實驗課堂的“論證”策略在培養學生科學素養中的運用

林靜　張鋒

隨著高中生物教材中探究實驗比例的增加，學生動手和實踐的機會有了一定的提高。但教師僅僅強調學生的動手能力，要求學生參與課堂的觀察和驗證性實驗是遠遠不夠的，還要注重培養學生將科學的思維方式運用到解決生活中問題，以及做出正確的選擇的能力。論證探究式教學（Argument-Driven Inquiry，ADI）是一種強調培養學生利用資料進行合理的推理和論證的能力，培養學生科學思維方式的一種新型教學策略。“論證”策略的運用讓學生經歷類似科學家評價資料、提出主張、為主張辯駁的過程，既培養了學生科學的思維方式，引導學生主動在實驗證據與推理的基礎上建構和完善科學觀點，又在質疑和論證中培養了學生的實驗科學素養。現以“探究影響酶活性的條件”這一課例，淺談“論證”策略在實驗課堂的實施及對學生學科素養養成的影響。

1 “論證”策略運用于生物實驗課堂示例

“探究影響酶活性的條件”是高中生物探究實驗之一，其教學重難點不僅是讓學生體驗探究的過程，更重要的是引導學生自主選擇合適的材料進行相關影響酶活性條件的探究，將實驗數據作為提出的假說的證據來證實自己的推斷，在和他人協商中達成共識，在使學生經歷從分析資料到提出主張、尋求實驗證據、辯駁及形成結論的訓練中，影響學生的思維習慣，發展學生的交流技能，激發學生的潛能和學習的積極性。

1.1 提供素材以創設情境，明確探究目標

教師先提供相關素材：如課外興趣小組匯報“比較不同動植物細胞過氧化氫酶活性的實驗成果”。并提出問題：為什么酶的活性有差異？

學生1提出自己的主張：酶的活性不同是由于不同材料自身內部因素決定的。

學生2：同一生物材料由于外部條件差異也可能不同，比如制備酶時，研磨材料的溫度影響。

對學生2的主張，學生3繼續補充實例：發燒、胃酸對體內細胞的代謝活動有影響，外部溫度、pH可影響酶的活性。

學生4論述：根據所學，酶的化學本質大多是蛋白質，影響蛋白質結構的因素很多，如高溫、酸堿條件、重金屬使之變性等。

在教師的引導下，學生明確了本節實驗課探究的課題為“探究影響酶活性的條件”，但還需要實驗的證據。

1.2 開放實驗以活躍思維，完善實驗設計

教師要盡可能開放實驗、盡可能提供多的實驗材料和儀器，讓學生根據自己要探究的課題來驗證自己的主張或假設。不同組的學生通過討論，分別選擇溫度、pH或重金屬鹽等作為探究的自變量。這樣既尊重了學生的學習興趣，也讓學生明白了研究的自主性。在設計環節，教師引導學生思考材料如何選擇，自變量及因變量的控制。

以pH為例，組1選擇探究pH對過氧化氫酶活性的影響，設置了鹽酸、蒸餾水及NaOH溶液3組的變量，以觀察試管內產生氣泡的情況做為因變量。設計方案見表1。

學生1質疑滴加順序：不能先將底物與酶混合再用酸或堿處理。原因是酶具有高效性，應先對酶進行酸、堿處理后再加底物。

學生2對學生1質疑：后加的底物過氧化氫也可能使反應體系的pH變化。

組1提出改進意見：對底物和酶分別用相應的酸堿條件處理，用pH試紙確定酸堿度再混合。

其他小組還提出可以用帶火星的木條復燃檢測氧氣產生情況或用排水法測氣體產生速率。教師表示肯定，繼續提問：該實驗需要設置對照組嗎？

組1：不需要，不同實驗組之間相互對照。

對于同一影響條件，組2選擇探究pH對淀粉酶活性的影響。因變量是用碘液檢測淀粉是否反應。

教師提問：能不能選擇斐林試劑檢測產物？

組2：不宜使用斐林試劑。斐林試劑使用時需要加熱，使反應溫度改變。

學生1反駁：反應已經結束，過酸或過堿已經破壞了酶的結構，斐林試劑的使用不影響產物的檢測。

組2再舉證反駁：斐林試劑呈堿性，與鹽酸會發生中和，不宜使用。若要使用，反應后、檢測前可將各反應的pH調整一致。

在師生、生生互動中層層推進、逐步完善方案，學生學會了控制變量，領悟了對照實驗的思想等。

1.3 質疑辯論以推理解惑，達成探究共識

實驗結果是一個主張或假說最有說服力的證據。實施實驗后，大多數小組探究了pH對過氧化氫酶活性的影響，實驗結果顯著，并得出了結論：pH會影響酶的活性，當遇到過酸或過堿條件，酶的活性幾乎為零。這些小組的實驗結果相互成為了他們提出主張的證據。

