基于科学本质观的实验教学初探——以《绿色植物与生物圈中的碳—氧平衡》为例

张乐喜

（江苏省南京市致远初级中学，江苏南京 210019）

生物学科是自然科学的重要组成部分，作为基础教育中学生首先接触到的自然学科，其课程性质和内涵对学生逐步认清科学的性质、把握科学本质有重要的启蒙意义。李德曼教授认为，科学本质是科学认识论，科学是一种获得知识的途径，或与科学知识的发展相一致的价值和信念。我国《义务教育生物学课程标准（2011 版）》明确提出自然科学本质不仅包括丰富的科学知识体系，也包括人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究过程。简而言之，科学本质既是科学的认识世界的认识论，也是科学探究的方法论的内涵体现。因此，科学探究是领悟科学本质的重要方法，实验教学是科学探究的重要载体。本文以江苏科学技术出版社出版的《生物学》第十八章第二节《绿色植物与生物圈中的碳—氧平衡》为例，浅谈在实验教学中帮助学生领悟科学本质的策略。

一、实验教学的出发点——真实情境

（一）实验目标

实验是实验教学的重要有机组成，基于科学本质观的实验教学中，实验不仅仅是达成课堂知识和目标的途径之一，更有丰富的内涵，有其自身价值和需要达到的实验目标。实验是科学认识世界的一种手段，科学的发展促进社会的发展，科学本质与社会文化息息相关，教师如能充分挖掘实验更广义的价值和目标，对帮助学生领悟科学本质有重要的引导意义。

“说明绿色植物有助于维持生物圈中的碳—氧平衡”是一级主题“生物圈中的绿色植物”下的“绿色植物对生物圈有重大作用”的具体内容，通过参与18 章的学习，能构建“绿色植物在生态系统中扮演重要角色，它能制造有机物和氧气”这一重要概念。学科体系上看本节课的教学内容是形成初步的生态观、人与自然和谐相处观念的关键环节。而学生的生态意识的构建需要以绿色植物光合作用概念为基础，并受众多的生活中感性认知的影响，他们能关注社会热点中的生物学议题，关注植物对生产生活的影响，但在尝试解决现实生活中的生物学问题这一方面较为欠缺，能接受保护生态环境建议，但行动不足，在主动参与社会宣传和实践方面有待提高。因此，“绿色植物在光下进行光合作用，产生二氧化碳并释放氧气”系列实验是达成本节课的教学内容重要方法，也是落实社会责任的良好载体。

基于以上分析，“绿色植物吸收二氧化碳”这一实验的实验目标：进行两个变量的实验探究，包括变量分析、实验设计、过程实施、结果记录、成果汇报等关键流程；阐明绿色植物的光合作用吸收二氧化碳；说明绿色植物在维持生物圈中的碳—氧平衡的重要作用；运用实验结论，参与《巴黎协定》的讨论，并对这一实际问题提出有效举措；逐渐养成低碳的生活方式，尝试宣传植物的生态价值，影响自己和身边人。

（二）实验情境

科学本质观的要求下，科学是社会与文化的一部分。科学本质观下的实验教学强调科学的学习方法，强调学生对有关科学的本质的集合，即不仅要对探究实验理解，也要发展学生对探究本身的理解。教师在教学中应多角度、多途径地抓住客观证据，通过实验引导学生承担多种角色，找到与自身经历的契合点，以达到用主观的方式理性地领悟科学本质的内涵。这就要求情境具有一定的开放性、多元性、历史性、社会性，而这种复杂的真实情境往往是真实的历史、人文、社会等多因素的，是教师根据自己经验假想搭构的模拟情境所不能替代的。

因此，基于科学本质的实验教学中，切忌教师仅凭借自身经验铺设虚假情境，忽视学习主体的独特性，为了实验而实验，为了解决问题而解决问题。教师应精心挑选科学史实、实际案例、社会议题等真实情境，结合学生的生活经验作为实验教学中的情境，引导学生自发地参与学习活动，主动转变角色，承担学习任务，体验科学过程。

本节课开始，教师提供G20 峰会及气候变化《巴黎协定》，引导学生用智慧课堂中的平台就这一社会热点中的生物学议题展开讨论。通过讨论，得出讨论结果：温室效应的解决需要控制二氧化碳。学生借助前概念，就生物圈中的二氧化碳进行模型建构，找到认知冲突即工业燃烧、微生物、其他生物都会产生二氧化碳，通过分析推理，发现植物与二氧化碳之间的联系，就此展开实验，进行科学探究。本节课是用真实情境引导学生关注社会议题，激发学生参与探究的动机，引起学生情感上的共鸣。

二、实验教学过程——学习主体的科学探究

（一）科学本质观下的科学探究要求

科学本质观下的科学探究应具备实践性要求。科学探究的学习主体是学生，学生应有参与科学探究的动机、角色和方法，学生在科学探究的真实实验情境中是否能找到自己的经验作为探究证据，是否在探究过程中让学生真实体验探究过程并解决问题。新课标要求要面向全体学生，因此实验教学中倡导分组实验，在实验小组中，每位学生都能找到相应的角色，这样科学探究才能真实地进行。

