基于科学史经典实验的探究式教学模式初探

王美军 刘赛男

(北京市十一学校 北京 100039)

1 背景

《普通高中生物学课程标准(2017 年版)》(以下简称《课程标准》)指出,学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生通过学科学习而逐步养成的正确价值观念、必备品格和关键能力。 生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四部分内容。 如何在教学中落实核心素养成为一线教师亟待研究的课题。

“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交流与讨论的能力。 学生应在探究的过程中,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,学生应乐于并善于团队合作,勇于创新。 下文将课本知识融入到生物科学史的经典实验中,创设真实的问题情境,让学生去体验、去探究,在解决真实问题的过程中培育学生的“科学探究”核心素养,旨在构建一种基于科学史经典实验的探究式教学模式,以在保证课程基础性的同时,尊重学生多样化的发展需求,实现从内容本位向学生发展本位的转变。

2 理论基础

2.1 探究式教学

探究式教学,即按照科学探索的一般规律,创设学生“有所发现”的教学情境,引导学生通过搜集资料、设计并操作实验、调查和观察、讨论等活动进行研究,从而使学生得出结论。

从形式上来说,探究式教学大致可以分为以下五个阶段:①教师设法激起学生的认知冲突,引导学生围绕科学问题、事件或现象展开讨论,激发学生的求知欲望。 ②学生通过动手做实验,体验实验过程,观察并记录实验结果。 ③学生分析、解释数据,对个人观点进行综合分析,建立认识客观世界的模式或模型,形成科学认知。 ④学生将所学知识运用于新情境,以拓宽对知识的理解,形成新技能。 ⑤教师与学生共同回顾与评价所学内容与学习方法。

从本质上来说,探究式教学研究需要解决的问题包括以下三个方面:①使学生能够感受到知识的缺乏。 ②鼓励学生发表不同意见。 ③通过实验证据解决学生的问题。

2.2 科学史经典实验的教育意义

科学史经典实验的研究过程与探究式教学模式的本质需求高度符合,因此,本研究借用科学史经典实验来进行探究式教学。 科学史经典实验的教育意义在于以下四个方面:①教师以故事的形式呈现科学史上的经典实验,结合科学家的个人生活与所处时代,将科学主题人性化,可以让学生对生物学学习更感兴趣。 ②许多科学史经典实验是典型的科学探究过程,教师可以用其培养学生的科学探究能力。③教师将科学史经典实验和课本知识相关联,可以让学生更好地理解科学概念与科学方法。 ④教师借助科学史经典实验,可以让学生感悟科学理论的发展和变化过程,提升学生独立思考问题的能力,同时培养学生的怀疑与批判精神。

3 教学案例

生物科学是一门实验性学科,教材中的每个知识都是来源于科学史上的经典实验。 面对如此丰富的科学史经典实验库,教师需要精心筛选和整合后,才能将其用于高中生物学课堂教学。 本研究基于核心素养和教学目标筛选典型的科学史,对实验目的、实验材料、实验设计、实验结果、实验结论、创新点、改进方法、新的研究问题等进行改编、设计。 教师在生物学科大概念的引领下,确定单元学习任务,通过实施改编的科学史经典实验,设计科学史经典实验的探究式教学,最终使教学指向生物学科核心素养的落地(图1)。

图1 设计科学史经典实验教学的工作流程

3.1 教学案例一:“细菌大战抗生素”——筛选耐药菌

教师基于“细菌耐药性产生的机理”经典实验,设计了探究式任务“细菌大战抗生素”——筛选耐药菌。

(1) 确定单元学习目标

教师根据“生物的进化”单元学科大概念“生物的多样性和适应性是进化的结果”,确定单元学习目标:①学生能了解地球上的现存物种丰富多样,认识到它们来自共同祖先。 ②能解释适应是自然选择的结果。

(2) 设计探究式学习任务

在单元学习目标的引领下,教师设计了探究式学习任务:细菌大战抗生素——筛选耐药菌,并规划了探究式教学的流程(图2)。

图2 “细菌大战抗生素——筛选耐药菌”探究式教学流程

(3) 筛选科学史经典实验

教师筛选1952 年“细菌耐药性产生的机理”等原始科研文献供学生阅读。 学生通过阅读原始文献,可以认识到微生物的抗药性是在未接触药物前自发产生的,并且这种抗药性参与了微生物对新环境的适应。

