美國科學探究案例評析

謝群

科學探究和探究教學是生物學課程改革的一個重要內容。科學探究是科學家探索和認識世界的主要方式，而探究教學則是引導學生通過類似科學家探索世界的方式來學習生物學，期望他們在探究過程中能更深刻地構建生物學概念、發展科學思維和探究能力，并獲得情感態度價值觀的體驗等。但在教學實踐中，探究教學浮于表面的情況并不少見。如，用教師講解代替學生探究;將提出問題、展開討論等同于探究;或是將科學探究窄化為設計實驗方案和設置對照等。其實，科學探究的內涵遠不止于設計實驗方案和設置對照。下面介紹一份來自美國高中生物課堂探究的方案，管中窺豹來分析生物學課堂探究教學。

1 案例基本信息及前期準備

本探究案例內容為“酵母是不是有生命”，包括了酵母的新陳代謝和生長繁殖兩個探究活動。案例由肯特州立大學的博斯頓設計，之后經賓夕法尼亞大學生物學系沃頓和杜賀提修改完成。該探究方案中為學生提供了必要的知識基礎，因此適用于初高中的課堂教學或者是課外活動。在此探究活動中，學生通過參與科學探究，基于探究所獲得的生物學事實，理解酵母的新陳代謝和繁殖等重要概念，提升類比、推理、歸納等科學思維能力。

此外，為了適應有限的預算，此探究活動的設計旨在用最少的設備和耗材來進行。在探究前期，教師需要準備的器材有：酵母、葡萄糖、小氣球、試管、試管架、容量至少為100 mL的容器、無菌培養基、顯微鏡、載玻片和蓋玻片等。學生分小組完成探究活動。

2 探究案例展示

2.1 認識酵母，了解生命的特征

酵母是一種棕色的顆粒，在雜貨店可以買到，在日常生活中酵母用來制作面包。你認為酵母有一些什么特點？這些棕色的顆粒是生物嗎？請說明原因。

在回答“酵母是不是有生命”這個問題之前，需要先知道生命的基本構成。即，什么是生命組織的一些基本特點？你可以嘗試檢測一下酵母顆粒是不是具備生命質的兩個特點——新陳代謝和繁殖。

2.2 探究酵母新陳代謝

2.2.1 背景資料

人們會直接通過實驗來證明新陳代謝。換而言之，會直接測試酵母是否具有生命有機體的特征之一——使用能量。當酵母、人類或者其他生命體利用能量，它們就會在這一過程中消耗糖類，產生二氧化碳。本探究活動中將測試酵母是不是能夠消耗糖類并產生二氧化碳，尤其是測試酵母在有糖或者沒糖的時候是不是會消耗糖份并產生氣體。

2.2.2 探究過程

（1）研究問題：酵母會不會消耗糖并產生氣體？

（2）預設：你認為在有糖的時候酵母會不會產生氣體？____。

你認為在沒有糖和其他食物的時候，酵母會不產生氣體？____。

解釋你作這個預設的理由：____。

（3）驗證預設。本實驗具體步驟如下：

①取四只試管;分別標號1-4。

②向試管1加入4/5試管的水，再加入一點來自干燥包裝中的酵母。當酵母完全混合后，再補充一些酵母，然后用拇指把試管口封住，震蕩試管。將這個有酵母的水均勻倒入另外幾支試管中。

③在1號試管中加入1/2包的葡萄糖，2號試管中加入葡萄糖。這兩只試管就是實驗組。

④在每支試管中都加入溫水至4/5的試管處。在每支試管上都套上一個氣球，以儲存產生的氣體。用氣球將試管口密封，然后震蕩試管，使內容物充分混合。

⑤每5 min觀察并記錄每只試管上的氣球變化，一直到25 min。如果酵母顆粒能夠進行新陳代謝，那么它會產生二氧化碳并排放到氣球中。等待這個變化過程，通過實驗以測試氣體的增加。

（4）觀察實驗，將實驗結果記錄于表1中。

（5）小組討論：你如何解釋你們的實驗結果？這個結果與你的預期吻合嗎？為什么每個實驗組不是設置一支試管，而是都設置了兩支試管？

（6）拓展延伸：當你制作面包時，如果你僅僅混合了面粉、糖和水，這個面團沒有發起來，那么面包就又扁又硬;如果你在面團中加入酵母，那么面團會變得大而松軟。你能解釋酵母是如何將面團變大的嗎？

