聚焦探究实践核心素养的生物学实验教学主线设计

冯国庆 张梦芸

［摘要］ 探究实践核心素养作为生物学课程核心素养的重要组成部分，对学生能动性学习的达成与科学素质的培养至关重要。以初中生物学“根对水分的吸收”教学为例，进行聚焦探究实践核心素养的教学设计，通过在具体教学过程中构建观察发现式探究、实证模拟型实验、迁移具身性实验、设问式科学读写，以及追问现实性价值为一体的实验教学主线，用以达成教学主题导入、科学方法获取、探究程式内化、推理探究论证与生产应用认知。

［关键词］ 初中生物学；探究实践；核心素养；实验教学；教学主线

随着《义务教育生物学课程标准（2022年版）》的颁布，探究实践作为初中生物学课程的核心素养被明确提出，其延展、聚焦并正名了科学探究的内涵，强调了学生应达成具身化科学实践的重要性。同时，实验教学作为初中生物学教学的重要组成部分，对调动学生探究实践的积极性、掌握科学探究的方法、理解生命科学的现实应用具有重要的意义。然而，现实初中生物学实验教学的设置散乱，难以凸显实验深层的研究逻辑与育人功能。为此，已有相关研究在着力设计实验教学的主要线索，用于帮助构建生物学知识体系，并培育学科核心素养。现以河北少儿版初中生物学教科书“根对水分的吸收”内容为例，进行聚焦探究实践核心素养的实验教学主线设计。该教学内容主要包括根是吸水器官、根吸收水分的部位及原因。为匹配科学探究从宏观现象到微观探析、从整体认识到原理追究的基本顺序，研究者利用模拟实验、演示实验、课堂探究实验与科学读写任务等方式，进行了驱动学生学习兴趣，并层层递进的实验教学主线设计。

一、观察发现式探究的教学主题导入

教学过程：教学刚开始时，教师播放视频介绍本市农业基地从国外引入的滴灌、渗灌等技术。紧接着设疑导入，询问同学们通过视频看到的新型农业中的滴灌技术，滴灌管道中的水是如何被植物所吸收的呢？为什么滴灌是把植物所需的水滴在植物根部，而不是植物的叶子或茎等地方呢？让学生进行推理，回应“根可能是植物吸收水分的主要器官”后，给学生示范课前教师准备完成的“蒜苗根茎吸收水分的对比实验”，即称取等量均匀生长的蒜苗、分别将茎叶和根接触同等质量的清水一段时间，吸掉多余水分并称重。随后，便让学生根据“根部浸没组吸水更多”的实验现象进行分析，提出如下问题：为何两组实验需要的水需要足够且一样多？为何第二次称量前要用吸水纸吸干植株表面的水分？根据质量的差别，你能得出什么结论？

生物知识来源于实践，应用于生活。通过本地农业示范园中的新型灌溉技术，迅速吸引学生的注意力，导入本节课的主题。通过教师的设问引导，顺利将教学内容过渡到“根才是植物吸收水分和养分的主要器官”。此外，教学过程的后续并未直接让学生设计实验，而是让学生通过示范实验的观察发现去进一步确证之前情境问题的推理结论。该教学方式遵循了探究实践素养生成的进阶性，即以发现式探究让学生进行科学现象的深入思考，潜移默化地涵育其对照实验的思路。

二、實证模拟型实验的科学方法获取

教学过程：接下来，教师便询问根有哪些特点适宜吸收水分，让同学们利用放大镜仔细观察桌面上的玉米根部。学生在观察发现后大致得出结论，即玉米根部的根毛很多。此时，教师便追问：根尖有一个长有大量根毛的根毛区，根毛多是否就有利于吸水呢？为了验证这一问题，让学生按照要求，利用身边的文具进行毛笔吸水的模拟实验，即学生两两一组将末端分叉和未分叉的不同状态毛笔，同时插进相同体积的水中并提起来，观察水分的变化（整个模拟实验在量筒中进行）。该实验让学生经由模拟的观察得出，根毛增加了根与水接触面积利于吸水。之后，教师出示根尖细胞图像，提示学生从细胞壁厚薄、细胞质多少、液泡大小对比普通植物细胞和根毛细胞的区别，结合导管形状总结根毛利于吸水的微观原因，进而得出相应结论。最后，教师引入谚语“根深才能叶茂”，说明越是高大的植物，根深入地下也就越深，根尖位置也就越深。