(4) 改编设计课堂科学探究实验

在阅读文献的基础上,教师引导学生根据探究式学习任务:细菌大战抗生素——筛选耐药菌,讨论设计了科学探究实验:细菌耐药性实验。

(5) 落实学科核心素养

学生通过对科学史经典实验的文献研究、讨论与交流,确定实验方案,并通过亲身体验实验,获得真实的实验数据,最终形成科学认知:细菌的突变是普遍存在的,不同细菌个体本身就存在抗药性差异,抗生素只是对其进行筛选。 这样的探究式学习不仅使学生学习了知识,还给学生留下了深刻印象,更培养了学生的科学探究和科学思维能力,提高了学生的生物学学科核心素养。

3.2 教学案例二:“培养转基因荧光细菌”

教师基于基因工程相关的经典实验,设计了探究式任务“培养转基因荧光细菌”。

(1) 确定单元学习目标

教师根据“基因工程”单元学科大概念“基因工程赋予生物新的遗传特性”,确定单元学习目标:①学生能理解基因工程是一种重组DNA 技术。 ②学生能解释转基因产品的安全性问题。

(2) 设计探究式学习任务

在单元学习目标的引领下,教师设计了探究式学习任务:培养转基因荧光细菌。

(3) 筛选科学史经典实验

教师筛选与聚合酶链式反应(PCR)、琼脂糖凝胶电泳、基因表达载体的构建、DNA 转化、荧光显微镜等有关的原始科学史经典实验文献供学生阅读。

(4) 改编设计课堂科学探究实验

在阅读文献的基础上,教师引导学生根据探究式学习任务,讨论设计了科学探究实验。 课堂实验共包括五课时:PCR 扩增荧光蛋白基因、琼脂糖凝胶电泳检测PCR 产物、PCR 产物与质粒连接为表达载体、表达载体导入大肠杆菌、观察大肠杆菌内荧光蛋白的表达情况。 培养转基因荧光细菌的基本流程如图3 所示。

图3 培养转基因荧光细菌的基本流程

(5) 落实学科核心素养

学生将科学史设计为实验探究课,开发了荧光蛋白转基因大实验,将荧光蛋白基因转入大肠杆菌中,让大肠杆菌发光,并利用不同颜色的荧光蛋白在细菌平板上作画。 通过体验探究实验,学生对“基因工程赋予生物新的遗传特性”这一大概念有了更直观深入的认识,进一步发展了科学探究能力。

4 结论

4.1 落实核心素养需要明确教学目标

《课程标准》是国家对基础教育课程的基本规范和质量要求,是一个纲领性的文件。 《课程标准》中的核心素养是高度概括的,教师要想在课堂上落实核心素养,需要将核心素养转变为每个单元可操作的、清晰适切的教学目标。 教师基于核心素养转化的教学目标开展教学,才能最终落实对学生核心素养的培养。

4.2 通过探究式教学落实核心素养

学科核心素养是学生在学科课程的学习中逐渐发展起来的,是学生在解决真实情境中的实际问题时所表现出来的综合能力。 青少年具有与生俱来的强烈求知欲和探索世界的意愿,教师进行探究式教学不仅应让学生习得基础的生物学知识,更需要让学生形成生物学整体的大概念框架,让学生领悟到生物学家在科学探究过程中解决问题的思路和方法。 教师采用的基于科学史经典实验的探究式教学是行之有效的、受学生欢迎的教学方式,能帮助学生提升核心素养。

4.3 科学史经典实验为探究式教学提供真实情境素材

生命科学蕴藏着大量经典科学史与科学实验,实验探究教学是促使学生形成生物学核心素养的必要手段。 科学史经典实验为学生建构知识、理解重要概念、形成生物学整体概念框架提供了真实问题情境。教师筛选了符合教学目标、又适合高中生认知水平的实验,通过改编实验、体验实验的过程,培养了学生解决真实科学问题的能力,提高了学生的科学素养,最终能使学生对社会上关于生物学的科学性问题进行辨别和解释,帮助学生实现学以致用。

4.4 形成基于科学史经典实验的探究式教学模式

通过教学案例的开发与实践,学生的好奇心和思维得到充分的激发,学生对生物科学探究实验的原理、材料选择、操作要求以及数据分析等具有更加深刻的理解,学生针对特定的现象,进行观察、提问、设计实验、推断结论的能力得以增强。 本研究总结了一种基于科学史经典实验的探究式教学模式,如图4 所示。

4.5 探究式教学收效显著,学生核心素养得到提升

学生经过一段时间的探究式学习训练,可逐渐理解生物学知识的发现并非依据直觉,而是以庞大的实验体系和科学探索作为依托。 在探究式教学中,学生的科学思维和科学探究能力得以提高,学生学习的主动性得到空前激发,完成了大量兼具想象力和独创性的作品。 同时,学生对基于科学史经典实验的探究式教学模式给予了较高评价,对这种饱含创新性与驱动力的学习具有强烈兴趣。

图4 基于科学史经典实验的探究式教学模式