初探“三段式”科学探究课堂教学模型的建构与实践——以“酶催化细胞的化学反应”一课为例

于传梅 上海市新中高级中学

一、研究背景

认知主义学习理论代表人物布鲁纳从发现学习理论出发，提出“发现教学”。他强调，教师不是将现成的结论性知识讲授给学生，而是让学生自主地探究事物现象以获得知识。《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中强调：“科学探究”是指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、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。学生应在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力；在探究中，乐于并善于团队合作，勇于创新。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）解读》中明确给出科学探究教学的指导性建议：①让学生拥有适度的自主权，动脑与动手相结合；②教师发挥积极的促进作用。

不管是学生个人的认知心理发展，还是国家深化教育改革目标的需要，科学探究在教育教学中都起着非常重要的作用，实验活动是科学探究的重要方面。通过调查分析发现，实验教学类探究教学非常欠缺，最主要原因是探究实验需要花费大量时间，而课堂教学课时十分有限，“时间不够”“难度太大”是阻碍探究性教学进程最主要的两个方面。如何解决理想与现实之间的矛盾冲突？这是摆在每一位教师面前的亟待解决和探索的话题。经过近两年时间的新教材教学实践与思考，笔者自主建构“三段式”科学探究课堂教学模型，希望能够为一线教师的科学探究教学活动提供实践策略和途径的参考。

二、研究成果

（一）“三段式”科学探究课堂教学模型的建构

“三段式”科学探究课堂教学模型，即“演示实验、材料解读、探究实验”三个环环相扣的课堂教学阶段（见图1）。模型的初步思路是：演示实验引入课堂目标—材料解读获取核心概念—探究实验解释情境问题，在课堂教学实践过程中，该模型的教学策略可以集中发展学生的科学探究能力。演示实验激发学生的好奇心和求知欲，让学生对课堂充满期待，且方便学生更为直观形象地了解课堂教学目标。材料解读是科学探究的必要环节，教师要引导学生在阅读中寻找本节课的核心概念和知识，建构生物学知识框架；完成真实情境问题，使学生经历体验，经历动手动脑的活动，甚至是经历“错误”实验活动，从而更深刻地理解生物学概念知识的本质和价值意义。这样的教学模型将整节课划分为三个环环相扣的阶段，每一个阶段学生都沉浸在科学探究的过程中，所以该模型有利于达成发展学生科学探究能力的目标。

图1 “三段式”科学探究课堂教学模型示意图

（二）“三段式”科学探究课堂教学模型的实践

该模型已经被运用于部分课堂教学中，本文就以“酶催化细胞的化学反应”一节内容为例，介绍“三段式”科学探究课堂教学模型实践应用的具体过程。

1.演示实验

教师准备三个250 mL 的锥形瓶，并分组编号A、B、C，在A、B、C 三个锥形瓶中分别加入100 mL 10%过氧化氢溶液和三滴龙胆紫。上课开始后，邀请三名同学到讲台前协助老师，分别在A、B、C中加入20 mL新鲜猪肝研磨液、20 mL 的3.5%的三氯化铁溶液、20 mL 蒸馏水，所有同学观察实验现象：A 锥形瓶中喷出的大量紫色气泡十分壮观，该实验现象对学生的视觉冲击极大，有效地激发了学生的求知欲望，让学生对本节课的内容充满期待；紧接着，教师用带火星的线香放在A锥形瓶口，线香迅速复燃，火焰明亮。当学生观察到这些实验现象时，对该实验的原理已经猜到一二，此时教师直接呈现实验原理并介绍本节课的教学目标。这样的演示实验使本节课过渡自然流畅，同时激发学生继续学习的热情。另外，演示实验中，将带火星的线香插入锥形瓶等实验操作过程，也为后续学生的自主探究实验活动的规范操作提供了示范。

2.材料解读

教师在学习上提供有关酶的发现的科学史资料，呈现了酶的发现、命名、功能研究等科学探究的历史材料，渗透了科学家的探究思路和科学探究方法，学生在阅读科学史材料时始终沉浸在科学家的探索环境中，潜移默化地受到科学探究的熏陶。但是，教师希望学生在阅读科学史的过程中能够自主建构酶的概念和知识，希望学生能够建构和掌握核心概念，所以教师的引导必不可少。学生在阅读的过程中，会带着教师准备好的问题串，有的放矢地阅读，从而自主建构有关酶的来源、化学本质、功能、特性等核心概念，从而理解演示实验所带来的视觉冲击和视觉享受。该环节需要教师设计出有条理的问题串，布置相应的任务，让学生自主解决问题即可，教学过程中关于酶的概念知识根本不用教师赘述。例如，请围绕以下子问题开展阅读，并在学习纸上以文字和箭头的形式完成概念图的建构。子问题1：酶是来自于生物体细胞还是非生物体？子问题2：酶的化学本质是什么物质？子问题3：酶的功能是什么？当学生建构酶的概念之后，再回到演示实验，让学生思考：为什么A 锥形瓶中的反应如此剧烈？学生很容易就会明白酶的催化具有高效性。此时，教师介绍酶的活性，酶的高效性表示方式，学生自然而然明白。接着，教师追问：酶的高效性会不会受到环境因素的影响？学生陷入沉思。