该教学过程中，学生观察根毛区密集的根毛，形成感性认识。之后再通过毛笔模拟实验，类比推理得出根毛多能增加根与水的接触面积。这种模拟实验恰如美国教材中的实验教学设计鼓励学生探究那样，在替换实验材料减轻学生操作负担的同时，用直观教具增加学生的感性认识。采用此种模拟实验的教学方式，不仅在一定程度上帮助学生建立了形象转化生物学模式的概念，也进一步让学生熟悉了对比实验中控制单一变量的设计原则，体悟“提出问题—做出假设—实验验证—得出结论”的一般科学研究方式。此外，教师借助模拟实验，以生物学图像与教学引问的方式帮助学生深入思考内在微观机理，从而形成科学探究的意识。

三、迁移具身性实验的探究程式内化

教学过程：教师引入先行组织者材料，即通过科学家的研究发现，植物的根毛不仅能吸水，还能在一定的条件下失水。此时，便引入了一个问题“植物在什么情况下失水，什么情况下吸水？”同时，教师给学生两幅图片展示“糖拌西红柿出现大量渗水”及“生鲜超市防止蔬菜枯萎蔫”，从而做出推测：细胞吸水和失水可能和溶液浓度有关。紧接着，便让学生进行实验设计验证假设。此处，需要给予学生提供实验仪器与材料，打孔器、白萝卜、清水、高浓度盐水、烧杯、量筒、电子秤、滴管、小刀、直尺、标签纸、签字笔、吸水纸、天平等，以及课前处理的材料：利用打孔器在萝卜上打出圆柱形长条，利用直尺切取等长的萝卜条（约6 cm）。分别选取10根萝卜条，平均分两组，称重记录初始重量后放入标记有A和B的烧杯中，A烧杯中装入100 mL清水，B烧杯中装入100 mL浓盐水。随后，为了给学生提供实验设计的脚手架，教师提出一连串的问题：实验变量是什么？打算分多少组？每一组如何处理才能形成对照？实验材料的哪些变化能帮助判断细胞是吸水还是失水？当学生设计完成后，邀请其中一组上台展示自己的实验设计，其他人对该组的分组有没有不同看法？除了利用他们所说的以萝卜块重量的变化来判断吸水和失水外，有没有其他的判断依据？此处，需要向学生强调：每组所用萝卜条大小长短要一致，借助打孔器和直尺操作并作示范；每组实验除了溶液浓度不同外，溶液体积要一致，可以通过量筒实现；吸水还是失水可以参考萝卜条的质量、实验结束后溶液体积及萝卜条硬度等多个指标，进而让学生完善实验设计并进行实验。由于该实验耗时较长，故前期实验的材料处理可以由老师代劳，并分组浸泡于不同浓度的溶液中。最后，请学生根据实验设计，利用桌面上的实验材料和实验器材，完成探究实验的后续步骤并将结果记录、汇总在表格中。

学生的探究实践不能仅限于模拟探究，还应当进行具身化的动手实践。正如朱正威先生所述那样，科学探究应当包含发现式探究、推理式探究与实验式探究等多种类型。正因如此，该教学环节便是以迁移具身性实验，促进学生对科学探究程式的内化。一开始的现实生活生物学现象让学生能够从情境出发，在激发他们学习兴趣的同时，理解生命科学知识的应用广泛。之后，提供材料让学生对照实验原则设计实验，通过展示实验方案同全班同学一起评价该方案的科学性，再改进自己的实验方案。此教学环节让每一组学生真实经历动手动脑的学习实践过程，经由反思审辨向他们渗透科学共同体的基本意识。由于时间的关系，每组学生只进行了一组实验的数据统计，但是全班每一组就可以看成是实验的重复，这样就满足了探究实验的重复原则。可见，无论是前期的实验设计基本原则与探究方法的迁移应用，还是后续从定性到定量的测量统计与求平均值的工作，既能让学生参与探究实验过程，也能让学生亲身体验实验最重要的数据收集和处理、分析等环节。

