引导概念进阶 发展科学思维

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》强调要培养学生的“科学思维”。概念教学通过引入学科基本概念引导学生思考和理解知识，培养学生的科学思维能力。“概念进阶”是对“应该为学生设定怎样的概念学习路径”的探索，它可以直观呈现概念的发展路径，为教师的教和学生的学提供可参考的依据，为学生最终理解概念提供“线路图”。本文以“植物的光合作用”教学为例，探讨教师如何为学生设置环环相扣的概念理解阶梯，引导学生经历观察、提问、猜测、实验、归纳等一系列科学探究的思维活动，帮助学生层层递进地理解概念内涵，实现思维进阶。

一、根据学情，创设概念建构的情境

“植物的光合作用”是七年级生物学教材中的一个重要概念。这个概念涉及植物生长、发育的基础知识和光合作用的基本过程。学生学习这一知识点时，因为前概念、知识储备、思维水平的不同，他们对概念的认知程度也存在差异。

学生在小学科学课中学过光合作用的知识，部分学生具备前概念，知道植物可以吸收阳光、空气和水分，光合作用制造储存能量的有机物。在课前预习阶段，教师设计预习单和学习记录单，针对学生的前概念认知设置系列问题，如蔬菜如何生长、植物如何获取能量和营养、植物为什么需要阳光、叶片为什么是绿色等。教师通过检查学生作答的预习单发现，有的学生已经知道“植物吸收阳光、空气和水分”，有的学生的认知还处在“植物生长需要的养料来自土壤”阶段。

针对以上情况，教师创设贴近生活的问题情境，以启发学生思考。如，妈妈在家培养金鱼藻，发现在阳台的金鱼藻比在房间的金鱼藻生长得更快。白天观察时，她发现培养液中冒出的气泡明显比晚上多。你知道这和什么有关吗？由此，教师引入重要概念“光合作用”。同时，教师引导学生思考其中蕴含的两个问题：是不是光合作用强，植物生长就快；植物产生的气泡是什么，为什么白天气泡多？第一个问题属于旧知，大部分学生通过观看天竺葵实验的视频，在回顾小学学习的前概念“光合作用通过叶绿体，利用光能，制造储存能量的有机物”后可以解答。第二个问题属于新知，大部分学生不清楚产生的气体是什么。教师以“假设光合作用产生的是氧气，那要消耗什么原料”的问题，引发学生对光合作用条件和原料的思考。通过观看演示绿萝在阳光下生长的实验视频，学生对光合作用有了初步认知：光合作用吸收二氧化碳和水，释放氧气。以上教学，教师通过创设情境、播放实验视频，引导学生观察、思考，在回顾前概念的基础上学习新知，帮助学生初步理解了光合作用的概念。

二、借助科学史，深化概念理解

通过小测验和检查学习记录，教师发现学生对植物的光合作用还存在认知误区。比如，有的学生认为光合作用发生在植物体的叶子上，有的学生认为光合作用的原料只有水、产物只有氧气。为了帮助学生走出认知误区，跨越思维障碍，教师引入有关发现光合作用的科学史料。

教师首先呈现教材中的17世纪比利时科学家海尔蒙特所做的实验（海尔蒙特把一棵2.5千克的柳树种在装有90千克泥土的桶里，每日只浇雨水。5年后，柳树长到85千克，而泥土的重量只少了不到100克）材料，引导学生思考光合作用消耗的原料是什么。大部分学生通过分析“水是加到桶里的唯一物质”，推断原料主要是水。接着，教师引导：除了水，还有什么？为了帮助学生思考，教师呈现科学史料一“17世纪后期显微镜的发明使人们发现叶片气孔的存在”，引发学生思考光合作用过程中植物是否从空气中吸收某种气体。然后，教师呈现科学史料二“1773年普利斯特利的实验证明，植物能更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气”，学生分析后得出结论“绿色植物能净化污浊的空气”。由此，学生明确了“绿色植物吸收二氧化碳，释放氧气”。借助相关的科学史料，学生实现了从原料只有水到原料有水和二氧化碳的思维跨越。

教师布置各小组整理科学家发现光合作用的探究历程。小组成员列出包括年代、科学家、实验过程、发现成果的表格。由此，学生理清了光合作用的原料、产物、条件，形成了光合作用的一般概念：光合作用的原料包括二氧化碳和水，光合作用的产物包括氧气和淀粉等有机物，光合作用的条件是光照等。

科学史料的使用不只是为了呈现事实性知识，更重要的是让学生了解概念提出的历程，借助历史上相关生物学实验，学习科学家取得某一发现的方法、思路、过程等，更好地促进学生科学思维的发展。

三、探究实验原理，提升概念认知

概念认知进阶离不开探究实验。探究实验能培养学生的科学思维，提高学生的科学素养。

首先，教师引导学生思考：如果你是科学家，你要如何设计实验，证明二氧化碳是光合作用的原料、光合作用的产物有氧气呢？教师提示学生参考前面了解到的科学家的实验和教材中的实验等资料设计实验。各小组成员准备试管、金鱼藻、石蕊溶液、清水、光管、照明灯、实验操作台等实验材料。每组各准备A、B、C三支试管（A试管装有紫色石蕊溶液，B试管装有红色石蕊溶液，并注入二氧化碳，C试管装有红色石蕊溶液），进行对比实验。接着，师生共同梳理实验操作步骤：①将金鱼藻分别放入A、B两支试管中，加入适量清水；②将试管放置在实验操作台上，用光管照射；③观察试管中金鱼藻的变化，记录实验结果。

其次，进入试验阶段。教师设置问题链辅助学生思考探究。一是关于变量设置的问题，如“实验变量是什么”，引导学生关注二氧化碳的有无；二是关于现象检验的问题，如“如何判断两组金鱼藻是否进行了光合作用”“如何判断瓶内的二氧化碳是否被消耗”，引导学生通过观察有无气泡的产生，判断是否进行了光合作用，联系石蕊溶液是否由红变紫判断二氧化碳是否被消耗；三是关于排除干扰的问题，如“石蕊溶液由红变紫一定是因为光合作用吸收了二氧化碳吗”，提醒学生借助空白对照组C组进行比较判断。在各小组对系列问题进行讨论后，负责记录的学生汇报实验结果及发现。由此，学生通过对实验中的变量二氧化碳的观察，验证了“光合作用吸收二氧化碳”；通过观察金鱼藻产生了气泡，得出结论“这个现象说明金鱼藻进行了光合作用，产生了氧气”。教师提出疑问：如何证明光合作用释放的气体是氧气？学生思考后设计了第二个实验：小组学生将点燃的卫生香分别放入两支试管内液面的上方，观察卫生香燃烧的情况，氧气的浓度越高燃烧越旺。随后，学生操作实验并记录相关情况。

最后，教师引导学生利用光合作用解决实际问题，帮助学生强化概念认知，发展科学思维。如以下问题：①现在，你能告诉妈妈为什么阳台培养的金鱼藻冒出更多气泡吗？②爷爷种的土豆长得慢、个头小、产量低，你能帮他出主意，提高土豆产量吗？这样，学生通过系统的实验获取可靠的证据，基于可靠的证据建构科学概念，基于科学概念和科学知识进行判断和推理，并在生活中应用知识，从而发展了科学思维。