美國(guó)科學(xué)探究案例評(píng)析

謝群

科學(xué)探究和探究教學(xué)是生物學(xué)課程改革的一個(gè)重要內(nèi)容。科學(xué)探究是科學(xué)家探索和認(rèn)識(shí)世界的主要方式，而探究教學(xué)則是引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)類似科學(xué)家探索世界的方式來(lái)學(xué)習(xí)生物學(xué)，期望他們?cè)谔骄窟^(guò)程中能更深刻地構(gòu)建生物學(xué)概念、發(fā)展科學(xué)思維和探究能力，并獲得情感態(tài)度價(jià)值觀的體驗(yàn)等。但在教學(xué)實(shí)踐中，探究教學(xué)浮于表面的情況并不少見(jiàn)。如，用教師講解代替學(xué)生探究;將提出問(wèn)題、展開討論等同于探究;或是將科學(xué)探究窄化為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)置對(duì)照等。其實(shí)，科學(xué)探究的內(nèi)涵遠(yuǎn)不止于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和設(shè)置對(duì)照。下面介紹一份來(lái)自美國(guó)高中生物課堂探究的方案，管中窺豹來(lái)分析生物學(xué)課堂探究教學(xué)。

1 案例基本信息及前期準(zhǔn)備

本探究案例內(nèi)容為“酵母是不是有生命”，包括了酵母的新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖兩個(gè)探究活動(dòng)。案例由肯特州立大學(xué)的博斯頓設(shè)計(jì)，之后經(jīng)賓夕法尼亞大學(xué)生物學(xué)系沃頓和杜賀提修改完成。該探究方案中為學(xué)生提供了必要的知識(shí)基礎(chǔ)，因此適用于初高中的課堂教學(xué)或者是課外活動(dòng)。在此探究活動(dòng)中，學(xué)生通過(guò)參與科學(xué)探究，基于探究所獲得的生物學(xué)事實(shí)，理解酵母的新陳代謝和繁殖等重要概念，提升類比、推理、歸納等科學(xué)思維能力。

此外，為了適應(yīng)有限的預(yù)算，此探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)旨在用最少的設(shè)備和耗材來(lái)進(jìn)行。在探究前期，教師需要準(zhǔn)備的器材有：酵母、葡萄糖、小氣球、試管、試管架、容量至少為100 mL的容器、無(wú)菌培養(yǎng)基、顯微鏡、載玻片和蓋玻片等。學(xué)生分小組完成探究活動(dòng)。

2 探究案例展示

2.1 認(rèn)識(shí)酵母，了解生命的特征

酵母是一種棕色的顆粒，在雜貨店可以買到，在日常生活中酵母用來(lái)制作面包。你認(rèn)為酵母有一些什么特點(diǎn)？這些棕色的顆粒是生物嗎？請(qǐng)說(shuō)明原因。

在回答“酵母是不是有生命”這個(gè)問(wèn)題之前，需要先知道生命的基本構(gòu)成。即，什么是生命組織的一些基本特點(diǎn)？你可以嘗試檢測(cè)一下酵母顆粒是不是具備生命質(zhì)的兩個(gè)特點(diǎn)——新陳代謝和繁殖。

2.2 探究酵母新陳代謝

2.2.1 背景資料

人們會(huì)直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明新陳代謝。換而言之，會(huì)直接測(cè)試酵母是否具有生命有機(jī)體的特征之一——使用能量。當(dāng)酵母、人類或者其他生命體利用能量，它們就會(huì)在這一過(guò)程中消耗糖類，產(chǎn)生二氧化碳。本探究活動(dòng)中將測(cè)試酵母是不是能夠消耗糖類并產(chǎn)生二氧化碳，尤其是測(cè)試酵母在有糖或者沒(méi)糖的時(shí)候是不是會(huì)消耗糖份并產(chǎn)生氣體。

