從科學思維品質(zhì)的視角談高中生物學實驗教學的策略

王 麗

(江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星海實驗中學 蘇州 215000)

科學思維是生物學學科核心素養(yǎng)之一，是建立在證據(jù)和邏輯推理基礎上的思維，它有明確的思維依據(jù)和思維方向，能對事物或問題進行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括的一種思維，是學科核心素養(yǎng)的標志和關鍵。在實際教學中，往往從科學思維方法和思維品質(zhì)兩個方面培養(yǎng)學生的科學思維。思維品質(zhì)實質(zhì)是人的思維的個性特征，包括創(chuàng)造性、靈活性、批判性、深刻性和敏捷性。

生物學是一門以實驗為基礎的科學，科學實驗的開展可以幫助學生建構(gòu)科學概念，認識科學本質(zhì)，形成科學思維。因此，高中生物學實驗教學是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的主陣地。本文以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗教學為例,從三個角度闡述如何在實驗教學中提升科學思維品質(zhì)，發(fā)展科學思維。

1 在設計中提升思維品質(zhì)的創(chuàng)造性和靈活性

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是高中生物學教材中的經(jīng)典實驗。人教版教材中對該實驗的設計體現(xiàn)了典型的科學探究思路，特別是對CO2和酒精的定性檢測更體現(xiàn)探究的科學性。但是，該實驗在實踐中也存在著一些困難： 該實驗裝置有氧和無氧條件難以把握、耗時較長、實驗器材較多、藥品用量大等。對于一節(jié)實驗探究課來說，實驗裝置是實驗探究的保障，教師通過層層遞進的問題串引導學生對該實驗裝置進行優(yōu)化。首先，教師就教材裝置提出以下問題： ①有氧裝置中質(zhì)量分數(shù)為10 %的NaOH溶液的作用是什么？能否證明空氣中CO2是否除盡？如何改進使實驗裝置更簡化嚴謹？②無氧裝置中酵母菌培養(yǎng)瓶靜置一段時間再連接石灰水的目的是什么？靜置能否證明該瓶中O2是否除盡？如何克服該問題？③教材采用錐形瓶進行CO2檢測，耗時長，如何改進可在短時間內(nèi)出現(xiàn)明顯現(xiàn)象？④酒精如何檢測？如何簡化實驗操作？各小組紛紛討論發(fā)表自己的看法，課堂氣氛非常活躍。最后，教師匯總各小組的設計并進行整合，設計出最優(yōu)優(yōu)化方案如下：

(1) 考慮到教材用氣泵通氣，需用質(zhì)量分數(shù)為10%的NaOH溶液去除空氣中的CO2，操作繁瑣，借助分液漏斗和集氣瓶這套裝置，利用MnO2催化H2O2制O2，既可以為酵母菌細胞呼吸提供充足O2，又省去除CO2的實驗裝置(圖1)。

圖1 有氧呼吸測試裝置

(2) 教材選用錐形瓶進行實驗，不方便取酵母菌培養(yǎng)液進行酒精檢測。用上嘴過濾器替代錐形瓶，并于瓶塞上安裝10 cm長的針頭(針頭上安裝軟管接注射器)用于添加溶液和取樣，而上嘴可作為天然排氣管口(圖2)。

圖2 無氧呼吸測試裝置

(3) 用裝有澄清石灰水的具支管代替教材中錐形瓶，用于檢測CO2產(chǎn)生情況，既節(jié)約了試劑的用量，也縮短了出現(xiàn)實驗結(jié)果的時間，且具支管也存在天然排氣口。

(4) 借助水浴鍋控制溫度在35℃，有助于反應在15 min左右的時間內(nèi)完成[1]。

杜威認為：“教育即經(jīng)驗的改造或改組”，學習應該通過“做”從經(jīng)驗中學習。學生通過合作探究設計實驗裝置不僅能有效克服學生機械性背實驗的問題，更有助于學生基于自身體驗所獲得的感悟生成并建構(gòu)生物學核心概念，進而提升學生思維品質(zhì)的創(chuàng)造性和靈活性。

