基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式初探

王美軍 劉賽男

(北京市十一學(xué)校 北京 100039)

1 背景

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)指出,學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步養(yǎng)成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四部分內(nèi)容。 如何在教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)成為一線教師亟待研究的課題。

“科學(xué)探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問(wèn)題,針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象,進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果交流與討論的能力。 學(xué)生應(yīng)在探究的過(guò)程中,逐步增強(qiáng)對(duì)自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲,掌握科學(xué)探究的基本思路和方法,提高實(shí)踐能力;在探究中,學(xué)生應(yīng)樂(lè)于并善于團(tuán)隊(duì)合作,勇于創(chuàng)新。 下文將課本知識(shí)融入到生物科學(xué)史的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中,創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境,讓學(xué)生去體驗(yàn)、去探究,在解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中培育學(xué)生的“科學(xué)探究”核心素養(yǎng),旨在構(gòu)建一種基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式,以在保證課程基礎(chǔ)性的同時(shí),尊重學(xué)生多樣化的發(fā)展需求,實(shí)現(xiàn)從內(nèi)容本位向?qū)W生發(fā)展本位的轉(zhuǎn)變。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 探究式教學(xué)

探究式教學(xué),即按照科學(xué)探索的一般規(guī)律,創(chuàng)設(shè)學(xué)生“有所發(fā)現(xiàn)”的教學(xué)情境,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)搜集資料、設(shè)計(jì)并操作實(shí)驗(yàn)、調(diào)查和觀察、討論等活動(dòng)進(jìn)行研究,從而使學(xué)生得出結(jié)論。

從形式上來(lái)說(shuō),探究式教學(xué)大致可以分為以下五個(gè)階段:①教師設(shè)法激起學(xué)生的認(rèn)知沖突,引導(dǎo)學(xué)生圍繞科學(xué)問(wèn)題、事件或現(xiàn)象展開(kāi)討論,激發(fā)學(xué)生的求知欲望。 ②學(xué)生通過(guò)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn),體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,觀察并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 ③學(xué)生分析、解釋數(shù)據(jù),對(duì)個(gè)人觀點(diǎn)進(jìn)行綜合分析,建立認(rèn)識(shí)客觀世界的模式或模型,形成科學(xué)認(rèn)知。 ④學(xué)生將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于新情境,以拓寬對(duì)知識(shí)的理解,形成新技能。 ⑤教師與學(xué)生共同回顧與評(píng)價(jià)所學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法。

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),探究式教學(xué)研究需要解決的問(wèn)題包括以下三個(gè)方面:①使學(xué)生能夠感受到知識(shí)的缺乏。 ②鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表不同意見(jiàn)。 ③通過(guò)實(shí)驗(yàn)證據(jù)解決學(xué)生的問(wèn)題。

2.2 科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教育意義

科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的研究過(guò)程與探究式教學(xué)模式的本質(zhì)需求高度符合,因此,本研究借用科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究式教學(xué)。 科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教育意義在于以下四個(gè)方面:①教師以故事的形式呈現(xiàn)科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),結(jié)合科學(xué)家的個(gè)人生活與所處時(shí)代,將科學(xué)主題人性化,可以讓學(xué)生對(duì)生物學(xué)學(xué)習(xí)更感興趣。 ②許多科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)是典型的科學(xué)探究過(guò)程,教師可以用其培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。③教師將科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)和課本知識(shí)相關(guān)聯(lián),可以讓學(xué)生更好地理解科學(xué)概念與科學(xué)方法。 ④教師借助科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn),可以讓學(xué)生感悟科學(xué)理論的發(fā)展和變化過(guò)程,提升學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題的能力,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的懷疑與批判精神。

3 教學(xué)案例

生物科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科,教材中的每個(gè)知識(shí)都是來(lái)源于科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。 面對(duì)如此豐富的科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)庫(kù),教師需要精心篩選和整合后,才能將其用于高中生物學(xué)課堂教學(xué)。 本研究基于核心素養(yǎng)和教學(xué)目標(biāo)篩選典型的科學(xué)史,對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)、改進(jìn)方法、新的研究問(wèn)題等進(jìn)行改編、設(shè)計(jì)。 教師在生物學(xué)科大概念的引領(lǐng)下,確定單元學(xué)習(xí)任務(wù),通過(guò)實(shí)施改編的科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué),最終使教學(xué)指向生物學(xué)科核心素養(yǎng)的落地(圖1)。

