培育高中生科学探究素养的有效策略

王琼辉

摘 要：科学探究素养，是普通高中生物学科核心素养的重要内容之一。高中生物教师可以积极引导高中生重温科学探究的历程，运用科学史实材料，参与实验探究过程，开展研究性学习，从而培育高中生的科学探究素养，促进高中生核心素养的提升和身心素质的发展。

关键词：生物学科核心素养;科学探究;教学策略

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 收稿日期：2020-04-26 文章编号：1674-120X（2020）27-0088-03

一、引言

《普通高中学科课程标准（2017版）》颁布以来，培育学生的学科核心素养，便成了高中教育教学改革关注的焦点，反映了高中教育落实立德树人的根本任务、促进核心素养落地的发展走向。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》是高中生物教师的教学指南，教师在教学过程中要始终围绕培育学生生物学科核心素养这一基本主题。普通高中生物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个方面，是学生在生物学科学习过程中形成的价值观念、必备品格和关键能力。

根据《普通高中生物学课程标准（2017年版）》对“科学探究”内涵的表述，“科学探究”素养是指学生能够自主发现周围现实生活中的有关生物学问题，然后针对所发现的生物学现象进行观察、分析，并设计实验方案，根据方案进行实验，对实验所产生的结果进行交流、分析、讨论，从而形成相关的能力。学生在探究过程中，会对自然现象产生强烈的好奇心，进而不断增强求知欲，掌握这一学科科学探究的基本方式、方法，提高自己在观察、想象、比较、分析、综合等方面的实践能力并培养团队合作、求异创新的精神。笔者在近年的高中生物教学中，非常重视培育学生的生物学科科学探究精神、素养与能力，形成了以下有效教学策略。

二、重温科学探究历程，感悟科学探究的真谛

科学探究，它能帮助人们获取相关的科学知识，从而认识世界、改造世界。科学是一个探究的过程，这是自然科学的本质和特点之一。生物科学史可以再现生物科学发展过程中一些生物科学家的事迹，以及对某些生物学现象的探究过程，蕴含了丰富的育人价值。让学生沿着科学家的逻辑思维路线，经历“发现—探究”的过程，感悟科学探究的真谛，不仅可以让学生认识到科学探究的价值，习得科学探究的方法与技能，逐渐养成科学精神，形成科学态度，而且可以帮助学生理解这一学科的相关概念，形成生命观念，培育人文情怀。

以高中生物“生物膜的流动镶嵌模型”这节课堂教学为例。本节课中，学生围绕构建生物膜结构的两个关键问题“探索生物膜的组成成分”和“探索各组成成分之间的关系”开展学习，沿着科学家“对生物膜结构的探索历程”，以“提出研究的问题—提供证据（呈现科学史相关实验）—分析证据—构建假说或模型”为主线来进行学习。学生沿着科学家探究的足迹，一步一步构建出流动镶嵌模型，习得建模方法，即学生根据自己观察到的相关现象，运用自己已有的生物学知识，从而提出能够解释生物学科某一问题的假说，或建构某种模型，然后通过观察、实验，对自己提出的假说或模型进行验证，并不断进行修正和补充。一种假说的提出，是建立在观察和实验的基础之上，它需要科学的推理和大胆的想象才能完成。之后，又要通过一系列的观察和实验，对假说进行进一步的验证，并且在反复实验中，不断加以完善。一种模型最后能不能被大家普遍接受，取决于这一模型设计方案中的预期结果能否与以后通过一系列的观察、分析而得出的实验结果相吻合，是否能够比较完美地解释这一学科的相关现象。学生可能会认识到流动镶嵌模型不会像想象中那样完美无缺，因而，随着实验技术水平的不断提高和实验的不断创新，对膜进行更加深入、细致的研究，进一步提高对膜的结构的认识，更加完整地解释生物膜的各种功能，从而不断地完善流动镶嵌模型。学生通过上述学习与实验，可以获得这样的感悟：科学从本质上来说，它就是一个在不断自我更正的机制上不断累积、不断完善的过程。现有的科学知识就是当时人们在认识、理解自然界时的最优解释。学生也体会到科学研究是一个艰辛的历程，科学研究需要付出巨大的脑力与体力，还需要有严谨求实、批判质疑以及实践创新等情感意志品质。

学生通过对生物科学史中一个又一个科学实验的回顾与分析，可以加深对生物学科核心概念的理解和运用，不断完善自身的生物学科认知结构，科学探究能力日益增强。

三、运用科学史实材料，培养科学探究的精神

在科学探究过程中，一项历史性的发现或者规律的总结都是许多位科学家前仆后继的研究成果。建构主义学习理论认为，学生的学习过程实质上与科学家的创造性发现过程相似。因此，学生学习科学知识的过程，实质上就是一个对科学知识的发现、认识和梳理的过程。笔者在进行高中生物教学时，常常会创造性地运用一些科学史实材料，让学生模拟科学探究，重走科学探究之路，从而培养了学生的科学探究精神，提升了学生的科学探究素养。