3.探究实验

教师提供真实情境并提出问题：大家都知道随着CO2的排放量日益增多，“温室效应”日益加剧，地球表面的年平均温度也在增高（展示碳排放量和年平均温度的走势图）。有生物学家担心，近年来生物的灭绝速度加快，生物灭绝的原因错综复杂，地球表面温度的升高也可能是影响因素之一。今天我们学习了酶的相关知识，地球表面温度升高，是不是影响了部分生物体内酶的活性，进而影响生物体内的化学反应导致部分生物灭绝？请你推测有哪些因素会影响酶的活性，并设计实验进行探究。

“三段式”科学探究课堂教学中第三阶段最难。如何在有限的课堂教学时间内完成科学探究活动，并保证探究实验的普适性、科学性和可操作性？首先，教师必须设计科学的问题串，引导学生思考和设计实验；其次，巧妙地将探究实验进行分组；最后，评价交流环节中主要交流和补充交流相结合。这样的设计不仅可以很好解决时间不足的缺憾，还可以让每一位学生参与到探究实验之中。例如，四人一组分工合作，根据试剂盒中所给试剂，探究某环境因素对酶活性是否有影响（以过氧化氢酶为例），补充设计学习纸上的实验方案，并初步完成表格。请根据你的实验目的，围绕以下子问题开展思考与设计。子问题1：实验自变量、因变量、无关变量分别是什么？子问题2：如何检测因变量？子问题3：实验中需要遵循哪些原则？在问题串的引导下，师生讨论完成探究实验的设计和表格设计（见表1）。

表1

酶活性的影响因素中有高温、强碱、强酸等，再考虑空白对照，每个探究团队要完成4 个实验，这势必耗时太多。如何降低时耗？教师巧妙地减少试剂盒中的试剂，共9个试剂盒，分成3组，分别是高温处理组、强碱处理组、强酸处理组。比如，某4 个学生拿到的试剂盒中的试剂是高温处理组，这4 位学生只要完成高温处理的实验和对照实验即可，也就是原本4 个学生需要完成4个实验，现在只需要完成2 个实验，大大节省了时间。拿到强碱处理组或强酸处理组试剂盒的学生同理。如果一个班级的学生数是36 人到40 人，则平均每4 个同学完成其中一组实验，每组实验都有平行重复3 次的机会。最后，一个班级就是一个整体，每组学生的数据汇总之后，就是本探究实验所采集到的科学数据。可见，这样的处理可以落实课堂探究活动的全部过程，学生对于实验原则中对照原则、控制变量原则和重复原则等一目了然，探究体验极其深刻，并且这样的探究实验具有普适性、操作性和科学性。

三、实践反思

（一）“三段式”科学探究课堂教学沉浸式发展学生科学探究能力

演示实验既是演示实验现象，也是演示科学探究思路和科学探究的规范操作方法。比如演示实验中，依照A、B、C三个锥形瓶中分别所加试剂的种类和用量，提醒学生科学探究的原则，即控制变量和对照原则；本实验观察检测的指标可以是气泡的产生量，也可以是线香复燃的火焰明亮程度，提醒学生数据采集的方法。材料阅读环节用了科学史，科学史中呈现很多科学家大胆的猜测、缜密的推理、科学的实验，科学记录分析数据，并通过数据得出科学的结论等过程，学生在阅读的过程中，潜移默化地受到科学精神的熏陶。探究实验阶段，学生经历提出问题、设计实验方案、实施实验、观察记录数据、分析交流数据、总结归纳得出结论等科学探究的每一个过程，这种动脑动手动口的学习活动，让学生很难逃离课堂，并且高效地发展了学生科学探究能力。

（二）“三段式”科学探究课堂教学模型让科学探究顺利融入课堂

在传统的课堂教学中，一节40 分钟的课堂，如果学生能够完成一个完整的科学探究过程十分困难。但是，“三段式”科学探究课堂教学模型重新分配了课堂教学时间，减少教师的课堂语言，增加学生的课堂参与度，即将课堂时间分配权重从教师方面转移到学生方面，让科学探究顺利融入课堂教学。该模型中教师主要作用是辅助，为学生提供材料，提供引导，少说话，让学生多动脑、动手、动口，全程参与演示实验、材料解读，探究实验，自主观察，学习，建构概念知识等活动。这种教师辅助学生的课堂教学模型，可以让学生在一节课中顺利完成一个完整的科学探究。

（三）“三段式”科学探究课堂教学模型让教师面临挑战

该模型能较好地发展学生的科学探究能力，但给教师带来严峻的挑战。如科学史材料需要教师搜集整理，并围绕核心概念设计问题串。什么是核心概念？如何设计问题串？对教师来说是一个挑战。又如，探究实验要从全班整体的角度考虑，一系列的实验可以巧妙地分成若干组，让每一位学生都有参与大实验中的部分小实验，最后，所有人的数据汇总就是一个完整的科学探究。如何将大实验分组？对教师来说是一个挑战。再如，探究实验过程中学生极易出现意想不到的差错，即课堂中的“意外”，教师如何灵活地帮助学生解释这些“意外”，从而让课堂顺利进行？这种挑战对教师来说更大。

“三段式”科学探究课堂教学模型的初步建构和运用，让笔者对发展学生科学探究能力充满了希望，目前在“探究外界浓度对植物细胞质壁分离的影响”“探究叶绿素提取和分离效果的影响因素”两节课中也有很好的应用。但是，要想提高该模型的应用广度，任重而道远，需要不断实践探索和修改完善。