聚焦探究實踐核心素養的生物學實驗教學主線設計

馮國慶?張夢蕓

［摘要］ 探究實踐核心素養作為生物學課程核心素養的重要組成部分，對學生能動性學習的達成與科學素質的培養至關重要。以初中生物學“根對水分的吸收”教學為例，進行聚焦探究實踐核心素養的教學設計，通過在具體教學過程中構建觀察發現式探究、實證模擬型實驗、遷移具身性實驗、設問式科學讀寫，以及追問現實性價值為一體的實驗教學主線，用以達成教學主題導入、科學方法獲取、探究程式內化、推理探究論證與生產應用認知。

［關鍵詞］ 初中生物學；探究實踐；核心素養；實驗教學；教學主線

隨著《義務教育生物學課程標準（2022年版）》的頒布，探究實踐作為初中生物學課程的核心素養被明確提出，其延展、聚焦并正名了科學探究的內涵，強調了學生應達成具身化科學實踐的重要性。同時，實驗教學作為初中生物學教學的重要組成部分，對調動學生探究實踐的積極性、掌握科學探究的方法、理解生命科學的現實應用具有重要的意義。然而，現實初中生物學實驗教學的設置散亂，難以凸顯實驗深層的研究邏輯與育人功能。為此，已有相關研究在著力設計實驗教學的主要線索，用于幫助構建生物學知識體系，并培育學科核心素養。現以河北少兒版初中生物學教科書“根對水分的吸收”內容為例，進行聚焦探究實踐核心素養的實驗教學主線設計。該教學內容主要包括根是吸水器官、根吸收水分的部位及原因。為匹配科學探究從宏觀現象到微觀探析、從整體認識到原理追究的基本順序，研究者利用模擬實驗、演示實驗、課堂探究實驗與科學讀寫任務等方式，進行了驅動學生學習興趣，并層層遞進的實驗教學主線設計。

一、觀察發現式探究的教學主題導入

教學過程：教學剛開始時，教師播放視頻介紹本市農業基地從國外引入的滴灌、滲灌等技術。緊接著設疑導入，詢問同學們通過視頻看到的新型農業中的滴灌技術，滴灌管道中的水是如何被植物所吸收的呢？為什么滴灌是把植物所需的水滴在植物根部，而不是植物的葉子或莖等地方呢？讓學生進行推理，回應“根可能是植物吸收水分的主要器官”后，給學生示范課前教師準備完成的“蒜苗根莖吸收水分的對比實驗”，即稱取等量均勻生長的蒜苗、分別將莖葉和根接觸同等質量的清水一段時間，吸掉多余水分并稱重。隨后，便讓學生根據“根部浸沒組吸水更多”的實驗現象進行分析，提出如下問題：為何兩組實驗需要的水需要足夠且一樣多？為何第二次稱量前要用吸水紙吸干植株表面的水分？根據質量的差別，你能得出什么結論？

生物知識來源于實踐，應用于生活。通過本地農業示范園中的新型灌溉技術，迅速吸引學生的注意力，導入本節課的主題。通過教師的設問引導，順利將教學內容過渡到“根才是植物吸收水分和養分的主要器官”。此外，教學過程的后續并未直接讓學生設計實驗，而是讓學生通過示范實驗的觀察發現去進一步確證之前情境問題的推理結論。該教學方式遵循了探究實踐素養生成的進階性，即以發現式探究讓學生進行科學現象的深入思考，潛移默化地涵育其對照實驗的思路。

二、實證模擬型實驗的科學方法獲取

教學過程：接下來，教師便詢問根有哪些特點適宜吸收水分，讓同學們利用放大鏡仔細觀察桌面上的玉米根部。學生在觀察發現后大致得出結論，即玉米根部的根毛很多。此時，教師便追問：根尖有一個長有大量根毛的根毛區，根毛多是否就有利于吸水呢？為了驗證這一問題，讓學生按照要求，利用身邊的文具進行毛筆吸水的模擬實驗，即學生兩兩一組將末端分叉和未分叉的不同狀態毛筆，同時插進相同體積的水中并提起來，觀察水分的變化（整個模擬實驗在量筒中進行）。該實驗讓學生經由模擬的觀察得出，根毛增加了根與水接觸面積利于吸水。之后，教師出示根尖細胞圖像，提示學生從細胞壁厚薄、細胞質多少、液泡大小對比普通植物細胞和根毛細胞的區別，結合導管形狀總結根毛利于吸水的微觀原因，進而得出相應結論。最后，教師引入諺語“根深才能葉茂”，說明越是高大的植物，根深入地下也就越深，根尖位置也就越深。

