基于“实践-汇报-交流”教学模式培养科学探究能力

彭琨

摘要 把握“科学探究”内涵，以“种群的数量特征（第二课时）”为例，阐明通过“实践-汇报-交流”教学模式能更好地培育学生的科学探究素养。

关键词 科学探究 种群 生物学教学

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力。《课程标准》强调教学重实践，在实践过程中，运用生物学概念进行多元多样的课堂评价，落实学科核心素养。2019年人教版高中生物学教科书（以下简称“新教材”）的特色之一也是关注真实问题，强调实践活动。实践不是学生简单的动手、动脑活动。它是在科学思维前提下的科学探究。“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。

传统课堂教学中，由于教师理念、课时安排、教学场地、教学组织等因素限制，学生参与的探究实践活动很少，且进行的实践活动很多都流于形式，没有遵循科学探究的基本流程，没有计划、总结、交流与讨论等，教学效果不佳。在一课时内，要完成陌生的实践活动并进行交流是难以实现的，尤其是不能在教室进行的实践活动。基于以上问题，教师可以采用“实践-汇报-交流”教学模式，即课前实践、课中小组汇报与交流的教学模式来培养科学探究素养。

1 教材分析和设计思路

“种群的数量特征”是2019年人教版《选择性必修2·生物与环境》第一章“种群及其动态”第一节。该部分内容主要包括种群的数量特征和调查种群密度的方法，且调查种群密度的方法是教学难点，主要介绍了样方法和标记重捕法。本节教学建议安排2课时，第一课时完成“种群的数量特征”理论部分的学习，第二课时完成“调查草地中某种双子叶植物的种群密度”的探究活动。第二课时内容是高中生物学课程中为数不多的实地调查活动。真实的自然环境往往就是复杂的情境，因此，这项探究活动对提升学生的探究和实践能力具有重要的价值。而传统教学往往只是对其进行了理论学习或在教室进行模拟调查，没有组织学生进行实地调查，且对标记重捕法学习过于粗糙。因此，学生很难领悟调查方法的要领、原理，更难领会应根据不同调查对象的特点采用不同的方法。新教材本节课后习题中的第一题“概念检测”中的“调查青蛙等活动范围不大的动物的种群密度可以用样方法”这一判断题就难度极大，可见第二课时有效开展的重要性。

本课“种群的数量特征”（第二课时）采用“实践-汇报-交流”教学模式。兴趣小组通过对真实情境观察、提问、设计实验，课前进行样方法实地调查和标记重捕法模拟实验;课中通过小组汇报、交流、考核互评等教学方式，突破两种科学方法的适用范围和要领，培养学生发现问题、实验设计、评价、分析总结等科学探究能力，培育学生正确的科学精神和科学态度。

2 教学目标

（1）通過样方法实地调查和模拟标记重捕法，了解两种方法的要领和适用范围。

（2）通过对标记重捕法模拟实验数据的分析，了解标记数量对标记重捕法调查结果的影响。

（3）通过“蝗虫监测技术流程图”“东非蝗灾危害”，认同科技进步促进种群密度调查的发展、创新，关注生态环境保护问题。

3 课前实践探究

兴趣小组在课前开展实地调查和模拟实验，并在课堂上进行汇报。

兴趣小组1实地调查长沙市木莲世家小区草坪中钻叶紫菀种群密度，并探究样方大小对种群密度调查结果的影响。兴趣小组2模拟标记重捕法，探究标记重捕法能否用于蝗虫种群密度调查。各组完成小组分工，制定方案，自主调查或模拟实验，统计记录，完成汇报准备。

教师跟随指导，适时引导学生发现问题，展开讨论，提出解决方案。

设计意图：学生在真实的环境中体验种群密度调查，了解科学探究的基本思路和方法，分工合作，提高实践能力，培养科学探究的精神。同时，教师通过兴趣小组课前的实践活动，解决学校常规教学中由于教学场地、教育政策要求、课时等限制不易组织全班同学进行校外调查、实践等难题。

4 教学过程

4.1创设情境，导入新课

教师展示新闻资讯“长沙某小区由于物业不作为，草坪杂草丛生，引发物业与业主矛盾”“长沙市民反映，浏阳河沿岸有大量蝗虫若虫，建议相关部门采取措施，以防引发新一轮蝗灾”及相关图片，引发学生讨论：该小区的杂草主要是什么？如何对杂草、蝗虫数量进行调查？