圖1 設(shè)計(jì)科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作流程

3.1 教學(xué)案例一:“細(xì)菌大戰(zhàn)抗生素”——篩選耐藥菌

教師基于“細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生的機(jī)理”經(jīng)典實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了探究式任務(wù)“細(xì)菌大戰(zhàn)抗生素”——篩選耐藥菌。

(1) 確定單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

教師根據(jù)“生物的進(jìn)化”單元學(xué)科大概念“生物的多樣性和適應(yīng)性是進(jìn)化的結(jié)果”,確定單元學(xué)習(xí)目標(biāo):①學(xué)生能了解地球上的現(xiàn)存物種豐富多樣,認(rèn)識(shí)到它們來(lái)自共同祖先。 ②能解釋適應(yīng)是自然選擇的結(jié)果。

(2) 設(shè)計(jì)探究式學(xué)習(xí)任務(wù)

在單元學(xué)習(xí)目標(biāo)的引領(lǐng)下,教師設(shè)計(jì)了探究式學(xué)習(xí)任務(wù):細(xì)菌大戰(zhàn)抗生素——篩選耐藥菌,并規(guī)劃了探究式教學(xué)的流程(圖2)。

圖2 “細(xì)菌大戰(zhàn)抗生素——篩選耐藥菌”探究式教學(xué)流程

(3) 篩選科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

教師篩選1952 年“細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生的機(jī)理”等原始科研文獻(xiàn)供學(xué)生閱讀。 學(xué)生通過(guò)閱讀原始文獻(xiàn),可以認(rèn)識(shí)到微生物的抗藥性是在未接觸藥物前自發(fā)產(chǎn)生的,并且這種抗藥性參與了微生物對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)。

(4) 改編設(shè)計(jì)課堂科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)

在閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)探究式學(xué)習(xí)任務(wù):細(xì)菌大戰(zhàn)抗生素——篩選耐藥菌,討論設(shè)計(jì)了科學(xué)探究實(shí)驗(yàn):細(xì)菌耐藥性實(shí)驗(yàn)。

(5) 落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)

學(xué)生通過(guò)對(duì)科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)研究、討論與交流,確定實(shí)驗(yàn)方案,并通過(guò)親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn),獲得真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),最終形成科學(xué)認(rèn)知:細(xì)菌的突變是普遍存在的,不同細(xì)菌個(gè)體本身就存在抗藥性差異,抗生素只是對(duì)其進(jìn)行篩選。 這樣的探究式學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)了知識(shí),還給學(xué)生留下了深刻印象,更培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維能力,提高了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2 教學(xué)案例二:“培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因熒光細(xì)菌”

教師基于基因工程相關(guān)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了探究式任務(wù)“培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因熒光細(xì)菌”。

(1) 確定單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

教師根據(jù)“基因工程”單元學(xué)科大概念“基因工程賦予生物新的遺傳特性”,確定單元學(xué)習(xí)目標(biāo):①學(xué)生能理解基因工程是一種重組DNA 技術(shù)。 ②學(xué)生能解釋轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的安全性問(wèn)題。

(2) 設(shè)計(jì)探究式學(xué)習(xí)任務(wù)

在單元學(xué)習(xí)目標(biāo)的引領(lǐng)下,教師設(shè)計(jì)了探究式學(xué)習(xí)任務(wù):培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因熒光細(xì)菌。

(3) 篩選科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

教師篩選與聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)、瓊脂糖凝膠電泳、基因表達(dá)載體的構(gòu)建、DNA 轉(zhuǎn)化、熒光顯微鏡等有關(guān)的原始科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)供學(xué)生閱讀。

(4) 改編設(shè)計(jì)課堂科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)

在閱讀文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)探究式學(xué)習(xí)任務(wù),討論設(shè)計(jì)了科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)。 課堂實(shí)驗(yàn)共包括五課時(shí):PCR 擴(kuò)增熒光蛋白基因、瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR 產(chǎn)物、PCR 產(chǎn)物與質(zhì)粒連接為表達(dá)載體、表達(dá)載體導(dǎo)入大腸桿菌、觀察大腸桿菌內(nèi)熒光蛋白的表達(dá)情況。 培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因熒光細(xì)菌的基本流程如圖3 所示。