在教学“植物生长素的发现”一节时，笔者用放在窗台上和室外的两盆玉米胚芽作实物展示，学生通过观察发现了放在窗台上的玉米胚芽生长表现出明显的向光性，自然地产生了“为什么会出现向光性”的疑问，于是展开了对植物向光性原因的合作探究。具体教学过程设计如下：

【过程1】角色扮演

教师呈现达尔文的向光性原因探究实验示意图，让学生进行角色扮演，即假如你是达尔文，请回答以下问题：

①你的科学假说是什么？

②你在实验过程中，为什么选择金丝雀草作为实验材料？怎样创设单侧光环境？用什么材料遮盖尖端或尖端下部？

③请你描述你所观察到的實验现象和推导的实验结论。

④基于你发现的事实，你又做了怎样的科学推测？通过阅读教材，思考与讨论，展示与评价，达到能“说出达尔文对植物生长素的发现的贡献，复述科学探究的基本程序”的教学目标。

【过程2】合作探究

达尔文发现植物的向光性与尖端有关，尖端是感光部位。达尔文根据实验提出，胚芽鞘的尖端在感受到单侧光的刺激后，会对下面的伸长区产生某种作用和影响，这种作用和影响的结果是伸长区的背光面比向光面生长得更快一些，这就会造成胚芽鞘出现一种向光性弯曲的现象。这个推测，需要科学实验进行证明，才能知道其真伪，以此引发了学生主动探究的欲望。经过引导分析，不难发现达尔文的推测中需要证明的问题主要有两个。

问题1：胚芽鞘的尖端感受单侧光刺激后产生的这种 “影响”究竟是什么？

问题2：胚芽鞘的尖端感受单侧光刺激后产生的这种 “影响”传到下部，为什么使下部两侧生长不均匀？

要求学生针对上述两个问题，在阅读教材并思考的基础上，提出假设，设计验证实验方案并预测实验结果（用实验图示呈现实验方案和预期结果），组内交流与讨论，最后展示学习成果。这样，让每个学生模拟科学探究的过程，而不是简单地就科学实验结果进行分析，不仅能让学生知道鲍森·詹森、拜耳、温特等科学家对“植物生长素的发现”的贡献，而且能通过这样的变式迁移，提升学生的科学探究能力。

【过程3】你说我听

随着科学研究的不断深入，植物向光性原因的谜题被破解，引导学生总结：从1880年达尔文对植物向光性的研究开始，到1946年从植物体中分离出生长素，这个科学发现的历程给了你什么启示？请你根据这些科学发现，解释植物向光性产生的原因。学生探究发现：对植物生长素的发现过程，就是一个不断观察、不断假设、不断实验、寻找证据的过程，每位科学家的一小步，成就了科学前进的一大步！教师提供关于植物向光性原因的另一种实验证据和解释，并告诉他们有关植物向光性原因的探究还在继续，让学生体会到科学往往就是在这样的争议中不断发展。

四、置身实验问题情境， 参与科学探究的过程

生物學是一门实验科学，高中生物教材中的生物学实验为学生科学探究提供了很好的素材。但如果只按照教材的顺序让学生操作实验、观察实验现象、得出实验结论，就降低了探究的价值。因此，教师在教学中要围绕某个实验，创设问题情境，让学生发现自己感兴趣的问题，自己设计实验并完成实验。学生在实验中参与科学探究过程，进行深度思考和学习体验，将不断提升自己的科学探究素养。

以人教版必修1第5章第1节 “影响酶活性的条件（温度）” 的探究活动为例。

【实验课前】向学生提出生活中常见的两种现象。第一，加酶洗衣粉的包装袋上的用法说明，“使用温水效果最佳，切勿用60℃以上的水”;第二，“人发烧时食欲不振”。要求学生选择一个自己感兴趣的现象，提出要探究的问题，作出假说，设计实验方案，准备下一节生物实验课自己亲自动手实验来验证。这两种现象的提出，都利用了学生的生活经验，创设了真实的探究情境，学生很有兴趣去联想探索。经过认真分析，学生不难发现，这些现象都是因为酶的活性与温度有关而产生的，如食物的消化跟酶的活性有关，而高温使体内酶（包括消化酶）活性降低，消化能力减弱，所以食欲不振。这样，大多数学生提出的实验探究的问题是“酶的活性受温度的影响”，也有学生提出“探究加酶洗衣粉中酶的最适宜温度”，学生据此完成了自己的实验设计方案。

【实验课中】首先，组织学生对各自独立设计的实验方案分组进行讨论和比较。学生的设计思路集中在以下2种：

方案1：设置低、中、高三个不同温度，探究酶的活性受温度的影响。

方案2：设置一系列温度梯度来探究酶的最适温度。

教师告知学生需要准备的材料、器具，可让学生以小组为单位自主设计实验方案和步骤，并将小组方案在全班进行交流、讨论。在研讨实验方案、步骤的过程中，教师可以让学生从控制单因子变量、控制无关变量（如加酶洗衣粉应该是同一袋，用量通过天平称量来控制，洗涤材料和污染程度保持一致性，可以通过滴加在固定大小的新白纱布上的同种污染物的量来控制，使用大烧杯和固定的水量等）、重复实验等方面进行评价，帮助学生完善实验设计方案。

