季忠云

（江蘇省蘇州市工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心 江蘇蘇州 215021）

隨著生物學(xué)課程改革的進(jìn)一步深化，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)已然成為了當(dāng)下生物學(xué)教育的育人宗旨。其中，科學(xué)探究是生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要方面，是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為彰顯生物學(xué)課程科學(xué)本質(zhì)的重要途徑，既包含了實(shí)驗(yàn)探究的目的和原理，也包含了科學(xué)探究的一般方法與實(shí)踐應(yīng)用的基本情境等。由此可見，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)科學(xué)探究核心素養(yǎng)的培育具有重要意義。

蒸騰作用是植物的一項(xiàng)重要生理功能，對生物圈的水循環(huán)有重要影響。關(guān)于蒸騰作用的機(jī)理，蘇科版初中生物八年級上冊教材中僅簡單描述了“氣孔的張開與閉合可以調(diào)節(jié)蒸騰作用的強(qiáng)度”，并沒有詳細(xì)闡述植物如何通過保衛(wèi)細(xì)胞控制氣孔的開閉來調(diào)節(jié)蒸騰作用，學(xué)生理解起來很有難度。此外基于長期的教學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生根據(jù)七年級學(xué)過的細(xì)胞吸水和失水原理，錯(cuò)誤地進(jìn)行了知識(shí)遷移，歪解了保衛(wèi)細(xì)胞調(diào)控氣孔開閉的原理。為了突破這一教學(xué)的窘境，研究者對“氣孔的開閉原理”進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了以發(fā)現(xiàn)式觀察指向科學(xué)探究的目的性、以原理式探究揭示科學(xué)本質(zhì)的實(shí)證性、以模擬式體驗(yàn)感悟科學(xué)實(shí)踐的具身性的基本路徑。

1 以發(fā)現(xiàn)式觀察指向科學(xué)探究的目的性

俄國著名科學(xué)家門捷列夫曾經(jīng)說過：“科學(xué)的原理起源于實(shí)驗(yàn)的世界和觀察的領(lǐng)域，觀察是第一步，沒有觀察就不會(huì)有接踵而來的前進(jìn)”。可見，科學(xué)探究的首要步驟就是進(jìn)行發(fā)現(xiàn)式的觀察。發(fā)現(xiàn)式的觀察是指對生物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生活習(xí)性、外部特征等客觀存在的事實(shí)進(jìn)行有指向、有目的性的觀察。發(fā)現(xiàn)式觀察不僅可以獲得科學(xué)的基本概念與規(guī)律，還往往能引出需要進(jìn)一步探究的科學(xué)問題，并以此為起點(diǎn)，不斷進(jìn)行深入研究。教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)現(xiàn)式觀察，既能讓學(xué)生體悟這種重要的科學(xué)研究方法，又能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)興趣，激發(fā)科學(xué)探究的欲望。

在學(xué)習(xí)植物蒸騰作用時(shí)，教師課前帶領(lǐng)學(xué)生在校園的不同區(qū)域測定空氣濕度，讓學(xué)生初步形成植物能增加空氣濕度的認(rèn)知。上課時(shí)，教師列表展示不同區(qū)域的空氣濕度數(shù)值，提出問題：為什么植物能增加空氣濕度？植物通過哪種器官散失水分？葉片如何散失水分？由此引導(dǎo)學(xué)生從宏觀的現(xiàn)象一層一層聚焦到微觀的結(jié)構(gòu)。為了讓學(xué)生更直觀感知葉片具有散失水分的通道，教師可以進(jìn)行一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：把空心菜的莖和注射器用膠管緊密連接好；然后，把葉片放入水中，再用注射器不斷注入空氣。學(xué)生可觀察到葉片上有大量氣泡冒出，并產(chǎn)生疑問是不是葉片上真的存在散失水分的通道呢？這時(shí)，教師可以提供青菜、菠菜、木耳菜、綠蘿等多種植物的葉片，學(xué)生撕取不同植物的下表皮制作成臨時(shí)裝片，置于顯微鏡下觀察氣孔結(jié)構(gòu)。學(xué)生基于所觀察到的科學(xué)事實(shí)，可以形成“氣孔在不同植物的葉表皮上是普遍存在”的基本生物學(xué)概念。之后，教師引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察并比較氣孔的形態(tài)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)氣孔的形態(tài)有所不同，有張開和閉合兩種狀態(tài)。最終，教師以學(xué)生的發(fā)現(xiàn)式觀察指向本次科學(xué)探究的目的——“探究氣孔開閉的原理”。

