引導概念進階 發展科學思維

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》強調要培養學生的“科學思維”。概念教學通過引入學科基本概念引導學生思考和理解知識，培養學生的科學思維能力。“概念進階”是對“應該為學生設定怎樣的概念學習路徑”的探索，它可以直觀呈現概念的發展路徑，為教師的教和學生的學提供可參考的依據，為學生最終理解概念提供“線路圖”。本文以“植物的光合作用”教學為例，探討教師如何為學生設置環環相扣的概念理解階梯，引導學生經歷觀察、提問、猜測、實驗、歸納等一系列科學探究的思維活動，幫助學生層層遞進地理解概念內涵，實現思維進階。

一、根據學情，創設概念建構的情境

“植物的光合作用”是七年級生物學教材中的一個重要概念。這個概念涉及植物生長、發育的基礎知識和光合作用的基本過程。學生學習這一知識點時，因為前概念、知識儲備、思維水平的不同，他們對概念的認知程度也存在差異。

學生在小學科學課中學過光合作用的知識，部分學生具備前概念，知道植物可以吸收陽光、空氣和水分，光合作用制造儲存能量的有機物。在課前預習階段，教師設計預習單和學習記錄單，針對學生的前概念認知設置系列問題，如蔬菜如何生長、植物如何獲取能量和營養、植物為什么需要陽光、葉片為什么是綠色等。教師通過檢查學生作答的預習單發現，有的學生已經知道“植物吸收陽光、空氣和水分”，有的學生的認知還處在“植物生長需要的養料來自土壤”階段。

針對以上情況，教師創設貼近生活的問題情境，以啟發學生思考。如，媽媽在家培養金魚藻，發現在陽臺的金魚藻比在房間的金魚藻生長得更快。白天觀察時，她發現培養液中冒出的氣泡明顯比晚上多。你知道這和什么有關嗎？由此，教師引入重要概念“光合作用”。同時，教師引導學生思考其中蘊含的兩個問題：是不是光合作用強，植物生長就快；植物產生的氣泡是什么，為什么白天氣泡多？第一個問題屬于舊知，大部分學生通過觀看天竺葵實驗的視頻，在回顧小學學習的前概念“光合作用通過葉綠體，利用光能，制造儲存能量的有機物”后可以解答。第二個問題屬于新知，大部分學生不清楚產生的氣體是什么。教師以“假設光合作用產生的是氧氣，那要消耗什么原料”的問題，引發學生對光合作用條件和原料的思考。通過觀看演示綠蘿在陽光下生長的實驗視頻，學生對光合作用有了初步認知：光合作用吸收二氧化碳和水，釋放氧氣。以上教學，教師通過創設情境、播放實驗視頻，引導學生觀察、思考，在回顧前概念的基礎上學習新知，幫助學生初步理解了光合作用的概念。

二、借助科學史，深化概念理解

通過小測驗和檢查學習記錄，教師發現學生對植物的光合作用還存在認知誤區。比如，有的學生認為光合作用發生在植物體的葉子上，有的學生認為光合作用的原料只有水、產物只有氧氣。為了幫助學生走出認知誤區，跨越思維障礙，教師引入有關發現光合作用的科學史料。

教師首先呈現教材中的17世紀比利時科學家海爾蒙特所做的實驗（海爾蒙特把一棵2.5千克的柳樹種在裝有90千克泥土的桶里，每日只澆雨水。5年后，柳樹長到85千克，而泥土的重量只少了不到100克）材料，引導學生思考光合作用消耗的原料是什么。大部分學生通過分析“水是加到桶里的唯一物質”，推斷原料主要是水。接著，教師引導：除了水，還有什么？為了幫助學生思考，教師呈現科學史料一“17世紀后期顯微鏡的發明使人們發現葉片氣孔的存在”，引發學生思考光合作用過程中植物是否從空氣中吸收某種氣體。然后，教師呈現科學史料二“1773年普利斯特利的實驗證明，植物能更新由于蠟燭燃燒或動物呼吸而變得污濁的空氣”，學生分析后得出結論“綠色植物能凈化污濁的空氣”。由此，學生明確了“綠色植物吸收二氧化碳，釋放氧氣”。借助相關的科學史料，學生實現了從原料只有水到原料有水和二氧化碳的思維跨越。

教師布置各小組整理科學家發現光合作用的探究歷程。小組成員列出包括年代、科學家、實驗過程、發現成果的表格。由此，學生理清了光合作用的原料、產物、條件，形成了光合作用的一般概念：光合作用的原料包括二氧化碳和水，光合作用的產物包括氧氣和淀粉等有機物，光合作用的條件是光照等。

科學史料的使用不只是為了呈現事實性知識，更重要的是讓學生了解概念提出的歷程，借助歷史上相關生物學實驗，學習科學家取得某一發現的方法、思路、過程等，更好地促進學生科學思維的發展。

三、探究實驗原理，提升概念認知

概念認知進階離不開探究實驗。探究實驗能培養學生的科學思維，提高學生的科學素養。

首先，教師引導學生思考：如果你是科學家，你要如何設計實驗，證明二氧化碳是光合作用的原料、光合作用的產物有氧氣呢？教師提示學生參考前面了解到的科學家的實驗和教材中的實驗等資料設計實驗。各小組成員準備試管、金魚藻、石蕊溶液、清水、光管、照明燈、實驗操作臺等實驗材料。每組各準備A、B、C三支試管（A試管裝有紫色石蕊溶液，B試管裝有紅色石蕊溶液，并注入二氧化碳，C試管裝有紅色石蕊溶液），進行對比實驗。接著，師生共同梳理實驗操作步驟：①將金魚藻分別放入A、B兩支試管中，加入適量清水；②將試管放置在實驗操作臺上，用光管照射；③觀察試管中金魚藻的變化，記錄實驗結果。

其次，進入試驗階段。教師設置問題鏈輔助學生思考探究。一是關于變量設置的問題，如“實驗變量是什么”，引導學生關注二氧化碳的有無；二是關于現象檢驗的問題，如“如何判斷兩組金魚藻是否進行了光合作用”“如何判斷瓶內的二氧化碳是否被消耗”，引導學生通過觀察有無氣泡的產生，判斷是否進行了光合作用，聯系石蕊溶液是否由紅變紫判斷二氧化碳是否被消耗；三是關于排除干擾的問題，如“石蕊溶液由紅變紫一定是因為光合作用吸收了二氧化碳嗎”，提醒學生借助空白對照組C組進行比較判斷。在各小組對系列問題進行討論后，負責記錄的學生匯報實驗結果及發現。由此，學生通過對實驗中的變量二氧化碳的觀察，驗證了“光合作用吸收二氧化碳”；通過觀察金魚藻產生了氣泡，得出結論“這個現象說明金魚藻進行了光合作用，產生了氧氣”。教師提出疑問：如何證明光合作用釋放的氣體是氧氣？學生思考后設計了第二個實驗：小組學生將點燃的衛生香分別放入兩支試管內液面的上方，觀察衛生香燃燒的情況，氧氣的濃度越高燃燒越旺。隨后，學生操作實驗并記錄相關情況。

最后，教師引導學生利用光合作用解決實際問題，幫助學生強化概念認知，發展科學思維。如以下問題：①現在，你能告訴媽媽為什么陽臺培養的金魚藻冒出更多氣泡嗎？②爺爺種的土豆長得慢、個頭小、產量低，你能幫他出主意，提高土豆產量嗎？這樣，學生通過系統的實驗獲取可靠的證據，基于可靠的證據建構科學概念，基于科學概念和科學知識進行判斷和推理，并在生活中應用知識，從而發展了科學思維。