学们重温科学家们探索细胞膜成分和细胞膜结构的历程，并在该过程中体会科学技术的发展对科学真理的发现的促进作用，同时使学生逐步形成结构与功能相适应的生命观念。

2.“新”科研素材的开发

科研成果日新月异，学生知识的广度和深度应随着社会进步不断扩大、加深，但教材中提供的学习素材毕竟是有限的，此时，如果教师能够提供与学生的学习主题契合的科研素材，那么将有利于加深学生对核心概念的理解，进一步激发学生学习的兴趣。例如在回顾细胞膜成分与结构的探究历程时，结合教材中提供的科学研究过程和生活经验，学生很容易就能理解细胞膜有一定的流动性，但是对于蛋白质在膜上分布的不对称性不甚理解，此时教师可展示通过电镜冷冻蚀刻技术解析的细胞膜结构图(图1)，帮助学生轻松突破学习难点。在此基础上教师还可以拓展介绍清华大学颜宁教授带领的研究团队利用电镜冷冻蚀刻技术解析人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构的相关知识，拓宽学生的知识广度，激发学生的求知欲望。

图1 冷冻蚀刻技术解析的细胞膜结构

二、科研素材的呈现：服务于教学目标

教师在获取到科研素材之后，接下来要解决的主要问题是如何在教学中呈现这些素材以更好地达到教学目标。在实际教学过程中，教师可以根据具体教学内容要求和学生的实际情况合理选择科研素材的呈现方式。

1.亲历科研过程，探究科学原理

对于一些操作简单且安全性高的实验，教师可直接组织学生到实验室开展相关探究活动，也可以在课堂上演示经典实验过程。如教师在理论课上介绍酶在细胞代谢中的作用时，可以在课堂上演示过氧化氢在不同条件下的分解实验过程(即过氧化氢分别在FeCl3和过氧化氢酶催化条件下的分解情况)，这样不仅能够活跃课堂气氛，还能够让学生直观地认识到过氧化氢酶的催化效率高于无机催化剂FeCl3。在掌握了实验设计的一般原则后，教师可组织学生自己设计实验方案并探究温度等因素对酶活性的影响，提高学生的实验操作技能。

2.分析科研数据，获取科学知识

高中生的学习时间和精力有限，且学生的能力水平有限，因而对于一些难度过大的科学研究过程，教师可通过播放实验视频、展示实验流程以及引导学生分析科研数据的方式提高学生获取信息和解决问题的能力；同时还可以鼓励学生从科研背景中提出值得进一步探究的问题，比如在分析能量流动的特点时，教师可呈现美国生态学家林德曼研究赛达伯格湖能量流动的图解(图2)，引导学生围绕能量流动图解分析每一营养级能量的来源和去路，以及流动过程中能量在相邻两个营养级之间的传递效率。在分析数据的过程中学生会认识到能量在流动过程中是逐级递减的，并能够应用理论知识解释生活中一些常见的现象或规律，如“一山不能容二虎”“生态系统中能量流动一般不超过4～5个营养级”的原因，教师还可进一步组织学生讨论“素食可养活更多人”蕴含的科学道理，让学生体验学习带来的乐趣。

图2 赛达伯格湖的能量流动图解

三、科研素材的价值：获取知识并发展学科核心素养

“核心素养”不是直接由教师教出来的，而是在问题情境中借助问题解决的实践培养起来的。崔允漷教授指出：“想让我们的教育更有用，就一定要联系真实的情境，情境化的教学可以让学生明白知识到哪里去，今天学这个知识用到什么地方，让学生感受到学习的意义”。因而在教学中基于科研素材创设适宜的教学情境，既有利于学生理解概念，又能够逐步发展学生的学科核心素养。

1.巧用科研素材促成生命观念

生命观念是衡量学生是否受到良好生物学教育的标尺，有助于学生理解较大范围的生物学事件和生命现象，生命观念的建立以概念性知识的学习为基础。概念性知识的学习需要事实性知识作为重要支撑，科研素材作为一类良好的事实性知识载体，有利于学生基于情境素材抽象形成重要概念，加深对重要概念的理解，并在此基础上形成正确的生命观念。

例如在新人教版高中生物学教材选择性必修1第2章第3节“神经冲动的产生和传导”的教学中，为了帮助学生理解兴奋在神经纤维上的传导过程和特点，教师可介绍科学家电刺激青蛙坐骨神经-腓肠肌标本后测量到膜电位变化的实验过程以及科学家霍奇金用巨枪乌贼巨大神经纤维测量到单个细胞膜内外电位差及其变化情况的实验结果等。该环节教师以科学研究过程和结果为证据让学生明白生物电存在的事实，理解兴奋是以电信号的形式在神经纤维上传导的，在此基础上理解静息电位和动作电位的形成机理。

2.巧用科研素材提高科学探究能力

科研素材本身就是科学知识，学生分析科学家们已有科研成果的过程实际是一种思维上的科学探究，而学生基于科研成果的分析，对在学习中自主发现的问题，进一步开展实验设计并亲历实验过程，是课程学习的终极目标。教师在呈现科研实践素材时，一方面要教会学生分析实验结果的方法，另一方面更要注重引导学生提出问题、发现问题并培养学生敢于设计实验进一步解决问题的能力。

例如在新人教版高中生物学教材选择性必修1第5章第2节“其他植物激素”的学习中，教师可以在课前为同学们提供科学家们发现其他植物激素的科研素材，激发学生们参与学习的热情。在梳理植物激素间的相互作用时，除了提供教材中的科研数据外，还可以通过查阅资料引导学生进一步探究激素间的相互关系，比如展示研究人员研究多种植物激素对豌豆植株侧芽影响的实验结果(图3)，引导学生分析曲线并思考“哪种激素对侧芽的生长有抑制作用？”“哪种激素能解除这种激素的抑制作用？”“在调节植物侧芽生长的过程中各种激素是孤立地起作用吗，激素之间有什么关系？”等。

图3 多种激素对豌豆植株侧芽的影响

3.巧用科研素材增强社会责任感