科学本质观下的科学探究应具备综合性要求。随着新设备、新材料、新技术的发展，生物实验可以更加简化、准确、易操作。如果教师不善于使用，一味简化实验，将简化学生自主体验探究尝试解决真实问题的过程，而这个过程恰恰是初中阶段的生物教学中，教师引导学生领悟科学本质的外显过程。教师作为教学指导者和引导者，要明确学生是学习主体，科学探究不仅是科学知识的获取途径，还是观察、猜测、推理、分析、质疑等技能，更是认识世界的思维方法。科学探究是发现科学、认识科学、理解科学、表达科学最终融合的整体。

（二）实验的三次改进

“绿色植物吸收二氧化碳”在教材的实验设计中有两个变量，阳光和二氧化碳。相较于其他版本的教材，苏科版的实验已经具有可操作性，部分学生可参与关键过程的实验探究。苏科版中，设置甲乙丙三组，甲有植物、黑暗、往内吹二氧化碳；乙有植物、有光照、往内吹二氧化碳；丙无植物、有光照、往内吹二氧化碳。分析发现，有两组对照，甲乙一组，变量是光照，乙丙一组，变量是植物。检测方法是经过12 小时，往大广口瓶滴加BTB 试剂，观察颜色。这个实验历时长，可操作性较差，且有很多干扰因素，例如吹入的二氧化碳量，检测需要打开广口瓶会有气体流通等都会影响到实验现象和结果。这个实验的目标仅为科学知识的证据，学生仅参与最终的现象分析并得出结论。因此，笔者对“绿色植物吸收二氧化碳”这一实验的实验材料、实验装置等做了三次改进，现对其效果进行列表比较，详见附表。

通过改进，最终的第四次实验，是学生在课堂上完成的、可参与全过程的实验，且使各个层级的学习主体都能在实验中有收获。

另一版本的教材对该实验的改进是使用传感器，直接检测箱中二氧化碳和氧气的动态数值变化，分析数据并得出实验结论。笔者认为，直接通过这种高度结构化的传感器读取数值，学生作为学习主体在实验中掌握器材和软件使用、读取数据、分析数据即可，高度结构化的设备不仅简化了实验过程，也剥夺了科学探究的过程。对于义务教育阶段的学生，数据分析得出的结论也许能帮助他们获得科学知识，但数据分析远远不足以让他们感知、认识和领悟科学本质。

三、实验教学的落脚点——真实问题的解决

科学探究是科学本质观的重要组成，科学探究是获得科学知识的一种方法，也是一种研究和看待世界的思维方式，科学本质观的实验教学要求我们用生物学思维看待世界，科学探究的终点不应是实验结论的得出，实验的目的也不仅仅是得出实验结论。实验结论得出后，教师鼓励学生表达交流，科学的世界是开放的，探究的过程是主动的，学生在汇报交流中，教师有针对性地指导学生用生物学语言描述世界。最终，经历全过程的科学探究之后，实验的结论得出是为了解决真实情境中的真实问题，或者引发新一轮探究，直到问题的暂时解决。

在这节课中，学生通过表达交流得出结论：绿色植物在光下进行光合作用吸收二氧化碳。得出的这一科学知识，能解决之前对生物圈建模过程中遇到的认知冲突，补充学生对生物圈中二氧化碳的循环，且教师引导后发现这是唯一一条进入生物体的路径，继而引导学生理解植物在生物圈中的作用。同时，学生进一步思考植物和氧气的关系，展开新一轮的科学探究。

学生能否在真实情境下解决真实问题，可以作为实验教学的一个评价指标。例如，在本节课最后，教师抛出问题：“《巴黎协定》的目标之一就是21 世纪下半叶，全球要达到二氧化碳净零排放，我们该做些什么？”学生进行讨论交流，得出应该多种树、多采用低碳生活方式等。

四、科学本质观的内涵发展

基于科学本质观的生物学实验教学，是引导学生在真实情境下，通过科学探究，用生物学思维看待世界，用生物学语言描述世界，逐步领悟科学本质。科学的发展与社会文化息息相关，生物与社会生活不可分割，对此，笔者对科学本质的科学探究之外的内涵发展有些新思考。

基于科学本质观的实验教学，需要真实的社会情境引导学生参与社会热点、议题的讨论，引导学生解决真实的社会问题，可以鼓励学生基于生物学知识，参与个人与社会事务的讨论，做出理性解释和判断，解决生产生活问题，这正是社会责任的主要内涵。科学本质观，是指向将学生培养成具有生态意识、参与环保实践、建设祖国“绿水青山”的有社会责任的人。因此，科学本质观具有外显的育人价值，而基于科学本质观的实验教学是一条可行的路径。

“绿色植物吸收二氧化碳”的四次改进对比