但是，部分組學生在實驗操作中又發現了新的問題：組2在探究pH對淀粉酶活性影響的實驗中， NaOH溶液處理組未出現預期的藍色，呈無色（結果見表2）。

匯報結果后，學生們討論出現無色的可能原因。

學生1：堿性條件下，淀粉酶仍有活性，淀粉被分解了。

學生2：NaOH是淀粉分解的催化劑。

學生3反駁：通過進一步實驗，將3號試管樣液用斐林試劑檢測，無磚紅色沉淀出現，說明淀粉未分解，推翻前兩種可能性。

學生4：化學課上學過NaOH可以與Cl2反應，同是鹵族元素，推測NaOH與I2的反應。

教師：同學們可以繼續查閱資料，證實這一推斷。同時我們發現選用淀粉和淀粉酶這組材料，不太適合用來探究pH這一影響因素。

組3：在研究溫度對淀粉酶活性的影響中，高溫（100℃）處理組未出現預期的藍色，一段時間再加碘液為什么又出現藍色？

學生1：碘液加的不夠多。

學生2：高溫條件可能會影響淀粉的檢測。高溫下，分子運動加劇，淀粉和碘分子碰撞的機會很小，不易結合。

教師：在常溫下，淀粉和碘會結合形成藍色的化合物。高溫確實會影響淀粉和碘的反應。建議高溫處理后，等冷卻再檢測，結果更可信。

學生3：我們組是冰水處理組（約0℃），實驗時未出現預期的藍色，又是什么原因呢？

學生4：可能是酶處理的時間不夠，酶仍有活性，或是混合底物和酶時離開了冰水浴的條件，未嚴格控制溫度，淀粉分解了。

教師：實驗中的無關變量也是影響實驗結果的因素，因此為了得到準確有力的實驗證據，我們應該怎么做？

學生：“嚴格控制實驗的無關變量”、“規范實驗的操作步驟”、“重復實驗減小誤差”……

實驗課是全員參與的，比起“教師提問—學生回答—教師評價”的課堂，論證式的課堂給了學生更多生生互動，協商解決問題的機會，學生參與度的質和量得到了很大的提升。在充滿質疑與論證的課堂，學生的思維得到了很好的訓練。這種互動模式可以總結為：學生1提出主張→教師請全班就學生1的想法進行討論→學生2質疑→學生1反駁→學生3再質疑→學生1再反駁→……→達成共識，構建知識。

2 論證探究式教學策略對學生科學素養的影響

通過以上的教學實例，不難發現“論證”的實驗課堂是一種促進學生有意義學習的嘗試。論證式教學策略得以實施，其理論基礎是建構主義學習理論。建構主義認為學習不是對知識的記載和吸收，應該是超越知識的獲得，強調學習是一種知識建構的過程，是知識的社會協商，是社會實踐的參與。目前的實驗課堂教學缺少的正是學生自主建構科學想法，并進行理性協商的過程。論證式的課堂提倡開放性，但也可遵循一定的步驟。本案例中針對“影響酶的活性的因素”這一教學內容，采用教師提供相關素材，并設置情境引出問題，讓學生通過思考嘗試提出不同主張，并為自己的主張尋找論據，可以從已有的知識儲備、教材、自己的思考和推理，并借助實驗證據、然后得出初步的結論。在這一過程中，教師引導不同主張的學生試著闡述，對方認可或反駁，最終達成共識，并完善和評價了實驗方案。這一系列過程不僅提高了學生的科學思維能力，發展了學生的論證能力，提高了學生的認知水平，也實現“提高學生生物科學素養”這一高中生物課程的核心育人目標。

參考文獻：

何嘉媛，劉恩山.論證探究式教學模型及其在理科教學中的應用.生物學通報.2012，10.endprint