设计意图：教师联系学生的生活，用真实的情境导入，创设问题情境，激发学生的学习动机，并引出兴趣小组的实践探究。

4.2活动1：样方法调查汇报与交流

兴趣小组从确定调查地点、地形及面积，确定调查对象、取样的方法、结果分析及结论、小结5个方面进行汇报，并与同学交流。

4.2.1介绍调查地点、地形及调查对象

该次调查在木莲世家小区一杂草丛生的近似长方形的草坪开展。此处草坪的杂草主要是钻叶紫菀，是一种双子叶植物，且为外来入侵物种。小组没有选择丛生和蔓生的杂草，且翅果菊与调查对象形态特征相似，小组首先对植物进行了辨别。

4.2.2确定样方、开展探究

根据地形采用等距取样法，每隔6 m 设置一组样方，共设置8组样方。为探究样方大小对调查结果的影响，又设置了3种不同规格（0.25 m2、1 m2和2.25 m2）的样方。实践探究前，小组作出了假说和结果预测，认为：样方面积大小会影响种群密度的调查结果，样方面积太小调查结果误差较大;预期0.25 m2的样方调查结果与其他两组调查结果相差较大。

小组设置统计表格，分工开展实践调查。

4.2.3结果分析及结论

小组的调查统计结果总表见表1。

以上结果跟预期结果并不相符，小组根据实地情况，分析原因：①钻叶紫菀在该草坪种群密度较大;②每组设置8个样方数较多。故本实验不能说明样方面积太小调查结果误差较大，为验证假说，有待进一步调查。

4.2.4实践小结和交流

小组在“如何做到随机取样”“如何精准记数”“数据处理”等方面进行小结。学生也对取样方法、数据处理、适用范围等进行重点讨论。例如，为什么采用等距取样法而没有用五点取样法？若是“S”形地形又应采用什么取样方法？是否需要舍弃调查数据中的最大值、最小值？藤蔓植物能否用样方法调查？在此过程中，教师要引导学生注意实地调查应根据真实情境科学开展、合理调整调查方案，如样方大小设置、取样方法等，并使学生注重严谨的科学态度、求真的科学精神。

设计意图：基于兴趣小组的调查汇报和交流，教师帮助学生领悟样方法原理、要领、适用范围，熟悉调查类科学研究的一般过程，培养学生表达、分析能力以及科学探究能力，使学生理解在实践探究中根据调查对象、环境等复杂因素下合理开展实验，渗透求真的科学态度。汇报交流的形式能帮助学生认识自我、建立自信，改进学习方式，创建多元评价体系。

教师提出问题，过渡到兴趣小组2的活动展示：动物种群密度一般可以用什么方法调查？蝗虫种群密度调查能否用标记重捕法？

4.3活动2：标记重捕法模拟实验汇报与交流

4.3.1提出问题，明确探究方向

小组展示蝗灾照片，引发讨论：蝗虫种群数量调查能否采用标记重捕法？

教师汇总学生的两种观点：①蝗虫活动能力强、活动范围广，可以采用;②蝗虫种群数量庞大，不适宜采用。进而引导学生明确探究方向：种群大小对标记重捕法调查结果的影响。学生根据数学分析，作出假说：种群数量庞大时，采用标记重捕法的调查结果实验误差较大，不宜采用。

4.3.2制定计划，开展探究

实验器材、用具有圆形塑料盒、勺子、黄豆及染黑的黄豆。小组设置真实数量为3000粒、400粒的组别分别模拟数量较大和较小的种群。先用染黑的黄豆等量置换圆形塑料盒部分黄豆模拟标记重捕法中第一次捕捉标记数，摇匀;然后，用勺子随机取样来模拟重捕情况，统计取样总数和其中的染黑黄豆数，根据计算公式获得调查实验结果;进行3次实验，得到估算平均值;并依次增加圆形塑料盒染黑黄豆数，重复实验，获得各组实验结果。

4.3.3结果分析及结论

小组的两个组别的调查统计结果总表见表2、表3。

小组根据结果分析，得到实验结论：①种群数量较大时，采用标记重捕法，实验误差较大。②第一次捕捉标志总数大约是种群总数的1/10时，调查出的结果相对接近实际值。

综上，种群数量庞大的蝗虫，采用标记重捕法调查时需标记数非常多才有可靠的实验结果，不具可操作性。故蝗虫的种群数量调查不宜采用标记重捕法。

4.3.4小结和交流

小组分别在“设计模拟实验的原则”“采用数学思维分析结果”“蝗虫不宜采用标记重捕法的其他思考”等方面进行小结。例如，一般在不宜对研究对象直接干预、控制时可采用模拟实验，但务必讲究科学性，包括实验原理、材料选择、方法等的科学性。