最后，组织学生分组进行实验。在实验操作过程中，为了有效利用课堂时间，同一方案，全班分3个组进行平行重复实验，教师监督并指导学生进行实验操作，将实验结果做好记录，最后让学生展示并交流实验结果。在这一过程中，培养了学生科学观察和描述实验现象的能力，实现了学生间的合作学习。

【实验课后】在实验过程中，有些学生并没有看到预期的实验结果，也有些学生会对自己的研究问题的意义和价值产生怀疑，而受时间和条件的限制，所有问题不可能在一节实验课完全得到解决，教师可以让学生课后查阅资料，讨论与分析。如本堂实验课，学生在用实验室提供的淀粉酶（来自植物体内的a淀粉酶）探究温度对酶活性的影响的实验过程中，发现了两个问题。

问题1：为什么淀粉酶在60℃左右的温度下活性最高？用碘检验实验结果时，发现温度为100℃的实验组也不显蓝，还有的组发现温度为0℃的实验组也不显蓝色。

问题2：为什么生产厂家只提示“使用温水效果最佳，切勿用60℃以上的水”？

针对这两个问题，课后学生通过查阅资料进一步探究。学生通过查阅资料发现，所谓“最适温度”并不是酶的特征物理常数，而是受多种因素影响的综合结果。温度越高催化反应速率越快，但随着温度的升高，酶逐渐变性，活性酶浓度降低自然抵消了升温的效果，导致反应速率下降。而酶的空间结构的热稳定性决定了最适温度的大致范围，植物体内的a淀粉酶热稳定性略高。整个教学过程，能帮助学生认识、理解酶的空间结构、最适温度、催化本质等相关概念。学生在学习的过程中能够充分认识到，在最适宜的温度条件下，自然界中的酶也并不一定会发挥催化的作用，而高温条件下，通常会伴随着植物水分的蒸发，对植物的生长是不利的，有时甚至对植物来说是致命的。

在实验教学中，教师将书本知识带进特定的实验情境中，激发了学生科学探究的兴趣和欲望，通过实验设计、分析与论证、动手实验、分享与评价实验结果，强化了学生的科学思维，提升了科学探究的能力，培养了学生团结协作的意识和勇于探索的精神。

五、开展研究性学习，提升科学探究的能力

研究性学习过程一般包括选题，制订和实施计划，成果总结和汇报等几个阶段。将高中生物教材中的“科技前沿”“思维拓展”“拓展题”“技能应用”“与生活的联系”“与社会的联系”作为选题，开展研究性学习，可以提升学生的认知水平，培养学生的科学探究能力，丰富学生的情感体验。老师通过对研究性学习的成果总结、展示和交流这一阶段的指导，提升了学生科学表达与交流的能力。

有学生选择的研究性学习课题来自必修1第5章第1节的“课后练习—拓展题”第一题：“给你一份某种酶的晶体，你能设计实验鉴定它是不是蛋白质吗？请简略写出实验步骤。想一想，在萨拉姆之前，为什么很难鉴定酶的本质？”学生可以运用蛋白质与双缩脲试剂产生紫色反应来鉴定它，或利用高温能使蛋白质变性而失活的原理来检验，学生在实验室自主完成此实验，得出结论。需要教师的指导主要是以下两个方面：

一是指导研究性学习报告的撰写，提升学生的科学表达能力。教师提供以往优秀研究性学习的论文范例，让学生学习，同时也要求学生通过查找资料，研究什么是论文、如何写论文;指导学生将已经收集到的资料进行鉴别取舍和整理，拟定写作提纲，撰写论文。其质量高低不仅取决于“研究性学习”活动本身的质量，也取决于学生的綜合分析能力、学科知识基础和写作能力。教师提出了研究性学习论文的两点要求：①要有自己的认识和见解，切忌人云亦云;②保持实事求是的科学态度，不能弄虚作假、编造数据。

二是指导研究性学习的成果展示，提升学生科学表达与交流的能力。成果展示是研究性学习后期的重要组成部分，可以锻炼学生的表达能力、思维能力，也可以让学生收获成功的喜悦，并给学生的相互学习和交流提供平台。成果展示的方式多种多样，如分析报告、成果展板、墙报、论文答辩等，教师应根据学生的实际情况，指导其以合适方式展示与交流研究性学习成果。

六、结语

高中生物教学要用核心素养理念做指导，教师要用心利用好各种教学资源，创造合适的教学情境，让学生积极、主动地参与到科学探究的过程中去，观察生命的各种现象，探究生命的本质，从而使学生在头脑中建构生物学科的各种概念，形成探究生物世界的积极态度，培养对生命科学的探究兴趣与能力，发展科学探究的综合素养。

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