2 以原理式探究揭示科學(xué)本質(zhì)的實(shí)證性

生物學(xué)現(xiàn)象是原理的外在表現(xiàn)形式，原理是現(xiàn)象內(nèi)部穩(wěn)定的、深刻的本質(zhì)，深藏在生物體內(nèi)部，需要通過進(jìn)一步科學(xué)探究才能探尋獲取。初中生正處于由直觀形象思維轉(zhuǎn)向理性抽象思維的過渡期，往往需要基于直觀化、可視化的現(xiàn)象為基礎(chǔ)提出問題，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證去層層推理來理解生命的本質(zhì)規(guī)律，并涵養(yǎng)基于證據(jù)批判質(zhì)疑的科學(xué)精神。教師應(yīng)當(dāng)以問題的引導(dǎo)、實(shí)踐的操作與具象的論證為手段，使學(xué)生在科學(xué)探究過程的體驗(yàn)中明白科學(xué)本質(zhì)的審辯實(shí)證思維。

根據(jù)上文的發(fā)現(xiàn)式觀察，學(xué)生還可以發(fā)現(xiàn)“氣孔是一對腎形的保衛(wèi)細(xì)胞之間的空隙”，會(huì)關(guān)聯(lián)到保衛(wèi)細(xì)胞能調(diào)控氣孔開閉。教師提出問題：保衛(wèi)細(xì)胞如何調(diào)控氣孔開閉？根據(jù)之前學(xué)習(xí)的“細(xì)胞吸水和失水的原理”，學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移，提出了假設(shè)：“保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹體積變大，遮蓋了原有的氣孔，使氣孔面積減少，產(chǎn)生閉合現(xiàn)象；保衛(wèi)細(xì)胞失水皺縮體積變小，使氣孔部位面積擴(kuò)大，氣孔張開”。此時(shí)，教師不要直接進(jìn)行否認(rèn)，而應(yīng)該順勢利導(dǎo)讓學(xué)生依據(jù)科學(xué)探究的“提出問題—做出假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論”流程展開推理式實(shí)驗(yàn)。有學(xué)生將同種植物葉片分別放在清水和濃鹽水中，一段時(shí)間后取出撕取下表皮制成臨時(shí)裝片；有學(xué)生在載玻片上滴加適量的清水和濃鹽水，撕取同種植物葉片下表皮制成臨時(shí)裝片；還有學(xué)生撕取同種植物葉片下表皮制成臨時(shí)裝片，分別在臨時(shí)裝片的一側(cè)滴加清水和濃鹽水，另一側(cè)用吸水紙反復(fù)吸引。學(xué)生雖然有不同的設(shè)計(jì)思路，但所觀察氣孔的開閉狀態(tài)都大致相同。該教學(xué)過程讓學(xué)生以“氣孔在清水中張開，而濃鹽水中關(guān)閉”的真實(shí)現(xiàn)象，既明白了“保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹使氣孔張開，反之則使氣孔關(guān)閉”的科學(xué)結(jié)論，又體悟了科學(xué)方法的實(shí)證性。

