“水進(jìn)出細(xì)胞的原理”教學(xué)中的科學(xué)思維培養(yǎng)

倪曉華

（上海大學(xué)市北附中 上海 200072）

“水進(jìn)出細(xì)胞的原理”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中概念2的內(nèi)容，教學(xué)提示中有“通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)探究膜的透性”“觀察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。許多教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，將教學(xué)目標(biāo)重點(diǎn)放在科學(xué)探究中的觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流與討論，而忽略了各教學(xué)環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系、教學(xué)內(nèi)容對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

1 本節(jié)教學(xué)常見(jiàn)課型的分析

生物學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)研究中最基本、最常用的方法。在生物學(xué)教學(xué)中，常常出現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)課”的說(shuō)法，即整節(jié)課在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行動(dòng)手操作，與之對(duì)應(yīng)的“常態(tài)課”是在普通教室里進(jìn)行，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)。不同的課型對(duì)學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)有不同的效果。如果將演示實(shí)驗(yàn)與分組實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)都統(tǒng)稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)，將沒(méi)有實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備的教學(xué)過(guò)程稱(chēng)為講授，本節(jié)教學(xué)的課型一般有4種。

（1）只講授無(wú)實(shí)驗(yàn)。這是非常傳統(tǒng)的課型，學(xué)習(xí)的過(guò)程是一個(gè)被動(dòng)接受過(guò)程，即使運(yùn)用了多媒體技術(shù)的輔助，或者對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，但是缺少體驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生頭腦中生成的概念是模糊的，甚至可能是錯(cuò)誤的，如將質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)中的“質(zhì)”理解為細(xì)胞質(zhì)的“質(zhì)”。

（2）先講授后實(shí)驗(yàn)。這是比較常見(jiàn)的課型，將生物學(xué)教學(xué)分為常態(tài)課與實(shí)驗(yàn)課兩種模式，基本上能夠完成課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，但講授過(guò)程缺少真實(shí)情境，學(xué)生活動(dòng)缺少任務(wù)驅(qū)動(dòng)，滯后完成的實(shí)驗(yàn)是將“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”的探究實(shí)驗(yàn)變成了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，仍然屬于接受學(xué)習(xí)。

（3）邊實(shí)驗(yàn)邊講授。這是與新課程理念相吻合的課型，體現(xiàn)生物學(xué)課程性質(zhì)和基本理念，以實(shí)驗(yàn)為情境和任務(wù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性。學(xué)生通過(guò)對(duì)感性材料進(jìn)行分析、抽象、歸納與概括，可以形成科學(xué)概念，通過(guò)問(wèn)題的提出和解決，在活動(dòng)中提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（4）先實(shí)驗(yàn)后講授。這是一種少見(jiàn)的課型，學(xué)生帶著任務(wù)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探究活動(dòng)，可能出現(xiàn)多種結(jié)果，如在活動(dòng)過(guò)程中生成新的問(wèn)題并繼續(xù)探究、在活動(dòng)中出現(xiàn)失誤等。教師根據(jù)學(xué)生活動(dòng)點(diǎn)評(píng)、分析，最后達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。這種教學(xué)設(shè)計(jì)的課堂組織難度高，甚至有人會(huì)質(zhì)疑課堂效率低。但是，學(xué)生完整地體驗(yàn)了科學(xué)研究的全過(guò)程，深入理解科學(xué)的本質(zhì)，是達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

2 本節(jié)教學(xué)中的科學(xué)思維分析與教學(xué)建議

“水進(jìn)出細(xì)胞的原理”一節(jié)教學(xué)中，科學(xué)探究是顯性的素養(yǎng)，而科學(xué)思維是隱性的?？茖W(xué)思維以生物學(xué)事實(shí)、概念為基礎(chǔ)，同時(shí)，在嘗試獲取證據(jù)、運(yùn)用證據(jù)與邏輯形成生物學(xué)概念和規(guī)律的過(guò)程中，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要科學(xué)思維。

2.1 類(lèi)比推理

類(lèi)比推理是從兩個(gè)或兩類(lèi)對(duì)象有某些共有或相似屬性，推出一個(gè)對(duì)象可能具有另一類(lèi)對(duì)象所具有的屬性的方法。類(lèi)比推理是將抽象思維和形象思維融為一體的一種獨(dú)特的思維方法，一些特殊事物往往具有鮮明的形象，人們應(yīng)用類(lèi)比方法，就能使其對(duì)抽象、微觀對(duì)象的思維具有形象思維的特征。例如，物理學(xué)家研究光的性質(zhì)時(shí)，將光與聲進(jìn)行類(lèi)比，遺傳學(xué)家薩頓將看不見(jiàn)的基因與看得見(jiàn)的染色體行為進(jìn)行類(lèi)比等。

探究膜的透性模擬實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察漏斗管內(nèi)的液面變化，發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象，理解發(fā)生滲透現(xiàn)象的條件，從而概括出滲透作用的概念。細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，當(dāng)學(xué)生理解了滲透作用的概念后，就可以進(jìn)行推理。教師將微觀、抽象的細(xì)胞生命活動(dòng)與宏觀、形象的滲透現(xiàn)象進(jìn)行類(lèi)比，提出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究的欲望：水分子通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)出細(xì)胞也是滲透作用嗎？細(xì)胞膜相當(dāng)于一層半透膜嗎？