2.2.2 探究過(guò)程

（1）研究問(wèn)題：酵母會(huì)不會(huì)消耗糖并產(chǎn)生氣體？

（2）預(yù)設(shè)：你認(rèn)為在有糖的時(shí)候酵母會(huì)不會(huì)產(chǎn)生氣體？____。

你認(rèn)為在沒(méi)有糖和其他食物的時(shí)候，酵母會(huì)不產(chǎn)生氣體？____。

解釋你作這個(gè)預(yù)設(shè)的理由：____。

（3）驗(yàn)證預(yù)設(shè)。本實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

①取四只試管;分別標(biāo)號(hào)1-4。

②向試管1加入4/5試管的水，再加入一點(diǎn)來(lái)自干燥包裝中的酵母。當(dāng)酵母完全混合后，再補(bǔ)充一些酵母，然后用拇指把試管口封住，震蕩試管。將這個(gè)有酵母的水均勻倒入另外幾支試管中。

③在1號(hào)試管中加入1/2包的葡萄糖，2號(hào)試管中加入葡萄糖。這兩只試管就是實(shí)驗(yàn)組。

④在每支試管中都加入溫水至4/5的試管處。在每支試管上都套上一個(gè)氣球，以儲(chǔ)存產(chǎn)生的氣體。用氣球?qū)⒃嚬芸诿芊?，然后震蕩試管，使?nèi)容物充分混合。

⑤每5 min觀察并記錄每只試管上的氣球變化，一直到25 min。如果酵母顆粒能夠進(jìn)行新陳代謝，那么它會(huì)產(chǎn)生二氧化碳并排放到氣球中。等待這個(gè)變化過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)以測(cè)試氣體的增加。

（4）觀察實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于表1中。

（5）小組討論：你如何解釋你們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？這個(gè)結(jié)果與你的預(yù)期吻合嗎？為什么每個(gè)實(shí)驗(yàn)組不是設(shè)置一支試管，而是都設(shè)置了兩支試管？

（6）拓展延伸：當(dāng)你制作面包時(shí)，如果你僅僅混合了面粉、糖和水，這個(gè)面團(tuán)沒(méi)有發(fā)起來(lái)，那么面包就又扁又硬;如果你在面團(tuán)中加入酵母，那么面團(tuán)會(huì)變得大而松軟。你能解釋酵母是如何將面團(tuán)變大的嗎？

2.3 探究酵母生長(zhǎng)繁殖

（l）研究問(wèn)題：這些棕色的酵母小顆粒能繁殖嗎？

（2）實(shí)驗(yàn)操作：取已放置酵母生長(zhǎng)培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿，并用自己的姓名、老師和課程時(shí)間標(biāo)記培養(yǎng)皿底部（培養(yǎng)皿中的酵母生長(zhǎng)培養(yǎng)基含有酵母生長(zhǎng)所需的物質(zhì)）。在酵母顆粒上滴加幾滴水。將培養(yǎng)皿置于在370C的恒溫箱中，直到下一次實(shí)驗(yàn)課。

（3）觀察和記錄：

①在下次實(shí)驗(yàn)課，觀察培養(yǎng)皿。你是否觀察到酵母在培養(yǎng)皿中的生長(zhǎng)？將你看到的畫下來(lái)。

②取一小部分酵母，然后在顯微鏡下觀察，并描述所觀察的結(jié)果。

（4）得出結(jié)論：基于上述結(jié)果，你認(rèn)為這些棕色的酵母顆粒是不是有生命的？請(qǐng)解釋為什么有或?yàn)槭裁礇](méi)有。

3 案例評(píng)析

此案例在兩個(gè)具體的探究活動(dòng)中都基本涉及了提出問(wèn)題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、驗(yàn)證假設(shè)、交流討論、得出結(jié)論等探究的基本環(huán)節(jié)。同時(shí)為了探究的順利進(jìn)行，在探究活動(dòng)開始之前，聯(lián)系生活實(shí)際介紹了酵母，并補(bǔ)充了有關(guān)新陳代謝的知識(shí);在探究過(guò)程中，也引導(dǎo)學(xué)生討論了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的必要性等。這些與常見(jiàn)的大多數(shù)科學(xué)探究案例沒(méi)有太大的差異。但仔細(xì)分析探究的各個(gè)環(huán)節(jié)，卻可以發(fā)現(xiàn)此探究案例的獨(dú)特之處。

