基于科學史培養高階思維的探究實驗教學設計
——以“傘藻移接實驗”為例

周 瑾

（南京航空航天大學附屬初級中學 江蘇南京 210001）

高階思維是指發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力，在教學目標分類中表現為分析、評價和創造。探究實驗是培養學生高階思維的重要途徑，科學史上的經典實驗更是培養學生高階思維的重要載體。在教學過程中，教師不能簡單講述實驗過程，而要依托科學家實驗的步驟，對實驗進行剖析，將問題逐一呈現給學生，尤其需注重引導學生理解提出推論的過程，推理實驗現象與結論之間的邏輯關系，從而幫助學生發展思維能力，加深學生對概念的理解。

蘇教版生物學八年級下冊第二十二章第一節“DNA是主要的遺傳物質”中選用了德國科學家的經典實驗，引導學生討論：傘藻移接實驗說明了什么？這個實驗要解決的問題是：生物的性狀是由細胞核控制還是細胞質控制的？實驗說明傘藻細胞核中具有控制性狀的遺傳信息。科學史上的經典實驗結論已經深入人心，學生往往不愿意再去分析和思考實驗設計和過程，更傾向于直接尋找結論。科學發現的歷程中承載和表達了科學家們科學思維，學生僅憑實驗結論是無法感知這些的。故在教學中，教師應依托教材，適度拓展相關科學史實，引導學生體驗探究，發展高階思維。

1 情境創設

德國藻類學家黑默林用傘藻作了一系列有關細胞核和細胞質關系的實驗研究。傘藻是學生比較陌生的植物，教材中使用的背景資料較少，教師應該依托這個背景創設情境，通過科學家開展研究的事例，激發學生的好奇，喚起學生探索知識的欲望，引導學生由初級的“有趣”上升為樂于探索的“樂趣”。

教師播放傘藻視頻，讓學生了解傘藻的分布、外形和生活場景，激發他們的探究興趣。接著，教師提問：傘藻作為移接實驗材料的優勢是什么？并用問題串進行引導：①傘藻的結構有幾個部分？②每個部分內有什么結構？③實驗一的兩組實驗切除了什么結構？留下什么結構？④長出的傘帽是否與原來一樣？

在本環節中，學生思路一直在圍繞傘藻的結構。教師引導學生從科學家的選材、設計思路、證據的可靠性等方面進行比較、分析、判斷、解釋。學生通過思考，明確了傘藻的基本結構、細胞質和細胞核的位置，對于傘藻傘帽能夠再生也有了清晰的認識。學生順應科學家的思路去發現問題，體會科學家的思維方式，有利于激發高階思維和進一步的探究。

2 任務驅動

學生在初一已有前概念：細胞核內有遺傳物質，能夠傳遞遺傳信息。在討論這個探究實驗時，學生容易將前概念帶入，或直接尋找教材中的結論。這樣的學習方式對學生的理性思維能力的培養是極為不利的。教師應在教材提供的實驗過程的基礎上，對實驗內容進行重新建構，圍繞科學探究實驗的要求，針對不同的實驗變量，引導學生重新設計實驗。對科學問題而言，實驗變量的控制非常重要。教師通過引導學生分析變量和設計實驗，獲知學生對于教材中科學家實驗的理解程度，有利于激發學生探究興趣，激活思維。

教師將學生分組，每組提供2種傘藻模型。模型分為傘帽、傘柄、假根3段，均可拆開拼接，方便學生實驗。之后，教師通過任務驅動的方式，讓學生自主探究，在探究中發現問題、尋找問題的答案，啟發學生對證據、推理和結論等進行反思評估，最終歸納提煉原理、規律，從而加深學生理解，提升科學思維。

任務（1）依據教材的實驗一，分析：切掉傘帽后，重新長出的傘帽的性狀是與假根有關還是與柄有關？

任務（2）模擬科學家實驗場景設計對照實驗。在教材的實驗的基礎上，教師要求學生將模型進行兩兩組合，根據不同變量設計對照實驗。教師根據科學史探究實驗的步驟，提供探究的方向，引導學生。對照實驗要求除了對實驗所要求研究因素或操作處理外，其他因素都保持一致。學生比較實驗結果，明確傘藻的假根還是傘柄對傘帽的影響和處理效應或意義。圖1為在變量分別為傘柄和假根的情況下的實驗設計。