2.3 探究酵母生長繁殖

（l）研究問題：這些棕色的酵母小顆粒能繁殖嗎？

（2）實驗操作：取已放置酵母生長培養基的培養皿，并用自己的姓名、老師和課程時間標記培養皿底部（培養皿中的酵母生長培養基含有酵母生長所需的物質）。在酵母顆粒上滴加幾滴水。將培養皿置于在370C的恒溫箱中，直到下一次實驗課。

（3）觀察和記錄：

①在下次實驗課，觀察培養皿。你是否觀察到酵母在培養皿中的生長？將你看到的畫下來。

②取一小部分酵母，然后在顯微鏡下觀察，并描述所觀察的結果。

（4）得出結論：基于上述結果，你認為這些棕色的酵母顆粒是不是有生命的？請解釋為什么有或為什么沒有。

3 案例評析

此案例在兩個具體的探究活動中都基本涉及了提出問題、作出假設、設計實驗方案、驗證假設、交流討論、得出結論等探究的基本環節。同時為了探究的順利進行，在探究活動開始之前，聯系生活實際介紹了酵母，并補充了有關新陳代謝的知識;在探究過程中，也引導學生討論了重復實驗的必要性等。這些與常見的大多數科學探究案例沒有太大的差異。但仔細分析探究的各個環節，卻可以發現此探究案例的獨特之處。

首先，探究的各個環節緊密相關。在得出實驗結果時，引導學生與之前的預期進行比較;當實驗結果記錄完成以后，反思實驗方案的某處設計是否合理;探究結論的得出需要綜合兩個探究活動的結果等。這樣一方面使探究的各個環節之間變得更加緊密，另一方面也使此探究活動更加接近于科學探究本身。在科學實踐中，科學探究的進行往往不是直線式的推進，而是需要多次地在各個環節之間進行思考、比較和探索，有時甚至需要推翻之前的假說和預期，重新開始。當學生經歷這樣的探究活動時，他們更能深刻地理解科學知識構建的審慎和科學探究過程的嚴謹。

其次，此探究活動已提供了完整的實驗步驟，并沒有要求學生進行實驗方案的設計，學生只需要按照給定方案進行操作即可。這有別于生物學探究教學中常見的對實驗方案設計的關注。在當下的生物學探究教學中，設計實驗方案往往是教師最希望學生思考和努力的地方。其實，實驗方案的設計并非是科學探究和探究教學的核心和必要環節。無論是科學探究還是探究教學，其核心之一應該是科學思維，這正是本探究活動的另一個特點所在。

在此探究活動中，論證和解釋貫穿探究活動的始終。例如，要求學生在提出研究問題之后進行預設，并進一步說明作此預設的理由。在小組討論的環節，需要學生對實驗結果進行解釋。在拓展延伸部分，也是邀請學生進行解釋：“你能解釋酵母是如何將面團變大的嗎？”在得出結論的時候，還是設計了學生進行論證和解釋的環節。論證和解釋是科學思維的外顯。當學生對預設進行解釋時，需要對新陳代謝的資料進行分析，進而推理可能的結果，并將這分析和推理的過程表述出來。在解釋酵母如何將面團變大時，需要學生在觀察實驗現象并歸納其背后的生物學原理的基礎上，將試管中酵母產生的氣體與饅頭發酵的時候面團產生氣體的過程及其原理進行類比，進而得出是酵母新陳代謝產生了二氧化碳等。換而言之，此探究結論的形成，也是經過一系列環環相扣的猜想、假設、類比、推理、歸納、批判、論證等科學思維的過程。這樣的探究更加接近真實的科學探究，也是更加深入而有效的。

在進行科學探究的時候，科學家更多的是基于問題慎重地進行假設;再圍繞研究問題，尋找和構建能回答問題的方案，并進行實踐，得出結論。在這過程中，科學思維是科學探究中最為重要的部分。在生物學教學中，科學思維和科學探究是生物學學科核心素養的兩個重要方面，也是生物學教學的重要內容。在日常教學中，不少探究教學往往會流于形式，有些教師甚至會為了探究而探究。雖然造成上述情況的原因是多方面的，但如果探究活動中缺乏教師有意識地引導學生進行科學思維，那么這樣的探究活動只能是低效或是表面的。

探究教學應回歸科學探究的核心和本質，環環相扣地引導學生在探究的各個環節進行科學思考。只有更加接近于真實的科學探究，才能凸顯探究教學的價值，也才能實現培養學生生物學學科核心素養的目的。

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