基于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)解釋能力培養(yǎng)策

摘 要：科學(xué)解釋能力是生物學(xué)學(xué)科的關(guān)鍵能力。本文以科學(xué)解釋為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)變生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，構(gòu)建新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)情境提出問題，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析證據(jù)、科學(xué)推理、抽象概括等實(shí)踐環(huán)節(jié)得出結(jié)論，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)解釋能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：科學(xué)解釋能力；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）09-0060-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

科學(xué)解釋是科學(xué)工作者運(yùn)用科學(xué)思維、基于科學(xué)事實(shí)對(duì)未知的科學(xué)領(lǐng)域提出主張或觀點(diǎn)，并用科學(xué)證據(jù)為主張進(jìn)行支持性解釋的過程。科學(xué)解釋既是科學(xué)探究的過程，也是問題解決和獲取科學(xué)知識(shí)的過程。 ［1］《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《義教課標(biāo)》）的課程目標(biāo)要求與學(xué)業(yè)質(zhì)量描述中，都提及關(guān)于科學(xué)解釋能力的相關(guān)描述。科學(xué)解釋能力與生命觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)密切相關(guān)，是學(xué)生綜合能力的直觀表現(xiàn)。本文以科學(xué)解釋為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，旨在探索生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)解釋能力的有效策略。

1 明晰科學(xué)解釋與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系

目前，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在諸多問題。學(xué)生往往缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉僮鞑襟E、實(shí)驗(yàn)方法以及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)受到應(yīng)試教育模式的影響，部分教師在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將其簡(jiǎn)化為教師主導(dǎo)的演示實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值大大降低。

以生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)解釋能力，有助于解決生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題。一是聚焦“為什么做”，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)機(jī)；二是聚焦“做什么”，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)；三是聚焦“如何做”，規(guī)范實(shí)驗(yàn)方法及流程；四是聚焦“做得如何”，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)。以科學(xué)解釋為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將知識(shí)與技能、過程與方法以主題化、結(jié)構(gòu)化的方式串聯(lián)起來，達(dá)成“教—學(xué)—評(píng)”一體化的原則，從而構(gòu)建一個(gè)邏輯嚴(yán)密的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，是幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)型的有效途徑。

2 構(gòu)建生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新范式

實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)生獲取新知識(shí)的重要途徑。教師通過引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)情境提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù)、分析證據(jù)提出主張、演繹推理檢驗(yàn)主張、抽象概括形成結(jié)論，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)解釋能力。本文構(gòu)建以科學(xué)解釋為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)范式，如圖1所示。

“生物體的結(jié)構(gòu)層次”是人教版義務(wù)教育教科書《生物學(xué)·七年級(jí)·上冊(cè)》第二單元的學(xué)習(xí)主題，其中包含較多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，適合作為基于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)解釋能力的探究課例。因此，本文以“生物體的結(jié)構(gòu)層次”為例，闡述以科學(xué)解釋為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2.1 提出問題，獲取科學(xué)證據(jù)

以科學(xué)解釋為任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，要求教師聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)和社會(huì)實(shí)踐，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考并提出問題及解釋觀點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、尋找證據(jù)。本文結(jié)合教材，開展“生物體的結(jié)構(gòu)層次”這一主題的教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合教材，教師可以引入日常生活中的植物作為探究對(duì)象，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的熱情。

教師基于真實(shí)情境，糾正學(xué)生的理解誤區(qū)，同時(shí)提出驅(qū)動(dòng)性問題：“高等的被子植物與低等的苔蘚植物結(jié)構(gòu)是否相同？”并以此引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用顯微鏡對(duì)葫蘆蘚、黑藻的葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，辨識(shí)葉綠體、細(xì)胞壁、液泡等細(xì)胞結(jié)構(gòu)并繪制植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。此外，教師還指導(dǎo)學(xué)生對(duì)洋蔥鱗片表皮細(xì)胞進(jìn)行染色觀察，以辨識(shí)細(xì)胞核結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過對(duì)三種不同植物的同一細(xì)胞器結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和對(duì)比，獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為支持科學(xué)解釋的依據(jù)，體現(xiàn)了尊重事實(shí)證據(jù)、崇尚嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)解釋能力的重要環(huán)節(jié)。

2.2 基于證據(jù)和邏輯，提出主張或假說

科學(xué)解釋的形成建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)證據(jù)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)邏輯基礎(chǔ)之上。事實(shí)是獨(dú)立于個(gè)人判斷的客觀存在，主張則是個(gè)人針對(duì)某一事實(shí)的看法。學(xué)生基于事實(shí)提出主張的能力存在客觀性偏差，因此，教師需要采取多種方法引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)。一方面，教師需要指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取客觀證據(jù)；另一方面，教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較與分類、歸納與演繹、抽象與概括、分析與綜合等科學(xué)思維方法提出自己的觀點(diǎn)，并利用批判性思維對(duì)他人的觀點(diǎn)進(jìn)行理性分析。

