基于科学史培养高阶思维的探究实验教学设计——以“伞藻移接实验”为例

周 瑾

（南京航空航天大学附属初级中学 江苏南京 210001）

高阶思维是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力，在教学目标分类中表现为分析、评价和创造。探究实验是培养学生高阶思维的重要途径，科学史上的经典实验更是培养学生高阶思维的重要载体。在教学过程中，教师不能简单讲述实验过程，而要依托科学家实验的步骤，对实验进行剖析，将问题逐一呈现给学生，尤其需注重引导学生理解提出推论的过程，推理实验现象与结论之间的逻辑关系，从而帮助学生发展思维能力，加深学生对概念的理解。

苏教版生物学八年级下册第二十二章第一节“DNA是主要的遗传物质”中选用了德国科学家的经典实验，引导学生讨论：伞藻移接实验说明了什么？这个实验要解决的问题是：生物的性状是由细胞核控制还是细胞质控制的？实验说明伞藻细胞核中具有控制性状的遗传信息。科学史上的经典实验结论已经深入人心，学生往往不愿意再去分析和思考实验设计和过程，更倾向于直接寻找结论。科学发现的历程中承载和表达了科学家们科学思维，学生仅凭实验结论是无法感知这些的。故在教学中，教师应依托教材，适度拓展相关科学史实，引导学生体验探究，发展高阶思维。

1 情境创设

德国藻类学家黑默林用伞藻作了一系列有关细胞核和细胞质关系的实验研究。伞藻是学生比较陌生的植物，教材中使用的背景资料较少，教师应该依托这个背景创设情境，通过科学家开展研究的事例，激发学生的好奇，唤起学生探索知识的欲望，引导学生由初级的“有趣”上升为乐于探索的“乐趣”。

教师播放伞藻视频，让学生了解伞藻的分布、外形和生活场景，激发他们的探究兴趣。接着，教师提问：伞藻作为移接实验材料的优势是什么？并用问题串进行引导：①伞藻的结构有几个部分？②每个部分内有什么结构？③实验一的两组实验切除了什么结构？留下什么结构？④长出的伞帽是否与原来一样？

在本环节中，学生思路一直在围绕伞藻的结构。教师引导学生从科学家的选材、设计思路、证据的可靠性等方面进行比较、分析、判断、解释。学生通过思考，明确了伞藻的基本结构、细胞质和细胞核的位置，对于伞藻伞帽能够再生也有了清晰的认识。学生顺应科学家的思路去发现问题，体会科学家的思维方式，有利于激发高阶思维和进一步的探究。

2 任务驱动

学生在初一已有前概念：细胞核内有遗传物质，能够传递遗传信息。在讨论这个探究实验时，学生容易将前概念带入，或直接寻找教材中的结论。这样的学习方式对学生的理性思维能力的培养是极为不利的。教师应在教材提供的实验过程的基础上，对实验内容进行重新建构，围绕科学探究实验的要求，针对不同的实验变量，引导学生重新设计实验。对科学问题而言，实验变量的控制非常重要。教师通过引导学生分析变量和设计实验，获知学生对于教材中科学家实验的理解程度，有利于激发学生探究兴趣，激活思维。

教师将学生分组，每组提供2种伞藻模型。模型分为伞帽、伞柄、假根3段，均可拆开拼接，方便学生实验。之后，教师通过任务驱动的方式，让学生自主探究，在探究中发现问题、寻找问题的答案，启发学生对证据、推理和结论等进行反思评估，最终归纳提炼原理、规律，从而加深学生理解，提升科学思维。

任务（1）依据教材的实验一，分析：切掉伞帽后，重新长出的伞帽的性状是与假根有关还是与柄有关？

任务（2）模拟科学家实验场景设计对照实验。在教材的实验的基础上，教师要求学生将模型进行两两组合，根据不同变量设计对照实验。教师根据科学史探究实验的步骤，提供探究的方向，引导学生。对照实验要求除了对实验所要求研究因素或操作处理外，其他因素都保持一致。学生比较实验结果，明确伞藻的假根还是伞柄对伞帽的影响和处理效应或意义。图1为在变量分别为伞柄和假根的情况下的实验设计。

