例谈科学思维导向的实验复习

浙江 王家付 安徽 房 杰

(作者单位：杭州师范大学附属未来科技城学校；安徽定远第二中学)

探究实验一直是高考考查的热点，也是教师教学的重点，更是学生学习的难点。因此，对实验的复习需要在学生熟悉教材实验的情况下，教师通过在教学过程中发挥“催化剂”的作用，把握好教材实验的关键点，发现学生的问题并运用针对性的原创题训练学生的思维，增加学生的课堂参与度，从而达到培养学生的实验探究能力和科学思维的目的。

一、实验教学现状

能独立完成“生物知识内容表”所列的生物实验(活动)，包括理解实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能，并能将这些实验涉及的方法和技能进行综合运用，是《考试说明》中对于实验与探究能力的要求。在新课教学时教师按照实验目的、实验原理、实验步骤的顺序进行教学，在复习课时再按此模式进行复习，学生在答题时就会感到自身的能力的不足。

目前，教师对培养学生的实验设计与分析能力感到缺乏抓手，实验教学主要停留在教材实验。如何在近年来以教材实验为情境的高考题背景下进行实验复习?笔者尝试对发展学生的科学思维进行实验教学。如2017年全国卷Ⅰ的第29题，这道题在2017年高考中的错误率非常高，其原因是学生对实验的学习往往侧重于对细节知识的理解和记忆，缺乏对其进行整体性的思考，在脑海中无法借用一定方法将细节知识组成一个有机整体。对此情况，教师需要利用教材中典型的实验案例和实验方法帮助学生进行实验思维的进阶。

二、科学思维的内容及要求

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。

学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

学生在日常生活中已经形成了一定的思维方式，但青少年在处理问题时往往感性思维比较突出，教师可以在实验教学过程中不断引导。例如“基因在染色体上”一节中，最初摩尔根认为孟德尔的遗传规律是建立在可靠的实验基础之上，所以是正确的，但后来经自己实验没有取得相似结果后，他便产生怀疑，最后又通过新的实验重新加以确认。而“用进废退”的观点就是科学思维的反例。例如，“在进化地位上越高等的生物，适应能力就越强。”如果认同这一观点，其实就是缺乏批判性思维的表现。进化的结果是占据更多的生态位，而不一定是适应能力更强。由此可见，能力的训练有助于突破知识学习的瓶颈。学生要具有分析问题和解决问题的能力，关键还是要具有科学思维，而实验探究过程正是培养这一能力的重要途径。

三、科学思维导向的实验复习策略

实验复习阶段，需要学生从已构建的知识体系中提炼有效信息与重要考点进行综合应用。

1.考点归纳、概括提升

在平时的教学过程中经常遇到以洋葱作为材料的实验习题。“以洋葱为材料，可以进行哪些实验？”教师可以以此设问，引导学生在实验复习时将实验材料、实验方法进行归纳。如教材中用到的物质分离方法包括以下几点。

①纸层析法：分离各种色素；

②离心分离法：借助离心力使比重不同的物质进行分离，如提取细胞膜的实验；

③差速离心法：采取逐渐提高离心速度的方法分离不同大小的细胞器；

④密度梯度离心法：研究DNA半保留复制时，分离含15N的DNA和含14N的DNA；

⑤透析法：通过小分子经过半透膜扩散到水(或缓冲液)的原理，将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术，如透析型人工肾；

⑥盐析法：用于蛋白质的初步纯化；

⑦电泳法：利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离，可以用于DNA片段的分离等；

⑧凝胶色谱：根据分子量的不同分离蛋白质。

2.演绎过程、自主推理

在复习DNA和RNA一节中，让学生利用所学知识，确定某新型病毒的核酸类型。学生提出的方案有：甲基绿吡罗红染色法、确定嘧啶种类法、确定五碳糖种类法、嘌呤嘧啶比例法、酶解法等。通过可操作性分析排除其中不可实现的实验方案，对剩下较好的实验方案，完善其步骤。这样的讨论，在拓展了学生思维的同时，也鼓舞了学生大胆假设的勇气。

