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  • “实验”与“探究”
  • ——探讨高中生物实验教学与发展学生科学探究能力
  • 作者:南京六中 朱弘伊 来源: 时间:2009-4-17 11:19:19 阅读次 【
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    “发展学生科学探究能力”是《高中生物课程标准》的课程目标之一。而高中生物实验既是深受学生喜爱的课堂教学形式,也是培养学生观察能力、思维能力、分析问题、解决问题等科学探究能力的有效途径。高中生物新教材中提供了形式、内容丰富的实验教学材料,教学中如何利用这些素材发展学生的科学探究能力呢?本文就自己在高中生物实验教学实践中发展学生科学探究能力的探索与实践进行了阐述。

    1.巧用经典实验

    高中生物新教材增加了许多生物科学史上的经典实验,这些实验是许多科学家为了认识生命的本质和规律而进行的探索活动。教学中,教师即要利用这些素材引导学生体验探究性学习的乐趣,还应准确分析教材中经典科学实验的功能,设计恰当的教学方法组织教学,这样学生不仅能获得科学知识,同时科学精神和科学态度得到培养,科学探究能力也能得到进一步发展。

    例如:光合作用的教学,不论是哪个版本的教材,都包含了光合作用研究历程中重要的经典实验,课标中对这段史实的要求是“说明对光合作用的认识过程”。对这一具体要求,我的理解是:让学生在学习光合作用的相关知识时,不能仅仅注重历史性的探讨,重点应是让学生在分析、研究科学家的经典实验过程中,体会科学家的科学思想和科学方法,并能通过分析对比,总结归纳出科学发现的共同特点。

    如何以教材中光合作用的经典实验素材为背景设计组织教学,发展学生的科学探究能力呢?针对学生在初中对光合作用的相关知识已有所了解,我设计了如下教学流程。课前,设计光合作用问卷进行全体学生问卷调查,组织部分学生模仿萨克斯进行实验。课堂上,向学生提供需要探讨的图文背景、动画等,在观察、阅读经典实验的过程中了解光合作用的发现;在分析光合作用发现的原始资料、研究动机及研究方法的过程中,归纳总结出科学发现的共同特点。课后,再组织学生开展相关的课外探究实验。针对课前问卷调查的结果,在光合作用认识过程的教学中,我突出了两个关键实验,一是萨克斯的实验,二是鲁宾和卡门的实验。

    萨克斯实验探究性活动的具体过程是:

    步骤一,与学生协商,让部分初中没做过相关实验的学生组成小组,课前亲历整个实验。

    步骤二,课上与全班学生分享交流,充分体会萨克斯实验的思维过程。

    步骤三,继续探究。提出问题:“如何设计实验探究光合作用过程中需要二氧化碳”。针对问题,交流讨论设计出完善的实验方案。

    步骤四,课后提供实验条件,学生进行相关探究实验。

    对萨克斯实验如此处理后的教学效果是,学生的学习兴趣、主动参与意识都大大提高。学生在实施探究实验时,实验结果有的与预期不一致,学生在继续解决这些问题的过程中,不断提出个人的见解和主张。在持续几天的开放性的小组探究活动中,学生的交往能力与合作意识有所增强,学生的观察能力、思维能力、分析问题和解决问题能力等科学探究能力也得到进一步发展。

    鲁宾和卡门实验的探究活动的具体过程是:

    步骤一,将教材中的实验结果即“光合作用释放的氧气来自水,糖类中的氢也来自水”,转换成课堂上可以思考探究的问题,“光合作用中产生的氧到底是来自水还是二氧化碳?”

    步骤二,引发思考与讨论:

    问题1:用肉眼无法观察到水分子、二氧化碳、氧气分子,科学家是怎样知道光合作用中产生的氧气分子是来自原料水分子呢?

    问题2:如果用同位素标记,应该标记什么元素呢?

    问题3:针对探究的问题“光合作用中产生的氧到底是来自水还是二氧化碳?”你的假设是什么?

