以一道競賽題為例談生命科學探究能力的培養

樂黎輝

(上海市第八中學 200011)

科學探究是生命科學核心素養之一。每年舉行的上海市高中生命科學競賽，是學生實驗探究能力的大比拼。現以其中的一道競賽題為例來分析有關高中生命科學探究能力的培養問題。

例題： 給出一段關于“腐乳制作傳說”的文字，要求完成筆試和實驗操作兩個部分。筆試內容是： (1)利用所學生命科學知識，解釋豆腐長白毛的原因并說明其作用。(2)說明把豆腐用鹽腌起來的過程中，鹽起到什么作用。(3)根據上述傳說，請總結做腐乳的流程與方法。操作部分是： 以腐乳為材料制作裝片，并在高倍顯微鏡視野中檢查，用指針指出制作腐乳的主要生物的形態(保留鏡檢)。

1 學生臨場表現存在的問題

1.1 部分學生運用術語和原理對現象進行解釋缺乏嚴謹性和完整性 學生基本上都能答出第一個問題，說明所掌握的生命科學基礎知識比較系統扎實，對實驗現象的解釋能力較強，但是表達上卻缺乏嚴謹，不夠完整。例如，沒有指明真菌的菌絲是由孢子萌發而來；也沒有說明因為溫度濕度非常適宜，所以孢子萌發產生了大量的菌絲。另外，很多學生對于為什么豆腐變成腐乳后會“味道鮮美”沒有給出關鍵而明確的解釋(即蛋白質水解產生的氨基酸是主要的“鮮味物質”)，只是籠統說大分子有機物被分解產生了小分子有機物。

1.2 學生對操作過程的解釋能力比較欠缺 關于“用鹽腌制”的作用，大部分學生都是較為簡單地答“殺菌”，考慮到腐乳的防腐壞問題。但是很多學生沒有想到加鹽抑制微生物繁殖的作用并不僅僅為了防腐壞，還與控制發酵和促進口感改善有關。這也印證了學生對于腐乳制作過程中蛋白質水解結果的認識不是很清晰，而且對于“鮮味”產生的原因不清楚。

從這道問題解答上的表現可以發現，除了課堂上學習的知識，能有意識地拓展學習課外知識、擁有豐富生活常識(知道味精成分)，并能綜合全面思考問題的學生并不多見。反映了學生平時對生活關注觀察不夠，課外知識的拓展學習十分有限。這樣，思考問題自然很難做到全面透徹。

1.3 學生綜合應用知識解決問題的能力差異顯著 在回答第三個問題上的表現參差不齊。優秀的學生表達十分完整，注意到了接種毛霉、促進毛霉生長、加鹽腌制、密封保存這些關鍵步驟。但是也有很多學生甚至沒有提到接種毛霉，直接將豆腐加鹽腌制，密封保存。顯然忽略了微生物發酵這一重要的步驟。

1.4 學生在顯微觀察實驗技能上差異顯著 優秀的學生，從取材到制作裝片、尋找并指示物像，一氣呵成。視野中，毛霉的菌絲清晰可見，連細胞核都看得非常清楚。說明焦距調節、光亮度調整都十分到位，指針指示也非常規范。但是也有一些學生，一開始取材就錯了——從腐乳的內部去挑取材料。有的還挑取了一大塊，在載玻片上厚厚的一攤。還有的學生，視野中并沒有出現菌絲，就用指針指了一個雜質。說明該學生并不清楚腐乳上面生長的微生物的種類和形態特征。

2 競賽試題和學科素養目標之間的關聯分析

2.1 運用生命科學知識對實驗現象的解釋能力 這段關于腐乳制作傳說的文字，描述了“豆腐”變“腐乳”過程中的一些關鍵現象：“長白毛”、由“淡而無味”變成了“味道鮮美”。要求學生聯系生命科學知識對其做出解釋。涉及的知識是微生物的分類及其營養。

腐乳的制作實際上源于一個無意中的微生物發酵實驗。原本可能是被微生物“污染”了食品的一件壞事，由于不舍得丟棄，最終歪打正著地做成了口味鮮美深受歡迎的風味食品。這樣的例子在生活中有很多。從中我們可以發現，微生物對食物成分的改變，需要辯證地看待： 如果其代謝產生了有毒有害物質，如黃曲霉素有強致癌作用、肉毒桿菌毒素對神經系統有極強毒性，則堅決不能食用。但是，很多微生物的代謝也使得原來的食材營養價值更高、口味更好。人類就會有意識地去利用這些微生物的代謝加工食品，這就是發酵技術。