2017年全国卷Ⅰ第29题，要求“利用放射性同位素标记法”确定新病毒的类型并完成实验设计，是用该病毒分别侵染已用3H标记的T/U的宿主细胞，分别检测两组子代病毒的放射性以确定病毒的类型，这正是全卷中的亮点、难点。学生看到题目时感觉既熟悉又陌生，但思路很快转移到可以从区别碱基种类出发，模仿教材噬菌体侵染大肠杆菌的实验完成实验设计。

【例1】HCV可以引起猪瘟，猪细胞是该病毒的唯一宿主。请用同位素标记技术研究HCV的遗传物质是RNA还是蛋白质，得到RNA是遗传物质的实验设计思路是________。

【答案】将带有同位素标记的HCV中的RNA和蛋白质彼此分离，分别与猪细胞混合培养，观察猪细胞是否存活

【点评】受题干“同位素标记”影响，学生依据定式思维，容易得出分别用32P、35S标记两组病毒的RNA和蛋白质，再让两组病毒各自侵染猪细胞，观察子代病毒是否具有放射性的答案。噬菌体侵染细菌实验中，通过对比两组实验结果的放射性情况，可以确定蛋白质不进入宿主细胞，从而得到DNA是遗传物质的结论。学生错误地模仿了这一实验过程。然而此题题干中指明是“RNA病毒”，所以本实验应该按照烟草花叶病毒实验的思路进行演绎、推理。

3.模型建构、提升层次

具有对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括运用观察、实验与调查、假说-演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。强化对实验数据的处理能力，在教学过程中结合一些典型探究性实验例题进行引导，避免了空洞的灌输。

【例2】在适宜的温度和一定的CO2浓度等条件下，某同学对甲、乙两个品种玉米进行实验，测得的相关数据如表所示，根据表中的信息回答有关问题：

甲、乙两种玉米的光合作用速率

(1)比较甲、乙两个品种的玉米，________玉米更适合在遮阴条件下生长。

(2)推测甲、乙两个品种的玉米，光合色素含量更高的是________玉米，理由是________。

【答案】(1)甲 (2)乙 相同光照条件下，乙种玉米的总光合作用速率大于甲种玉米的总光合作用速率

【点评】本题表格中数据较多，学生很难直接对这些数据做出有效反应。如能将这些抽象的数据转换成数学模型，那么这些数据的含义将显而易见(如图所示)。

甲、乙两品种玉米光合速率曲线

能利用数据模型将抽象的信息具体化，降低出错率，是实验与探究能力的基本要素之一。故高中阶段学生需具备验证简单生物学事实的能力，能对实验现象和结果进行分析、解释，并能对收集到的数据进行处理。

4.思维辨析、质疑批判

实验复习过程中还要抓住课堂生成的问题，培养学生的合作探究能力和逻辑推理能力，从而鼓励学生勇敢提出质疑。

如在生长素发现历程的实验中，教师先提出“生长素具有两重性这一特殊性质，那么其他植物激素也应具有两重性”这一错误观点时，学生并没有做出特别的反应，甚至有部分学生还整理成了笔记。

然后教师对高浓度生长素的抑制作用原理展开分析：生长素达到一定浓度时会使细胞合成更多的乙烯，而乙烯所起的作用抵消了生长素的影响。其他植物激素(如赤霉素)促进植物生长的原理：赤霉素和生长素一起协调促进植物生长，赤霉素有利于色氨酸转化为生长素，同时抑制生长素的分解，所以赤霉素不具有两重性。教师顺势又提出“教材中并没有提出动物激素具有两重性，所以动物激素不具有两重性”这一观点。这时同学们不再安静了，学生开始相互讨论、演绎动物体液调节的过程。通过提问多个小组的同学，同学们逐渐达成“正常生理状态下的动物生命活动普遍受神经-体液调节”这一共识，当动物激素的分泌过量时，动物体可以通过负反馈调节维持体内激素的平衡。

四、小结与反思

传统高三课堂过于倚重教辅资料整理好的知识专题，部分专题存在内容机械、形式单一、知识相互脱节的现象，学生在解决综合问题时也会感到困难，导致其课堂听课效率不高；而科学思维组织的复习模式，是以教材经典实验现象或生物学实验数据为情境，运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象并结合学生生成的问题进行的课堂教学，在提高学生实验探究能力的同时还发展了学生的高阶思维。