    问题4:怎样设计这个实验呢?

    步骤三,归纳总结。通过CAI图示总结鲁宾和卡门的实验过程,针对假设“光合作用产生的氧来自水,实验设计与实验结果如图1。

    图1   

    步骤四,深化讨论:同位素标记法还可用于哪些类型的研究呢?

    对鲁宾和卡门实验的教学,设计了上述一连串能启迪学生思维的问题,引领学生对教材提供的相关资料进行分析、讨论、主动探索,模拟探究光合作用产物中各种元素的来源。在分析探讨中,学生进一步认识到光合作用的发现过程离不开物理、化学等科学技术的支持,对实验变量、实验组及对照组等认识的更加深入。在交流表达中,学生的语言表达、逻辑思维等能力得到进一步发展。在模仿科学家设计实验探讨光合作用实质的过程中,科学探究能力得到训练。

    2.创新实验模式

    突出实验的教学模式,简称实验模式。它的特点是以实验为中心,进行问题讨论。基本教学过程是:观察→实验→问题→讨论。新课标的具体活动建议中的许多活动都是以实验为中心的实验模式,这是因为实验教学模式可以丰富学生的感性认识,提高学习兴趣,利于突破教学的重点和难点,利于培养学生观察能力,掌握实验技能。教学中,对一些抽象难于理解的生物学知识的传授,教师如能恰当地设计一些突出实验的创新实验模式将有利于启发学生思维,增强探索精神。

    例如在“细胞膜”的教学中,我设计了构建“细胞膜结构”的活动。教学中,首先引导学生观察分析各种科学史图文资料,再让学生运用积件(如图2),自主模拟构架微观、抽象无法展现原型的“细胞膜结构”的物理模型,同时在构建“细胞膜结构”的过程中不断提出问题进行探讨。使用创新实验模式对学生形成细胞膜结构的图象及细胞膜结构的理解具有很大的促进作用,同时学生在构建细胞膜结构模型的过程中,逐渐养成良好的学习习惯,学会科学的建模方法。“细胞膜”学习过程具体组织如下:

    2.1 构建细胞膜基本骨架——磷脂双分子层

    步骤一,分析植物细胞膜通透性研究的科学史料,你得到的结论是什么?

    步骤二,分析磷脂分子图文资料,尝试画出磷脂分子在水—空气界面和水中排布方式的二维图。

    步骤三,利用积件构建细胞膜中的磷脂分子在细胞膜中呈双分子层排布模型。如图3。

    步骤四,利用血影研究实验进行上述探究活动的评价和验证,使学生获得成功的体验。

    2.2 探究细胞膜的成分——蛋白质分子

    步骤一,呈现资料,引发思考与讨论。

    问题1:分析细胞膜不但会被溶解脂质的物质溶解,也会被蛋白酶(能专一地分解蛋白质的物质)分解,你的结论是什么?

    问题2:根据实验现象,你对膜的化学成分在种类上的认识是否有新的结论?

    步骤二,分析体验,“膜在组成成分上主要由磷脂和蛋白质分子构成”探索的过程,得出结论是:现象和原有知识→推理、大胆想象,提出假说→实验验证和完善假说→得出最终结论。

    2.3 探究细胞膜的分子结构模型建立过程——磷脂分子和蛋白质分子组合方式


    步骤一,小组合作,模型架构。要求学生利用实验材料,架构蛋白质和磷脂分子的可能组合方式,如图4。

    步骤二,呈现资料,引发思考与讨论。

    问题1:电镜下的细胞膜呈现了暗亮暗三层结构,暗的代表什么物质?亮的代表什么物质?蛋白质分子和磷脂分子如何排布?

    问题2:细胞膜是不是真是“蛋白质—脂质—蛋白质”的三层结构?