3 以模擬式體驗(yàn)感悟科學(xué)實(shí)踐的具身性

20世紀(jì)中葉以來，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)以描述和定性分析為主的傳統(tǒng)的“格物致知”研究對生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，提出通過構(gòu)造生命系統(tǒng)研究生命科學(xué)的基本問題、探索生命奧秘的“建物致知”研究思想。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主費(fèi)曼也曾說“我不能創(chuàng)造的東西，我就不理解”。因此，當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷了主動(dòng)、投入學(xué)習(xí)，將所學(xué)科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作的能力后，方可真正達(dá)成將科學(xué)探究核心素養(yǎng)另一深層含義，即具身化體驗(yàn)科學(xué)探究。

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)一般基于真實(shí)的生物材料開展觀察和探究。在實(shí)際教學(xué)中，教師為了讓學(xué)生更形象、直觀感悟科學(xué)實(shí)踐的具身性，可以進(jìn)行模擬式體驗(yàn)。所謂模擬式體驗(yàn)是以模型制作、動(dòng)畫模擬、軟件操作、仿生材料等一系列相關(guān)操作體驗(yàn)科學(xué)探究的過程。在氣孔開閉的原理探究中，由于氣孔的開閉過程較慢且不易控制，且保衛(wèi)細(xì)胞的細(xì)胞壁厚薄，無法借助光學(xué)顯微鏡觀察到，致使學(xué)生缺少直觀的感知理解。很多教師都通過自制的氣孔模型，如利用長條氣球、三角管、乳膠管等材料制作氣孔模型。然而，該模擬實(shí)驗(yàn)用非生命材料來模擬生命的保衛(wèi)細(xì)胞，忽略了在探究中凸顯學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化實(shí)踐，且對學(xué)生的遷移能力提出了很高的要求。

研究者選擇了蘿卜、冬瓜、南瓜、黃瓜等有厚皮的植物材料，橫切獲得一側(cè)帶皮、一側(cè)帶“肉”的薄片，用訂書機(jī)將2個(gè)薄片連接成一個(gè)整體，置于清水中20 min后，觀察比較薄片中間空隙的大小差異。通過實(shí)驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)白蘿卜是較好的模擬材料，在較短的時(shí)間內(nèi)吸水較多，中間空隙比較明顯。因此，在課堂教學(xué)中，教師首先發(fā)給學(xué)生兩組用訂書機(jī)連接的帶皮和不帶皮的白蘿卜薄片，提出問題：蘿卜片浸泡在清水中會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？這兩組蘿卜片吸水現(xiàn)象一樣嗎？學(xué)生做出假設(shè)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖1、圖2所示。學(xué)生發(fā)現(xiàn)帶皮的蘿卜片外側(cè)吸水比內(nèi)側(cè)多，外側(cè)體積膨脹較大，內(nèi)側(cè)體積膨脹較小，向外張開，中央形成中間空隙。緊接著，教師引導(dǎo)學(xué)生把中間空隙模擬為氣孔結(jié)構(gòu)，從而類比得出“保衛(wèi)細(xì)胞的內(nèi)側(cè)細(xì)胞壁比較厚、伸縮性小，外側(cè)細(xì)胞壁比較薄、伸縮性大；當(dāng)保衛(wèi)細(xì)胞吸水時(shí)氣孔張開，保衛(wèi)細(xì)胞失水時(shí)氣孔關(guān)閉”這一結(jié)論。該教學(xué)過程以模擬式體驗(yàn)讓學(xué)生感悟了氣孔開閉的過程，促進(jìn)了學(xué)生以科學(xué)方法為依托，將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為科學(xué)實(shí)踐的具身性。

圖1 清水中帶皮蘿卜片吸水狀況

圖2 清水中不帶皮蘿卜片吸水狀

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以生物學(xué)知識(shí)的獲取為目的，而核心素養(yǎng)背景下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加關(guān)注以實(shí)驗(yàn)為載體，提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教師可以依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)與教材，基于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)式觀察、原理式探究、模擬式體驗(yàn)等進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)使教學(xué)活動(dòng)有層次、學(xué)生思維有深度、獲取的生物學(xué)概念更易理解，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正成為培育學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的主陣地！