通過對材料的閱讀再現實驗的過程和現象，要求學生能進行解釋，分析其生命科學原理，體現了對生命科學知識的理解和應用。

2.2 運用生命科學知識對操作過程的解釋能力 在腐乳發酵制作的過程中，有加鹽腌制的步驟。要求學生解釋其作用。對于這個操作步驟的解釋，則體現了對問題的思考是否全面。學生很容易想到“調味”。從材料中分析也不難發現，當時加鹽的主要目的顯然是為了殺死“污染了豆腐”的微生物，防止食物進一步腐敗變質。但是還有另一個作用： 控制發酵程度。如果毛霉生長過度，營養物質消耗過多，營養價值就會變低，口味也會變差。加鹽殺死毛霉，細胞里的酶釋放出來，還能繼續分解豆腐中的蛋白質等有機物，這是第二階段的發酵，會繼續對成品(腐乳)的口味產生影響。隨著分解產生的氨基酸越來越多，與鹽發生反應生成氨基酸鹽是導致腐乳味道鮮美的重要原因。材料中的當事人在恰當的時機對長毛豆腐進行了加鹽處理，再一次“歪打正著”，使得美味腐乳最終得以制成。

對這個操作步驟的解釋，一方面考察學生是否能全面、深度地思考問題，另一方面檢測了學生知識的廣度、深度以及遷移應用的能力，要求很高。

2.3 結合生命科學知識解決實際問題的能力 要求學生總結腐乳制作的工藝流程，很顯然是考察學生綜合應用知識解決實際問題的能力。學生通過分析，能總結出腐乳制作的關鍵步驟及其原理。但真正能成功做出美味腐乳，還需要考慮很多細節問題。如豆腐的品種(含水量的多少、點豆腐的材料)、發酵過程中的溫度和濕度控制等。所以腐乳這一發酵食品的制作還涉及如何創造微生物(毛霉)生長的最適條件，如何抑制雜菌污染等問題。

當今社會，越來越需要能學以致用、綜合應用各科知識解決實際問題的人才。所以，考試命題與科學、技術、社會、環境結合是熱點和趨勢。生命科學核心素養中關于“社會責任”的具體描述，也提到了要求學生能“結合本地資源開展科學實踐，嘗試解決現實生活中與生物學相關的問題。”可見，學習的最終目的是能很好地服務社會。

2.4 顯微觀察實驗技能的遷移應用能力 第二部分考察學生的實驗操作中最重要的技能——顯微觀察，涉及取材、裝片制作、顯微鏡操作、辨別觀察目標等。要能夠取得理想的實驗效果，每一步都很重要。

2.4.1 關于取材 本實驗中的取材可以在所給的“文字材料”中尋求到答案： 如果將豆腐表面長“白毛”和腐乳的表面有一層致密的“皮”聯系起來，自然就明白正確的取材部位在哪里了。

正確選材是科學實驗成功最關鍵的一步。這方面的例子不勝枚舉。教材中的許多實驗都會詳細介紹選擇某種實驗材料的原因是什么，還會說明如何取材能獲得理想的實驗效果。選材不恰當，往往會導致實驗失敗或實驗效果不佳。

2.4.2 關于裝片制作 明白光學顯微鏡的工作原理，應該知道制作裝片的材料必須透光度好(盡量薄)。從是否充分分散挑取的材料可以看出學生這方面的實驗素養。

2.4.3 關于顯微鏡操作 本實驗中因為需觀察的是霉菌菌絲，一般無色，只有孢子有顏色，所以成功的關鍵是視野光亮度不宜太強。在裝片制作質量好的情況下，顯微鏡操作的對光、調焦(尤其是高倍物鏡)以及視野調整，這其中的任意一方面做得不好都會導致功虧一簣。這些最能看出學生平時的操作是否規范和熟練。

2.4.4 關于辨別觀察目標 在本實驗中，學生要根據自己所了解的觀察對象的特征，尋找到正確的觀察目標，否則就會錯把裝片中的雜質當成觀察目標。因此，是否能正確判斷觀察目標可以看出學生的生命科學知識是否扎實。

3 針對科學探究實驗教學的反思和建議

3.1 教學中的問題 分析比賽中學生的表現，可以管窺在教學中存在的問題： 重理論知識的學習，輕探究能力的培養；重書本知識的習得，輕實踐能力的發展；重考試目標的落實，輕學習意識的引導。這些問題的出現有一定的客觀因素。在教學時數緊張、學業壓力繁重的情況下，教師和學生都會首先關注考試。考什么就教(學)什么，考得多就投入多。似乎這是取得理想考試成績最便捷的做法。然而，過于功利，必然會降低學科本身的學術魅力，挫傷學習熱情和興趣。從長遠來看，必然會導致培養出來的人不具備完善的學科素養，不利于社會的發展。

3.2 教學上的作法和建議 培養學生的綜合探究能力需要關注以下三個方面： ①學科知識的學習必須密切聯系生活實際，做到學以致用，教學中要引導學生觀察生活、關注社會，利用多種渠道開展科學實踐；②結合實驗特點對科學探究的各環節加強實戰訓練，真正付之于實踐才能真正提升科學探究能力，模擬實驗只能是輔助手段；③在自我反思方面，高中生更善于反思探究過程和科學方法，對于為何要進行探究、探究的意義所在，學生思考較少,應加強引導。