四、设问式科学读写的推理探究论证

教学过程：从之前的教学流程继续向下延展，满足了浓度差是植物吸水的前提，那外界的水分要通过哪些障碍才能进入植物体内，到达需水的根、茎、叶等器官呢？此时，教师则向学生展示根毛细胞与土壤颗粒接触示意图，以及根部导管与茎、叶导管相链接示意图，并让学生逐一思考如下问题，梳理出水分进入植物体内到达需水部位的途径。为了便于学生回答，教师同样给出问题链：土壤中的水分先经过哪些结构进入根毛细胞液泡？进入根毛液泡后其浓度增加还是降低？与其紧邻的内层细胞相比，水分朝哪个方向移动？如何运输到地上的茎和叶？当完成问题链铺陈后，教师让学生绘制出水分进入根毛细胞，以及进入植物体内的途径：土壤溶液→细胞壁→细胞膜→细胞质→液泡（根毛细胞）→根毛以内层层细胞→根部导管→茎、叶、花、果实，并给予正确的示例。

科学教育中大多数结论的得出并非来源于一手的自身实验，其探究过程往往是基于证据资料的二手推理。正因如此，教师让学生阅读相关的细胞结构图片，并在此基础上进行路径绘制的科学写作。在充分了解了植物吸水和失水的原理后，科学阅读的素材提供让学生可以结合根毛细胞与土壤溶液间的位置关系，以及根毛细胞与内层细胞、导管之间的位置关系，分析出水分进入植物体内到达需水部位的途径。而此途径绘制的科学写作，不仅展示了学生的思维过程，展示其基本生物学知识，也作为评价学生推理论证结果的手段，让学生通过该任务的完成情况反馈自身的学习过程。

五、追問现实性价值的生产应用认知

教学过程：为进一步让学生透过所学知识理解现实世界，追问学生教室里种的仙人掌和绿萝，对它们的浇水量是否一样？同时，展示统计数据：水稻、小麦与玉米的年平均需水量分别为811g、507g和368g，同种水稻不同生长阶段的需水量，分蘖初期、出穗初期、出穗末期、成熟期、成熟后期的需水量分别为1064g、410g、232g、315g、108g，让学生依据其对科学种田提出建议。之后，便引入一组资料：植物的生长离不开水，要想植物生长良好，勤于浇水固然是重要的，但是我国水资源并不丰富，南北水资源分布极度不均匀，农业上浇水就不能太任性，因为不合理的浇水很可能造成水资源的浪费。针对此，科研工作者开发了节水灌溉的新方法——滴灌和渗灌等模式，请同学们自学课后知识“开眼界”，了解滴灌和渗灌等的优势。最后，让学生根据课堂所学内容去思考并解决如下问题：你如何保证给你家植物施肥时不会造成“烧苗”？海洋植物为何不会有“烧苗”现象的发生？盐碱地为什么叫不毛之地，但一种叫碱篷的植物却能在这里很好地生长？能否知道今天使用的材料萝卜细胞的细胞液浓度？

从科学资料中分析出有用信息是初中生应该具备的基本能力。通过简单的统计图表提取有用信息，让学生明白科学种植中的生物学原理，并能将其应用于生活，提高了学生学习生物学的兴趣。科学技术的进步让农业生产变得更高效、更合理，通过了解新型农业中科技的应用，呼应课堂的导入，在回顾农业科技发展的科学社会史时，宣扬社会责任。最后的整个课后自主探究实践的任务布置，是在追问所学知识的现实性价值，让学生能够运用课堂所学知识，突破固守课堂时空的壁垒，激发思维火花，以创造性地解决问题。

［参考文献］

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［3］张桂梅.基于学科核心素养的初中生物学“主线教学”：以苏科版“植物的生殖（第一课时）”教学为例[J].基础教育课程，2019（Z1）.

［4］康健秋，禹娜.针对特殊学生的通用生物学实验教学设计理念：以美国生物实验教材《鼓励学生生物学探究》为例[J].中学生物教学，2021（04）.

［5］丁奕然，吕立杰，任小文.朱正威生物教育思想的时代回响：兼论对生物学学科核心素养培养的启示[J].课程·教材·教法，2019，39（05）.

［6］董清，丁奕然.以科学读写践行深度学习的生物学教学研究[J].天津师范大学学报（基础教育版），2021，22（01）.

冯国庆   四川外国语大学附属外国语学校。

张梦芸   四川外国语大学附属外国语学校。