其他学生对实验用具与材料、实验操作、实验结论等展开激烈讨论，如能不能用绿豆代替染黑的黄豆，对于“1/10”这一结论存在质疑。教师建议：数据分析时，可以用曲线图来表示更直观。有的学生甚至对标记重捕法的实用性产生了质疑。

设计意图：通过模拟实验，学生理解了标记重捕法的原理、要领、适用范围。教师引导学生总结种群密度调查方法选择的依据，使学生明确：种群密度调查时应根据所调查的生物特性，选择恰当的方法甚至对方法进行改良。同时，学生也了解模拟实验的设计原则，培养了科学探究能力，进一步培养了表达、分析、科学评价、分工合作能力，发展了数学统计思维、批判性思维等。

教师追问：在使用标记重捕法时，标志物消失或脱落等异常情况都会导致调查结果与实际值偏差较大。是否通过模拟实验进行演绎来评估调查结果是偏大或偏小？

4.4活动3：通过模拟实验探究异常情况

教师展示实验器具与材料、异常情况（标记消失、脱落;标记对动物造成伤害，甚至死亡;标记过于醒目，导致比未标记的更容易被重捕），并提出课堂探究实验汇报要求：①说明如何模拟异常情况;②记录、统计实验结果;③用调查数据说明异常情况导致的结果。

学生分组讨论，确定主题、开展实验，兴趣小组2的成员对标记重捕法熟悉，作为观察员分别在每个组观察、记录并进行指导，教师巡视。分组探究后，小组汇报并进行交流评价。

设计意图：通过模拟实验对标记重捕法中异常情况分析，教师进一步培育学生合作探究、交流讨论等综合素养。学生通过成果展示，汇报交流，进一步认识自我、建立自信，改进学习方式，创建多元评价体系。

4.5联系实际，创新应用

教师提供有关卫星遥感技术的资料，展示蝗虫监测技术流程图（图1）。

教师引导思考：为什么蝗虫监测需要获取植被指数、地表温度等数据？打理的草坪和荒废的草坪，哪种容易滋生蝗虫？以此呼应课题导入情境，引发学生们进一步思考。教师布置任务：①查阅资料了解我国蝗虫防治手段、成果。②以长沙市某种外来入侵生物如福寿螺、一枝黄花为例，通过查阅资料、调查等方式，了解其分布、危害及给出预防建议等。

学生分析资料，了解种群密度调查方法的发展：现在更多是根据生物自身特性与其影响因子，利用多技术手段和学科融合来追踪其种群数量动态变化及预期未来发展情况。

设计意图：教师引导学生认同伴随科技发展，促进调查手段的发展、创新，并利用情境任务，进一步激发学生的实践兴趣，促进学生学以致用，培养学生发现问题、信息获取、解决问题等能力，落实社会责任素养。

5 教学反思

本课例采用“实践-汇报-交流”教学模式，创设“草坪杂草丛生”“浏阳河蝗虫”等真实教学情境，带领学生开展样方法实地调查、标记重捕法模拟实验、汇报研讨等探究实践活动。学生边做、边学、边想、边议，对两种科学方法的使用范围和要领有了更深层次的理解;通过汇报、交流，能对教材的理论知识和真实实践中遇到的具体问题进行批判性思考;对如何开展调查类科学研究和模拟实验有了真实体验。同时，本课例通过真实情境关注真实问题，通过实践探究解决问题，在实践过程中又生成新问题，引发学生进一步思考，加深了学生对生物学概念的理解，这是传统的理论教学无法达到的育人效果。例如，兴趣小组2的探究方向（种群大小对标记重捕法调查结果的影响）是基于我校去年在做标记重捕法模拟实验时由于放置了2000颗黄豆而导致很多学生小组的实验因为加入的染黑黄豆素数太少而偏差很大，没有成功。这次兴趣小组2还发现重捕数的数量也对实验结果有影响。重捕数是多少时调查出的估算值更接近真实值呢？这又是一个新的探究方向。总之，实践探究、汇报、讨论交流等多樣的教学方式发展了学生的数学统计思维、评价与质疑等科学思维，更好地培育学生科学探究能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]朱正威，赵占良.普通高中教科书教师教学用书·生物学·选择性必修2·生物与环境[M].北京：人民教育出版社，2020：15. [3]黄健熙，卓文，杨春喜，李林，张超，刘佳.基于 Landsat8卫星数据的蝗虫遥感监测方法研究[J].农业机械学报，2015，46（5）：258-264.