基于科學史的中學生物學元探究教學——以“酶本質的探索”為例

聶曉倩 張 鋒

（1.福建師范大學生命科學學院 福建福州 350108）

（2.福建省普通教育教學研究室 福建福州 350003）

元探究教學，即“基于探究的探究”，是對科學探究過程進行二次探究的一種教學方式，旨在幫助學生自主建立起對科學知識獲得過程的認識。元探究以學生為主體，以各類研究科學問題的探究活動為對象，通過確定所要探究的問題，探明探究過程中各個要素之間的聯系，從而提高學生的探究能力，提升科學素養。下面嘗試運用元探究教學開展生物學科學史教學，以2019年人教版高中生物學《必修1·分子與細胞》科學史“酶本質的探索”為例，通過引導學生對科學探究過程進行元探究，以解決探究僵化、形式化問題，進而實現生物學學科核心素養的達成。

1 基于情境的引入，初識科學本質

元探究教學始于確定研究主題，而科學家研究的主題往往是基于觀察而確定的。與傳統講故事的科學史教學相比，通過真實情境的引入，學生能夠親歷科學家提出問題、作出假設的思維過程。學生在觀察生命現象時，往往會產生疑問：該現象是什么導致的？進而初步認識科學本質：科學發現始于對生活的敏銳觀察、對未知的好奇。元探究教學具開放性，在面對學生不同設想時，教師應給予鼓勵，引出科學本質：科學知識會受到各種主觀因素和環境因素的影響。

在教學中，教師通過介紹中國酒文化，以提升國家認同感，并為各組提供正常的和變酸的葡萄酒，創設真實情境，指導學生進行感官評定。學生自發提出問題：酒為什么會變酸？糖類是怎么變成酒精的？并作出假設：存在某種微生物進行生命運動、存在某種物質以及自然變化等。于是，教師基于問題，引出本次元探究主題：酶的本質是什么?如何確定未知物質的本質?

2 基于材料的元探究，體會科學本質

本階段由整體初步探究到分維度探究，各環節層層遞進，促進學生深度思考，逐步構建科學知識的產生過程，體會科學本質，最終形成重要概念。

2.1 確定素材

科學史素材豐富，但并不都適于元探究。教師所選科學史需包含科學家的科學探究過程，并突出體現科學家的思維，以有效促進學生的科學思維。在教學中，教師以教材為主，補充相關科學史料，確定元探究素材。同時，教師補充巴斯德的顯微鏡觀察結果，能更好地激發學生的求異思維，使學生體會巴斯德的創新思維。補充素材為：1857年，巴斯德利用顯微鏡進行觀察，在發酵液中發現活酵母菌正在繁殖；發酵成功的葡萄酒內發現球形酵母菌；發酵失敗的葡萄酒里發現醋酸桿菌。

2.2 確定探究要素

確定探究要素是元探究教學的關鍵，教師可從研究的問題、收集的證據、證據的解釋、技術應用、得到的結論等探究要素入手，引導學生對科學發現過程進行初步探究。此外，不是每個探究過程都包含所有探究要素，不同的探究過程應從不同要素進行元探究，各要素所關注的重點也有所側重。在教學中，教師講授科學史后，根據表格提出問題，引導學生分析科學發現過程中值得關注的問題，表1呈現了元探究結果。

表1 科學家對酶本質的認識過程

2.3 多維探究以解決問題

從科學探究的一般步驟出發，進行元探究維度的劃分。不同的科學史素材著重分析的維度不同，可側重其中某一科學探究技能的教學。在科學發現過程中，各科學探究技能貫穿始終，不能單一看待。問題的不斷發生與解決，有賴于分析、比較等思維邏輯方法，歸納推理、類比推理等邏輯思維形式，更離不開直覺、想象、靈感、頓悟等非邏輯思維形式。教師在本環節需提供多個維度，引導學生圍繞不同維度思考并感受科學知識的產生過程，形成發現問題與解決問題的科學思維。下面以研究問題及得出結論維度為例。

2.3.1 研究問題維度

科學探究始于提出一個有價值的問題，其后各步驟均圍繞此問題開展，故明晰科學家所探究的問題是關鍵。表2提供了學生圍繞研究問題維度從三個元探究問題：研究的問題、問題的來源、提出的假說對科學發現過程進行深入探究。

表2 元探究問題下的科學發現過程——研究問題維度

2.3.2 得出結論維度

得出結論需要學生深入探尋證據與結論間的關系，分清事實、觀點與結論，而非僅僅停留于得出的知識點結論，重在得出結論過程中的思維方法。表3呈現了學生從結論來源、證據是否需要進一步處理、原因及結論與證據的一致性4個元探究問題入手的元探究結果。

表3 元探究問題下的科學發現過程——得出結論維度

2.4 討論總結

各組學生總結科學知識產生的特點，并舉例說明，深入體會科學本質。例如：科學會受到社會和文化的影響，當發現客觀事實與已有觀念存在矛盾時，應敢于質疑，提出自己的設想。例如，巴斯德不囿于已有觀念，創新性地通過顯微鏡觀察。學生通過關注科學家對證據與結論之間關系的態度，從而認識到科學發展的曲折性，意識到正確的結論不僅需要理論依據、事實依據以及嚴密的論證，還要敢于相信事實，質疑已有觀念。

3 基于應用的評價，體驗科學本質

在元探究教學的應用階段，教師通過提供變式案例對學生的元探究技能進行評價，使得學生的思維可視化。元探究技能評價工具表（表4）提供了作出假設、得出結論維度的評價，教師可根據實際選擇最適維度進行評價，如提出問題、收集證據、解釋證據等維度。

表4 元探究技能評價工具表

通過工具表，教師可獲得教學反饋，從而選擇強化某一維度的元探究技能。學生由此體驗到科學本質，認識到科學工作依賴于觀察與推論、科學是創造性的工作等，意識到科學是發展的，從而增強學科學和科研的興趣，甚至是參與科研事業的職業意向。

4 小結

基于科學史開展元探究教學，引導學生自主探究科學家的探究過程，能夠引發學生不斷反思、叩問與批判，發展科學思維。元探究教學通過科學史料的補充、分析探究過程的各個元探究問題等方式，不僅有效幫助學生獲得方法論的教育，還能滲透對科學本質的學習。生物學教材中科學史素材豐富，是發展學生科學思維、科學探究等素養的良好載體，在元探究過程中，學生追問與質疑科學家探究的過程正是學生問題生成與科學知識建立的過程，這一過程能夠有效促進學生學科核心素養的發展，實現思維教學。