圖1 變量為傘柄和假根的實驗設計

任務（3）學生進一步探究：如何使移接體長出菊花型傘帽？在前面實驗的基礎上，學生接著設計出實驗④并明確其對照實驗（圖2），再次明確假根的作用。

圖2 使移接體長出菊花型傘帽的實驗設計及其對照實驗

本環節注重教學重心的轉換與內容再構的變化，關注重點從知識結果的傳遞和掌握轉變為對學習過程和意義的理解。學生通過對科學家實驗的分析，以教材上的4組實驗重新組合，兩兩對照，在一個實驗中可以挖掘出與對照實驗相關的多種思路。學生解釋發表觀點，將知識整合到新的任務中，在思考中得到樂趣，在思考中開拓思路，在思考中提高素養。

以學生為中心參與課堂是影響高階思維技能培養的一個關鍵因素，教學的重點應該是教會學生推理、教會學生思考上。通過任務驅動，學生領悟到科學家的經典實驗，看似簡單，實際上每一步實驗都是科學家經過思考，反復實驗，才能得出結論。學生通過科學史的學習，潛移默化中提高科學探究能力，培養創新意識和不畏艱難的探索精神。

3 遷移運用

雖然教材上的探究任務已經完成，但此時學生的思維已經很活躍，教師及時引導學生遷移、深化知識，發展分析、評價、創造等高階思維能力。

教師再次提問：實驗中兩種傘藻的假根處有沒有細胞質？學生討論、分析，發現：假根處也有細胞質的存在，因此長出的傘帽無法準確判斷是細胞核還是細胞質起的作用。

教師據此引入傘藻核移植的拓展實驗：將菊花形帽的傘藻的核移入到去核并去帽的傘形帽傘藻的假根中去，得到與菊花形帽傘藻一樣的菊花形帽。

學生討論傘藻核移植實驗的現象，從而明確細胞核的決定作用，強化傘藻細胞核中具有控制性狀的遺傳信息這一概念。

教師展示克隆羊實驗，進一步拓展學生思維：培育多莉羊的過程中，科學家采用了克隆技術。從一只成年母羊身上提取體細胞，把這個體細胞的細胞核注入另一只母羊的卵細胞之中，而這個卵細胞已經抽去了細胞核，最終新合成的卵細胞在第三只母羊的子宮內發育形成了多莉羊。多莉的性狀應該和哪只母羊基本相同？學生討論回答出“與提供細胞核的母羊基本相同”。

教師將教學內容與真實生活情境相聯系，解決問題、拓展應用，使學生能夠串聯起新舊知識，并展開反思、批判、創新的思維活動。

4 激勵評價

評價是課堂教學中至關重要的一部分，課堂教學過程及時的評價對學生有很強的激勵作用。尤其是在任務環節，教師應及時進行評價，引導學生在評價他人與被評價的過程中進一步改正缺點、發揮優勢，促進學生理解科學知識，發展高階思維能力。

在本次教學中，學生需要通過思考辨別傘藻的基本結構、細胞質和細胞核的位置以及2種不同傘藻的區別。這要求學生閱讀教材、分析資料，有助于促進學生養成比較分析的習慣。在探究過程中設計實驗方案，需要學生對教材上的實驗進行分析重構，對學生的判斷、檢驗等思維能力培養有很大幫助。最后，教師通過情境的創設，任務的驅動，激活學生思維，幫助其進一步內化知識。

對學生表現出來的高階思維能力進行全過程的評價，并通過評價得到的信息，了解學生高階思維能力的水平以及高階思維教學存在的問題，能夠幫助教師改進教學設計與教學行為，形成教、學、評一致性。

“傘藻移接實驗”是初高中教材中的經典實驗，教師深入挖掘教材中的科學史資源，以科學家經典實驗為依托，引導學生體驗科學家思維，使學生認識到生物學概念的形成需要在實驗探索中不斷發展和完善，逐步鍛煉高階思維和解決問題的能力。