首先，探究的各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)。在得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生與之前的預(yù)期進(jìn)行比較;當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄完成以后，反思實(shí)驗(yàn)方案的某處設(shè)計(jì)是否合理;探究結(jié)論的得出需要綜合兩個(gè)探究活動(dòng)的結(jié)果等。這樣一方面使探究的各個(gè)環(huán)節(jié)之間變得更加緊密，另一方面也使此探究活動(dòng)更加接近于科學(xué)探究本身。在科學(xué)實(shí)踐中，科學(xué)探究的進(jìn)行往往不是直線式的推進(jìn)，而是需要多次地在各個(gè)環(huán)節(jié)之間進(jìn)行思考、比較和探索，有時(shí)甚至需要推翻之前的假說(shuō)和預(yù)期，重新開始。當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷這樣的探究活動(dòng)時(shí)，他們更能深刻地理解科學(xué)知識(shí)構(gòu)建的審慎和科學(xué)探究過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)。

其次，此探究活動(dòng)已提供了完整的實(shí)驗(yàn)步驟，并沒(méi)有要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，學(xué)生只需要按照給定方案進(jìn)行操作即可。這有別于生物學(xué)探究教學(xué)中常見(jiàn)的對(duì)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的關(guān)注。在當(dāng)下的生物學(xué)探究教學(xué)中，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案往往是教師最希望學(xué)生思考和努力的地方。其實(shí)，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)并非是科學(xué)探究和探究教學(xué)的核心和必要環(huán)節(jié)。無(wú)論是科學(xué)探究還是探究教學(xué)，其核心之一應(yīng)該是科學(xué)思維，這正是本探究活動(dòng)的另一個(gè)特點(diǎn)所在。

在此探究活動(dòng)中，論證和解釋貫穿探究活動(dòng)的始終。例如，要求學(xué)生在提出研究問(wèn)題之后進(jìn)行預(yù)設(shè)，并進(jìn)一步說(shuō)明作此預(yù)設(shè)的理由。在小組討論的環(huán)節(jié)，需要學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋。在拓展延伸部分，也是邀請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行解釋：“你能解釋酵母是如何將面團(tuán)變大的嗎？”在得出結(jié)論的時(shí)候，還是設(shè)計(jì)了學(xué)生進(jìn)行論證和解釋的環(huán)節(jié)。論證和解釋是科學(xué)思維的外顯。當(dāng)學(xué)生對(duì)預(yù)設(shè)進(jìn)行解釋時(shí)，需要對(duì)新陳代謝的資料進(jìn)行分析，進(jìn)而推理可能的結(jié)果，并將這分析和推理的過(guò)程表述出來(lái)。在解釋酵母如何將面團(tuán)變大時(shí)，需要學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并歸納其背后的生物學(xué)原理的基礎(chǔ)上，將試管中酵母產(chǎn)生的氣體與饅頭發(fā)酵的時(shí)候面團(tuán)產(chǎn)生氣體的過(guò)程及其原理進(jìn)行類比，進(jìn)而得出是酵母新陳代謝產(chǎn)生了二氧化碳等。換而言之，此探究結(jié)論的形成，也是經(jīng)過(guò)一系列環(huán)環(huán)相扣的猜想、假設(shè)、類比、推理、歸納、批判、論證等科學(xué)思維的過(guò)程。這樣的探究更加接近真實(shí)的科學(xué)探究，也是更加深入而有效的。

在進(jìn)行科學(xué)探究的時(shí)候，科學(xué)家更多的是基于問(wèn)題慎重地進(jìn)行假設(shè);再圍繞研究問(wèn)題，尋找和構(gòu)建能回答問(wèn)題的方案，并進(jìn)行實(shí)踐，得出結(jié)論。在這過(guò)程中，科學(xué)思維是科學(xué)探究中最為重要的部分。在生物學(xué)教學(xué)中，科學(xué)思維和科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的兩個(gè)重要方面，也是生物學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。在日常教學(xué)中，不少探究教學(xué)往往會(huì)流于形式，有些教師甚至?xí)榱颂骄慷骄?。雖然造成上述情況的原因是多方面的，但如果探究活動(dòng)中缺乏教師有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維，那么這樣的探究活動(dòng)只能是低效或是表面的。

探究教學(xué)應(yīng)回歸科學(xué)探究的核心和本質(zhì)，環(huán)環(huán)相扣地引導(dǎo)學(xué)生在探究的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)思考。只有更加接近于真實(shí)的科學(xué)探究，才能凸顯探究教學(xué)的價(jià)值，也才能實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

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