上述觀察實(shí)驗(yàn)遵循由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的認(rèn)知規(guī)律。學(xué)生對(duì)三種植物葉片進(jìn)行觀察時(shí)，可以從多個(gè)維度進(jìn)行分析。首先，從材料來源的角度，學(xué)生可以對(duì)比葉片的不同分類和形態(tài)特征；其次，從葉片顏色的角度，學(xué)生可以觀察到有色組織與無色組織的區(qū)別；最后，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的角度，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)材料分為流動(dòng)的有色結(jié)構(gòu)和靜態(tài)的有色結(jié)構(gòu)、染色劑著色的無色結(jié)構(gòu)。教師基于學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果轉(zhuǎn)化形成的科學(xué)證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生提出“細(xì)胞是構(gòu)成葉的基本單位”這一主張，并幫助學(xué)生初步理解細(xì)胞具有多樣性與統(tǒng)一性、結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的基本特征。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得客觀證據(jù)，進(jìn)而歸納推理形成自己的主張，這是科學(xué)解釋的過程，也是構(gòu)建生物學(xué)概念和原理的過程。植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖是學(xué)生基于證據(jù)和邏輯，運(yùn)用科學(xué)思維方法構(gòu)建的概念模型。學(xué)生在此過程中掌握科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)和探索技巧，自主構(gòu)建生物學(xué)概念和原理，并嘗試解釋生物學(xué)現(xiàn)象，從而逐步實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)發(fā)現(xiàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變。

2.3 演繹推理，以實(shí)踐檢驗(yàn)主張或假說

演繹推理是從一般規(guī)律出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)的演算或邏輯證明的方法，得出特殊事物應(yīng)遵循的規(guī)律。“假說-演繹”法是科學(xué)解釋常用的邏輯證明方法，其明確體現(xiàn)了主張與證據(jù)之間的邏輯聯(lián)系，對(duì)科學(xué)理論的形成具有重要意義。教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“假說-演繹”法既可以驗(yàn)證提出主張的正確性，又能對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。教師只有引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评矸椒ǎ拍艽_保驗(yàn)證的有效性。

學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，繪制的植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖是不完善、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模枰\(yùn)用“假說-演繹”法檢驗(yàn)其科學(xué)性。教師提出問題：根據(jù)對(duì)植物葉片細(xì)胞的觀察結(jié)果繪制的植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)模式圖，是否同樣適用于植物體其他部位的細(xì)胞結(jié)構(gòu)？教師選用水培吊蘭的根毛、番茄果實(shí)等植物體結(jié)構(gòu)作為材料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行演繹推理。學(xué)生首先預(yù)測(cè)所選材料的基本結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，最后交流展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。師生在對(duì)多種植物及其不同器官進(jìn)行深入比較、分析和討論的基礎(chǔ)上，共同完善植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)模式圖，并認(rèn)同不同植物、不同器官的細(xì)胞均具有相同的基本結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，證實(shí)了自己基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)提出的相關(guān)主張。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生采用科學(xué)推理將主張和證據(jù)聯(lián)系在一起，運(yùn)用邏輯關(guān)系解釋特定的生物學(xué)現(xiàn)象，這是科學(xué)理論形成的過程，能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，形成科學(xué)思維。這一過程不僅加深了學(xué)生對(duì)不同植物和不同器官的細(xì)胞共有結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)，還通過演繹推理驗(yàn)證了基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)提出的科學(xué)主張，從而幫助學(xué)生強(qiáng)化以證據(jù)為基礎(chǔ)的科學(xué)探究方法和科學(xué)思維能力。

2.4 抽象概括，形成科學(xué)結(jié)論

抽象和概括能力是科學(xué)解釋能力的高階形式。

其要求學(xué)生在認(rèn)識(shí)客觀事物的過程中，對(duì)所獲信息進(jìn)行思維加工，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)事物的共同屬性和本質(zhì)特征，從而構(gòu)建并正確表述生物學(xué)概念。生物學(xué)概念的形成基于大量的科學(xué)事實(shí)，而生物學(xué)實(shí)驗(yàn)則是獲得科學(xué)事實(shí)的途徑，同時(shí)也是檢驗(yàn)事實(shí)正確性的手段。

“生物體的結(jié)構(gòu)層次”這一主題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，采用的實(shí)驗(yàn)材料形態(tài)、大小、顏色、功能各不相同。學(xué)生通過顯微鏡觀察、繪制細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、制作細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，逐步建立證據(jù)與主張之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而將抽象的生物學(xué)現(xiàn)象歸納概括為系統(tǒng)的生物學(xué)概念，而不是證據(jù)的簡(jiǎn)單堆砌。此外，教師還引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較、歸納、演繹推理等科學(xué)思維方法，總結(jié)不同類型細(xì)胞的共同特征，并認(rèn)識(shí)到細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，從而幫助學(xué)生提煉出“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位”這一科學(xué)結(jié)論，并使其認(rèn)同生物的多樣性與統(tǒng)一性，初步形成科學(xué)的自然觀和世界觀。科學(xué)解釋驅(qū)動(dòng)的“生物體的結(jié)構(gòu)層次”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如圖2所示。

科學(xué)解釋一般需要排除事物非本質(zhì)的細(xì)節(jié)，通過構(gòu)建模型簡(jiǎn)化并理想化地展現(xiàn)生物學(xué)概念的基本特征和關(guān)鍵要素。“細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位”作為一種概念模型，對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)生命世界、探究生命活動(dòng)規(guī)律、解決實(shí)際問題具有指導(dǎo)意義。抽象概括得出的科學(xué)結(jié)論基于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、觀察、建模等實(shí)踐活動(dòng)，又反過來指導(dǎo)實(shí)踐活動(dòng)，并在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 總結(jié)

科學(xué)解釋能力是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過科學(xué)解釋驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既能幫助學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)方法，又能提升其科學(xué)思維能力，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新能力，從而培養(yǎng)學(xué)生成為具有科學(xué)思維的人才，對(duì)學(xué)生的終身發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

［1］武佳佳，王月玲，張榮華.生物學(xué)科學(xué)解釋能力培養(yǎng)的實(shí)踐［J］.生物學(xué)教學(xué)，2021，46（8）：4-6.