該教學過程中，學生觀察根毛區密集的根毛，形成感性認識。之后再通過毛筆模擬實驗，類比推理得出根毛多能增加根與水的接觸面積。這種模擬實驗恰如美國教材中的實驗教學設計鼓勵學生探究那樣，在替換實驗材料減輕學生操作負擔的同時，用直觀教具增加學生的感性認識。采用此種模擬實驗的教學方式，不僅在一定程度上幫助學生建立了形象轉化生物學模式的概念，也進一步讓學生熟悉了對比實驗中控制單一變量的設計原則，體悟“提出問題—做出假設—實驗驗證—得出結論”的一般科學研究方式。此外，教師借助模擬實驗，以生物學圖像與教學引問的方式幫助學生深入思考內在微觀機理，從而形成科學探究的意識。

三、遷移具身性實驗的探究程式內化

教學過程：教師引入先行組織者材料，即通過科學家的研究發現，植物的根毛不僅能吸水，還能在一定的條件下失水。此時，便引入了一個問題“植物在什么情況下失水，什么情況下吸水？”同時，教師給學生兩幅圖片展示“糖拌西紅柿出現大量滲水”及“生鮮超市防止蔬菜枯萎蔫”，從而做出推測：細胞吸水和失水可能和溶液濃度有關。緊接著，便讓學生進行實驗設計驗證假設。此處，需要給予學生提供實驗儀器與材料，打孔器、白蘿卜、清水、高濃度鹽水、燒杯、量筒、電子秤、滴管、小刀、直尺、標簽紙、簽字筆、吸水紙、天平等，以及課前處理的材料：利用打孔器在蘿卜上打出圓柱形長條，利用直尺切取等長的蘿卜條（約6 cm）。分別選取10根蘿卜條，平均分兩組，稱重記錄初始重量后放入標記有A和B的燒杯中，A燒杯中裝入100 mL清水，B燒杯中裝入100 mL濃鹽水。隨后，為了給學生提供實驗設計的腳手架，教師提出一連串的問題：實驗變量是什么？打算分多少組？每一組如何處理才能形成對照？實驗材料的哪些變化能幫助判斷細胞是吸水還是失水？當學生設計完成后，邀請其中一組上臺展示自己的實驗設計，其他人對該組的分組有沒有不同看法？除了利用他們所說的以蘿卜塊重量的變化來判斷吸水和失水外，有沒有其他的判斷依據？此處，需要向學生強調：每組所用蘿卜條大小長短要一致，借助打孔器和直尺操作并作示范；每組實驗除了溶液濃度不同外，溶液體積要一致，可以通過量筒實現；吸水還是失水可以參考蘿卜條的質量、實驗結束后溶液體積及蘿卜條硬度等多個指標，進而讓學生完善實驗設計并進行實驗。由于該實驗耗時較長，故前期實驗的材料處理可以由老師代勞，并分組浸泡于不同濃度的溶液中。最后，請學生根據實驗設計，利用桌面上的實驗材料和實驗器材，完成探究實驗的后續步驟并將結果記錄、匯總在表格中。

學生的探究實踐不能僅限于模擬探究，還應當進行具身化的動手實踐。正如朱正威先生所述那樣，科學探究應當包含發現式探究、推理式探究與實驗式探究等多種類型。正因如此，該教學環節便是以遷移具身性實驗，促進學生對科學探究程式的內化。一開始的現實生活生物學現象讓學生能夠從情境出發，在激發他們學習興趣的同時，理解生命科學知識的應用廣泛。之后，提供材料讓學生對照實驗原則設計實驗，通過展示實驗方案同全班同學一起評價該方案的科學性，再改進自己的實驗方案。此教學環節讓每一組學生真實經歷動手動腦的學習實踐過程，經由反思審辨向他們滲透科學共同體的基本意識。由于時間的關系，每組學生只進行了一組實驗的數據統計，但是全班每一組就可以看成是實驗的重復，這樣就滿足了探究實驗的重復原則?？梢?，無論是前期的實驗設計基本原則與探究方法的遷移應用，還是后續從定性到定量的測量統計與求平均值的工作，既能讓學生參與探究實驗過程，也能讓學生親身體驗實驗最重要的數據收集和處理、分析等環節。