圖3 培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因熒光細(xì)菌的基本流程

(5) 落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)

學(xué)生將科學(xué)史設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)探究課,開(kāi)發(fā)了熒光蛋白轉(zhuǎn)基因大實(shí)驗(yàn),將熒光蛋白基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌中,讓大腸桿菌發(fā)光,并利用不同顏色的熒光蛋白在細(xì)菌平板上作畫(huà)。 通過(guò)體驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)“基因工程賦予生物新的遺傳特性”這一大概念有了更直觀深入的認(rèn)識(shí),進(jìn)一步發(fā)展了科學(xué)探究能力。

4 結(jié)論

4.1 落實(shí)核心素養(yǎng)需要明確教學(xué)目標(biāo)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》是國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)教育課程的基本規(guī)范和質(zhì)量要求,是一個(gè)綱領(lǐng)性的文件。 《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的核心素養(yǎng)是高度概括的,教師要想在課堂上落實(shí)核心素養(yǎng),需要將核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊總€(gè)單元可操作的、清晰適切的教學(xué)目標(biāo)。 教師基于核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的教學(xué)目標(biāo)開(kāi)展教學(xué),才能最終落實(shí)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

4.2 通過(guò)探究式教學(xué)落實(shí)核心素養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)科課程的學(xué)習(xí)中逐漸發(fā)展起來(lái)的,是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的綜合能力。 青少年具有與生俱來(lái)的強(qiáng)烈求知欲和探索世界的意愿,教師進(jìn)行探究式教學(xué)不僅應(yīng)讓學(xué)生習(xí)得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí),更需要讓學(xué)生形成生物學(xué)整體的大概念框架,讓學(xué)生領(lǐng)悟到生物學(xué)家在科學(xué)探究過(guò)程中解決問(wèn)題的思路和方法。 教師采用的基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)是行之有效的、受學(xué)生歡迎的教學(xué)方式,能幫助學(xué)生提升核心素養(yǎng)。

4.3 科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為探究式教學(xué)提供真實(shí)情境素材

生命科學(xué)蘊(yùn)藏著大量經(jīng)典科學(xué)史與科學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)是促使學(xué)生形成生物學(xué)核心素養(yǎng)的必要手段。 科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為學(xué)生建構(gòu)知識(shí)、理解重要概念、形成生物學(xué)整體概念框架提供了真實(shí)問(wèn)題情境。教師篩選了符合教學(xué)目標(biāo)、又適合高中生認(rèn)知水平的實(shí)驗(yàn),通過(guò)改編實(shí)驗(yàn)、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程,培養(yǎng)了學(xué)生解決真實(shí)科學(xué)問(wèn)題的能力,提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),最終能使學(xué)生對(duì)社會(huì)上關(guān)于生物學(xué)的科學(xué)性問(wèn)題進(jìn)行辨別和解釋,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用。

4.4 形成基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式

通過(guò)教學(xué)案例的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐,學(xué)生的好奇心和思維得到充分的激發(fā),學(xué)生對(duì)生物科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的原理、材料選擇、操作要求以及數(shù)據(jù)分析等具有更加深刻的理解,學(xué)生針對(duì)特定的現(xiàn)象,進(jìn)行觀察、提問(wèn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、推斷結(jié)論的能力得以增強(qiáng)。 本研究總結(jié)了一種基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式,如圖4 所示。

4.5 探究式教學(xué)收效顯著,學(xué)生核心素養(yǎng)得到提升

學(xué)生經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的探究式學(xué)習(xí)訓(xùn)練,可逐漸理解生物學(xué)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)并非依據(jù)直覺(jué),而是以龐大的實(shí)驗(yàn)體系和科學(xué)探索作為依托。 在探究式教學(xué)中,學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力得以提高,學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性得到空前激發(fā),完成了大量兼具想象力和獨(dú)創(chuàng)性的作品。 同時(shí),學(xué)生對(duì)基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式給予了較高評(píng)價(jià),對(duì)這種飽含創(chuàng)新性與驅(qū)動(dòng)力的學(xué)習(xí)具有強(qiáng)烈興趣。

圖4 基于科學(xué)史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式