2 在分析中提升思維品質(zhì)的深刻性

該實驗結(jié)果顯示，有氧裝置和無氧裝置澄清石灰水均出現(xiàn)渾濁，但有氧裝置澄清石灰水出現(xiàn)渾濁時間較早，且渾濁程度較深。在該實驗教學中，教師常常滿足于得出實驗結(jié)論；酵母菌在有氧和無氧條件下均產(chǎn)生了CO2，且有氧呼吸產(chǎn)生的CO2比無氧呼吸多。而對實驗結(jié)果背后的原因分析非常欠缺。在生物學實驗教學的過程中，教師一方面要引導學生觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論；另一方面，應引導學生通過綜合分析的方式探究實驗現(xiàn)象背后隱含的科學本質(zhì)。綜合分析既是建構(gòu)生物學核心概念的基礎，也是發(fā)展學生思維品質(zhì)的基礎。本實驗中，教師可以引導學生分析該實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的可能原因： ①酵母菌在氧氣充足時繁殖快，一段時間后有氧裝置中酵母菌數(shù)量多；②酵母菌在氧氣充足時代謝快，消耗葡萄糖較多。如何進一步證實？經(jīng)過討論，學生很容易想到可以利用血細胞計數(shù)板借助顯微鏡對酵母菌進行計數(shù)，而如何測量葡萄糖的消耗量學生很難想出對策。教師給予適當引導： 大家知道如何測定血液中葡萄糖的濃度嗎？學生可以想到借助血糖監(jiān)測儀分別測定一定時間內(nèi)有氧和無氧裝置中酵母菌分解葡萄糖的量，計算出酵母菌兩種呼吸方式下的呼吸速率，從而找出相同條件下，酵母菌有氧呼吸產(chǎn)生的CO2比無氧呼吸多的原因。

新課程標準的教學建議中提到： 理科必須說理。不說理的知識對學生來說只能是死記硬背。只有結(jié)論沒有原理的知識一旦遺忘，便什么都不會剩下。因此，實驗教學過程中對實驗結(jié)果的分析必不可少，通過分析實驗結(jié)果產(chǎn)生的原因才能理解科學知識的本質(zhì)，提高學生思維品質(zhì)的深刻性。

3 在質(zhì)疑中提升思維品質(zhì)的批判性

該實驗酒精的檢測結(jié)果顯示，有氧和無氧裝置培養(yǎng)液均使酸性條件下的重鉻酸鉀溶液由橙色變?yōu)榛揖G色。這時，教師請學生推測實驗結(jié)論，幾乎所有學生自信滿滿地得出： 酵母菌在有氧和無氧條件下均產(chǎn)生酒精這一結(jié)論。是這樣嗎？這時給出酸性重鉻酸鉀檢測酒精的原理方程式：

3C2H5OH+2K2Cr2O7+8H2SO4
=3CH3COOH+2Cr2(SO4)3(灰綠色)+
2K2SO4+11H2O

首先引導學生分析這個反應屬于氧化還原反應，酒精充當了還原劑，然后引導學生思考發(fā)酵液中除了酒精是否可能還有其他還原性物質(zhì)。學生恍然大悟，想到了具有還原性的葡萄糖，其還原性比酒精還強。因此，有氧和無氧裝置均出現(xiàn)灰綠色并不能直接證明酒精的存在，需要先消耗掉其中的葡萄糖才可以，而相關文獻報道這需要5～6 h。顯然，該實驗過程在短短的一節(jié)課時間內(nèi)葡萄糖是不可能消耗完的。如何排除培養(yǎng)液中葡萄糖對實驗結(jié)果的干擾？我們可采用酒精檢測儀借助酒精的揮發(fā)性進行定量檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 只有無氧裝置中培養(yǎng)液揮發(fā)的酒精導致檢測儀發(fā)光報警并顯示酒精量，而有氧裝置中未出現(xiàn)發(fā)光報警現(xiàn)象，且酒精顯示量為零。由此我們得出結(jié)論： 酵母菌在氧氣充足條件下不產(chǎn)生酒精，而無氧裝置中產(chǎn)生酒精的結(jié)論。

中學生物學實驗普遍存在“重驗證、輕探究”的現(xiàn)象，尤其對實驗的“異常”結(jié)果常缺乏理性的分析和質(zhì)疑精神。質(zhì)疑是創(chuàng)新的基礎，是創(chuàng)新教學和創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的關鍵，同時又是當前教育改革的薄弱環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的教學中，教師往往重點關注學生“分析問題”和“解決問題”的能力，而忽視“提出問題”的能力的培養(yǎng)，從而直接影響到學生批判思維和創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。因此，在實驗教學環(huán)節(jié)設計中，教師應結(jié)合生物學科特點，注重質(zhì)疑能力培養(yǎng)目標設計，努力創(chuàng)設質(zhì)疑情境，逐漸轉(zhuǎn)變教學觀念，不斷進行實踐探索，從而使學生的問題意識、質(zhì)疑能力得到持續(xù)發(fā)展。