    步骤三,呈现资料,引导对比,深入探究。学生将自己建构的模型与科学家结论、单位膜模型及冰冻蚀刻技术模拟排布图对比,教师提供录象及科学史料,供学生探究。

    问题1:由变形虫的变形运动,你推测细胞膜是不是真是静态结构?

    问题2:人—鼠细胞融合实验,你的结论是什么?

    步骤四,修正完善,总结建模的基本方法,如图5。

    步骤五,体验与评价,深化讨论:

    问题1:流动镶嵌模型是否完美无缺?细胞膜中除了磷脂分子和蛋白质分子外,还有没有其他物质?

    问题2:制作细胞膜模型有没有更好的设计方法和更合适的实验材料?

    问题3:细胞中细胞器膜、核膜的结构与细胞膜有什么相似和不同之处呢?

    学生在“细胞膜结构”的构建过程中,以小组为单位讨论、制作、构建、评价,获得了细胞膜的有关知识,初步建立了细胞膜的空间结构,掌握了模型构建的技能,观察、资料分析、批判性思维、模型构建等科学探究能力得到了发展。

    3.采用表观评价

    科学探究能力只有在探究过程中才能体现,在真实或模拟情境下的实验探究活动中,学生的科学探究能力逐渐发生变化。因此,传统的纸笔测验不适用于探究能力变化的评价,而要采用形成性评价对学生在科学实验过程中科学探究能力的变化情况进行表观评价。

    生物实验中要注重对学生的学科素养、实验能力进行评价。从实验探究过程来说,科学探究能力包括了观察、分类、测量、预测、辨别变量、构建假设、设计实验、收集数据、解释数据、得出结论等一系列过程性技能,因此要注重对学生的探究方法、技能掌握程度、创新和实践能力等在实验探究过程中的发展情况进行评价。表观评价量表的内容设计要从具体的教学目标出发,量规即要目标明确又要便于学生、教师操作。实验探究的教学中,我设计了多层面反馈学生科学探究能力发展变化的评价量表,具体如下:

    探究过程

    评价内容

    自我评价

    教师评价

    提出问题

    ①能否根据观察或已有经验提出问题

    ②能否根据问题作出假设

    进行假设

    ③能否利用身边材料作出假设,设计探究方案,包括设计对照实验

    实验与验证

    ④能否按照实验计划准备实验材料,有步骤地进行实验

    ⑤能否按照实验操作的规范要求完成实验

    ⑥能否安全地使用各种实验器材

    ⑦能否事实求是地记录和收集实验实验数据

    ⑧能否分析实验数据的相关性并得出结论

    结果与交流

    ⑨能否在实验探究活动中与他人合作交流

    轶事记录

    等级评价

    教师综合评价与建议

    运用上表对学生探究能力变化进行评价时,要依据具体的教学目标确定权重,采用加权求和法或者标准分计算评价得分,也可采用等级评价法进行等级评价。学生探究能力发展的评价标准要与教学目标保持一致,最终评价结果应以激励与建议的方式呈现,鼓励学生对实验探究活动中形成的判断、思维等不断进行反醒、修正和改进,以评价促进学生科学探究能力的发展。

    总之,在高中生物教学中,即要倡导各种探究性实验活动,也要明确“实验”与“探究”教学不是形式,而是以实验教学为载体,对学生进行实验基本技能、科学方法和科学思维的训练,让学生在模仿科学家进行实验、探究的各种活动过程中,改变学习方式,敢于创新,形成科学观点和批判性思维,学会科学方法和技能,发展科学探究能力。

    参考文献:

    [1] 《普通高中生物课程标准(实验)解读》生物课程编写组 江苏教育出版社  2004.3 [2] 《生物课程教育学》  崔鸿 杨华 王重力  华中师范大学出版社  2006.6第2版

    [3] 《学习、教学和评估的分类学》(布卢姆教育目标分类学修订版) L稺钒驳蒙缺嘀?nbsp; 皮连生主译  华东师范大学出版社  2008年1月第1版

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