图1 变量为伞柄和假根的实验设计

任务（3）学生进一步探究：如何使移接体长出菊花型伞帽？在前面实验的基础上，学生接着设计出实验④并明确其对照实验（图2），再次明确假根的作用。

图2 使移接体长出菊花型伞帽的实验设计及其对照实验

本环节注重教学重心的转换与内容再构的变化，关注重点从知识结果的传递和掌握转变为对学习过程和意义的理解。学生通过对科学家实验的分析，以教材上的4组实验重新组合，两两对照，在一个实验中可以挖掘出与对照实验相关的多种思路。学生解释发表观点，将知识整合到新的任务中，在思考中得到乐趣，在思考中开拓思路，在思考中提高素养。

以学生为中心参与课堂是影响高阶思维技能培养的一个关键因素，教学的重点应该是教会学生推理、教会学生思考上。通过任务驱动，学生领悟到科学家的经典实验，看似简单，实际上每一步实验都是科学家经过思考，反复实验，才能得出结论。学生通过科学史的学习，潜移默化中提高科学探究能力，培养创新意识和不畏艰难的探索精神。

3 迁移运用

虽然教材上的探究任务已经完成，但此时学生的思维已经很活跃，教师及时引导学生迁移、深化知识，发展分析、评价、创造等高阶思维能力。

教师再次提问：实验中两种伞藻的假根处有没有细胞质？学生讨论、分析，发现：假根处也有细胞质的存在，因此长出的伞帽无法准确判断是细胞核还是细胞质起的作用。

教师据此引入伞藻核移植的拓展实验：将菊花形帽的伞藻的核移入到去核并去帽的伞形帽伞藻的假根中去，得到与菊花形帽伞藻一样的菊花形帽。

学生讨论伞藻核移植实验的现象，从而明确细胞核的决定作用，强化伞藻细胞核中具有控制性状的遗传信息这一概念。

教师展示克隆羊实验，进一步拓展学生思维：培育多莉羊的过程中，科学家采用了克隆技术。从一只成年母羊身上提取体细胞，把这个体细胞的细胞核注入另一只母羊的卵细胞之中，而这个卵细胞已经抽去了细胞核，最终新合成的卵细胞在第三只母羊的子宫内发育形成了多莉羊。多莉的性状应该和哪只母羊基本相同？学生讨论回答出“与提供细胞核的母羊基本相同”。

教师将教学内容与真实生活情境相联系，解决问题、拓展应用，使学生能够串联起新旧知识，并展开反思、批判、创新的思维活动。

4 激励评价

评价是课堂教学中至关重要的一部分，课堂教学过程及时的评价对学生有很强的激励作用。尤其是在任务环节，教师应及时进行评价，引导学生在评价他人与被评价的过程中进一步改正缺点、发挥优势，促进学生理解科学知识，发展高阶思维能力。

在本次教学中，学生需要通过思考辨别伞藻的基本结构、细胞质和细胞核的位置以及2种不同伞藻的区别。这要求学生阅读教材、分析资料，有助于促进学生养成比较分析的习惯。在探究过程中设计实验方案，需要学生对教材上的实验进行分析重构，对学生的判断、检验等思维能力培养有很大帮助。最后，教师通过情境的创设，任务的驱动，激活学生思维，帮助其进一步内化知识。

对学生表现出来的高阶思维能力进行全过程的评价，并通过评价得到的信息，了解学生高阶思维能力的水平以及高阶思维教学存在的问题，能够帮助教师改进教学设计与教学行为，形成教、学、评一致性。

“伞藻移接实验”是初高中教材中的经典实验，教师深入挖掘教材中的科学史资源，以科学家经典实验为依托，引导学生体验科学家思维，使学生认识到生物学概念的形成需要在实验探索中不断发展和完善，逐步锻炼高阶思维和解决问题的能力。