開(kāi)展探究膜的透性模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以讓學(xué)生提前選擇玻璃紙、魚(yú)鰾、膀胱、雞蛋卵殼膜等多種材料，也可以將漏斗與燒杯中的溶液互換，構(gòu)建滲透裝置，以便課堂上觀察滲透現(xiàn)象。滲透現(xiàn)象是一個(gè)真實(shí)的情境，既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，又是培養(yǎng)學(xué)生歸納與概括、類(lèi)比推理等科學(xué)思維的載體。

2.2 演繹推理

演繹推理是從一般規(guī)律出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)的演算或者邏輯的證明，得出特殊事實(shí)應(yīng)遵循的規(guī)律，即從一般到特殊的邏輯推理方法。在科學(xué)研究中，演繹方法常常與假說(shuō)方法結(jié)合在一起，在觀察和分析的基礎(chǔ)上提出問(wèn)題，通過(guò)推理和想像提出解釋問(wèn)題的假說(shuō)，根據(jù)假說(shuō)進(jìn)行演繹推理，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)演繹推理的結(jié)論。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符，證明假說(shuō)是正確的，反之，假說(shuō)不成立。

教師將滲透現(xiàn)象與細(xì)胞吸水和失水現(xiàn)象進(jìn)行類(lèi)比：哺乳動(dòng)物的紅細(xì)胞形狀特殊，取材容易，是一種理想的實(shí)驗(yàn)材料，將紅細(xì)胞放入不同濃度的氯化鈉溶液中一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)失水皺縮、吸水膨脹甚至脹破的現(xiàn)象。引導(dǎo)學(xué)生提出水進(jìn)出動(dòng)物細(xì)胞的原理是滲透作用的假說(shuō)。教師可提醒學(xué)生注意：如果這個(gè)假說(shuō)成立，人們可以演繹推理水進(jìn)出植物的規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，這是植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)與紅細(xì)胞形態(tài)變化實(shí)驗(yàn)之間的邏輯聯(lián)系，也是區(qū)分植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)是探究實(shí)驗(yàn)還是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的要素。

課堂教學(xué)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)差異的認(rèn)知，選擇紫色洋蔥、黑藻等植物作為實(shí)驗(yàn)材料，預(yù)見(jiàn)植物細(xì)胞在不同濃度氯化鈉或蔗糖溶液中的變化，然后設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出結(jié)論。演繹推理能夠作出科學(xué)的預(yù)見(jiàn)，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生充分體驗(yàn)演繹推理的魅力，即只要推理的前提真實(shí)、推理形式符合邏輯，那推理的結(jié)論必然是真實(shí)的。

2.3 模型與建模

模型是對(duì)客觀事物的形態(tài)、特征和本質(zhì)的描述、模仿和抽象，被反映和代替的客觀對(duì)象稱(chēng)為模型的原型。建模是一種基于模型的建構(gòu)性學(xué)習(xí)活動(dòng)，泛指人類(lèi)在認(rèn)識(shí)自然界的過(guò)程中，把認(rèn)識(shí)對(duì)象進(jìn)行概念化的過(guò)程。建模是獲得知識(shí)的一條重要途徑或方法，超越了對(duì)科學(xué)事實(shí)的簡(jiǎn)單記憶。

教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型：成熟的植物細(xì)胞由于中央液泡占據(jù)了細(xì)胞大部分空間，細(xì)胞內(nèi)的液體環(huán)境主要指的是液泡中的細(xì)胞液，科學(xué)工作者將細(xì)胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細(xì)胞質(zhì)稱(chēng)為原生質(zhì)層。原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜。教師簡(jiǎn)化和理想化地再現(xiàn)了原型與研究目的有關(guān)的基本因素，略去次要的、非本質(zhì)的細(xì)節(jié)，如這兩層膜之間的各種細(xì)胞器、細(xì)胞核等，突破了語(yǔ)言描述的局限，使學(xué)生一下子獲得植物細(xì)胞吸水和失水的整體印象。

教學(xué)時(shí)，教師可以先進(jìn)行探究植物細(xì)胞吸水和失水的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在解釋中央液泡大小變化的原因時(shí)，會(huì)反復(fù)提及水經(jīng)過(guò)細(xì)胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細(xì)胞質(zhì)。此時(shí)，教師提出建立原生質(zhì)層的概念模型，避免了學(xué)生對(duì)概念的死記硬背，并將植物細(xì)胞的失水和吸水現(xiàn)象稱(chēng)為“質(zhì)壁分離和復(fù)原”，從而使語(yǔ)言表達(dá)的臃腫與簡(jiǎn)潔形成鮮明對(duì)比。

科學(xué)思維是概念形成的工具，是生命觀念建立和科學(xué)探究的基礎(chǔ)；同時(shí)，科學(xué)思維依托概念來(lái)進(jìn)行，并在科學(xué)探究中得到發(fā)展。核心素養(yǎng)是跨課時(shí)、跨學(xué)段、跨學(xué)科的，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)中的落實(shí)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，每一節(jié)課、每一個(gè)活動(dòng)都是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)生成的一部分。