四、設問式科學讀寫的推理探究論證

教學過程：從之前的教學流程繼續向下延展，滿足了濃度差是植物吸水的前提，那外界的水分要通過哪些障礙才能進入植物體內，到達需水的根、莖、葉等器官呢？此時，教師則向學生展示根毛細胞與土壤顆粒接觸示意圖，以及根部導管與莖、葉導管相鏈接示意圖，并讓學生逐一思考如下問題，梳理出水分進入植物體內到達需水部位的途徑。為了便于學生回答，教師同樣給出問題鏈：土壤中的水分先經過哪些結構進入根毛細胞液泡？進入根毛液泡后其濃度增加還是降低？與其緊鄰的內層細胞相比，水分朝哪個方向移動？如何運輸到地上的莖和葉？當完成問題鏈鋪陳后，教師讓學生繪制出水分進入根毛細胞，以及進入植物體內的途徑：土壤溶液→細胞壁→細胞膜→細胞質→液泡（根毛細胞）→根毛以內層層細胞→根部導管→莖、葉、花、果實，并給予正確的示例。

科學教育中大多數結論的得出并非來源于一手的自身實驗，其探究過程往往是基于證據資料的二手推理。正因如此，教師讓學生閱讀相關的細胞結構圖片，并在此基礎上進行路徑繪制的科學寫作。在充分了解了植物吸水和失水的原理后，科學閱讀的素材提供讓學生可以結合根毛細胞與土壤溶液間的位置關系，以及根毛細胞與內層細胞、導管之間的位置關系，分析出水分進入植物體內到達需水部位的途徑。而此途徑繪制的科學寫作，不僅展示了學生的思維過程，展示其基本生物學知識，也作為評價學生推理論證結果的手段，讓學生通過該任務的完成情況反饋自身的學習過程。

五、追問現實性價值的生產應用認知

教學過程：為進一步讓學生透過所學知識理解現實世界，追問學生教室里種的仙人掌和綠蘿，對它們的澆水量是否一樣？同時，展示統計數據：水稻、小麥與玉米的年平均需水量分別為811g、507g和368g，同種水稻不同生長階段的需水量，分蘗初期、出穗初期、出穗末期、成熟期、成熟后期的需水量分別為1064g、410g、232g、315g、108g，讓學生依據其對科學種田提出建議。之后，便引入一組資料：植物的生長離不開水，要想植物生長良好，勤于澆水固然是重要的，但是我國水資源并不豐富，南北水資源分布極度不均勻，農業上澆水就不能太任性，因為不合理的澆水很可能造成水資源的浪費。針對此，科研工作者開發了節水灌溉的新方法——滴灌和滲灌等模式，請同學們自學課后知識“開眼界”，了解滴灌和滲灌等的優勢。最后，讓學生根據課堂所學內容去思考并解決如下問題：你如何保證給你家植物施肥時不會造成“燒苗”？海洋植物為何不會有“燒苗”現象的發生？鹽堿地為什么叫不毛之地，但一種叫堿篷的植物卻能在這里很好地生長？能否知道今天使用的材料蘿卜細胞的細胞液濃度？

從科學資料中分析出有用信息是初中生應該具備的基本能力。通過簡單的統計圖表提取有用信息，讓學生明白科學種植中的生物學原理，并能將其應用于生活，提高了學生學習生物學的興趣?？茖W技術的進步讓農業生產變得更高效、更合理，通過了解新型農業中科技的應用，呼應課堂的導入，在回顧農業科技發展的科學社會史時，宣揚社會責任。最后的整個課后自主探究實踐的任務布置，是在追問所學知識的現實性價值，讓學生能夠運用課堂所學知識，突破固守課堂時空的壁壘，激發思維火花，以創造性地解決問題。

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馮國慶? ?四川外國語大學附屬外國語學校。

張夢蕓? ?四川外國語大學附屬外國語學校。