例談生物學(xué)核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”素養(yǎng)的培育

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究? 認(rèn)識(shí)誤區(qū)? 培育? 策略

“科學(xué)探究”是高中生物新課標(biāo)中明確的生物學(xué)四大核心素養(yǎng)之一。“科學(xué)探究”素養(yǎng)是指學(xué)生能夠發(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)施以及結(jié)果的交流與討論。在探究中，樂于并善于團(tuán)隊(duì)合作，勇于創(chuàng)新[1]。學(xué)生“科學(xué)探究”素養(yǎng)的培育要求教師在日常的教學(xué)工作中，通過學(xué)生探究能力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、提出問題的能力、制訂并實(shí)施方案的能力、獲取證據(jù)或數(shù)據(jù)的能力以及表達(dá)和交流的能力。學(xué)生僅僅簡單地學(xué)習(xí)諸如“假設(shè)”“推論”這樣的術(shù)語或者記憶諸如“科學(xué)方法的步驟”這樣的過程，是不可能真正理解“探究”本質(zhì)的，也不可能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)思維品質(zhì)。正如朱正威先生曾經(jīng)說過，最好的媒體技術(shù)也不應(yīng)替代實(shí)際的觀察和操作[2]。

一、對科學(xué)探究和操作活動(dòng)認(rèn)識(shí)的誤區(qū)

1.科學(xué)探究的“程序化”

一提起科學(xué)探究，就想到“提出問題、作出假設(shè)、根據(jù)假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析結(jié)果得出結(jié)論、表達(dá)和交流、進(jìn)一步探究”這樣一系列的程序化的操作，似乎任何科學(xué)探究都要遵循這樣的程序進(jìn)行。其實(shí)這是對科學(xué)探究“教條化”的理解，探究教學(xué)等同于傳授和套用步驟，抽取出來讓學(xué)生“自主探究”的往往是最無須思考的部分，如執(zhí)行教師設(shè)計(jì)好的探究方案、收集數(shù)據(jù)后全班匯報(bào)分享等等。沒有什么比要求學(xué)生記憶并遵循一套一成不變的步驟來理解自然現(xiàn)象離科學(xué)更遠(yuǎn)的了！

2.科學(xué)探究的“實(shí)驗(yàn)化”

談及科學(xué)探究，往往就認(rèn)為要經(jīng)過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)才能稱為科學(xué)探究。事實(shí)上，科學(xué)探究的目的之一是培養(yǎng)科學(xué)思考能力，幫助學(xué)生自發(fā)地運(yùn)用科學(xué)證據(jù)和推理，不斷發(fā)展自己的科學(xué)思維能力。因此，科學(xué)探究活動(dòng)的重點(diǎn)不是讓學(xué)生執(zhí)行程序化的步驟和得出確切的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而是研究學(xué)生的想法是如何形成和發(fā)展的、推理的過程是否合理、哪些現(xiàn)有證據(jù)可支持這個(gè)想法、進(jìn)一步檢驗(yàn)這個(gè)想法還需要尋找出哪些證據(jù)，等等。學(xué)生在反復(fù)經(jīng)歷這樣的思考過程中，學(xué)會(huì)用證據(jù)和推理說話[3]。

美國《科學(xué)探究與國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》給出了關(guān)于探究性學(xué)習(xí)的五個(gè)特征[4]：

（1）學(xué)習(xí)者圍繞科學(xué)性問題展開探究活動(dòng)。

（2）學(xué)習(xí)者要優(yōu)先考慮證據(jù)，證據(jù)可以幫助他們解釋科學(xué)性問題并予以評(píng)價(jià)。

（3）學(xué)習(xí)者要從證據(jù)中提煉出解釋，對科學(xué)性問題作出回答。

（4）學(xué)習(xí)者通過比較其他可能的解釋特別是那些體現(xiàn)出科學(xué)性理解的解釋來評(píng)價(jià)自己的解釋。

（5）學(xué)習(xí)者要交流和論證他們所提出的解釋。

上述提出的五個(gè)特征與生物新課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的科學(xué)探究的本質(zhì)是不謀而合的。同時(shí)也說明我們可以設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生了解科學(xué)探究的性質(zhì)，但應(yīng)該少些呆板的、照方抓藥式的實(shí)驗(yàn)，即使是教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也可以融入探究成分，以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力。學(xué)生參與了適宜的、循序漸進(jìn)的探究活動(dòng)，未來當(dāng)他們離開學(xué)校時(shí)，所形成的科學(xué)探究思維和方法就可以應(yīng)用于日常生活。

二、“科學(xué)探究”素養(yǎng)培育的策略

1.學(xué)會(huì)提出有價(jià)值的科學(xué)問題走進(jìn)探究

問題是探究的起點(diǎn)，但并不是所有問題都值得或適合中學(xué)生去探究。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)提出有價(jià)值的科學(xué)問題是培育“科學(xué)探究”素養(yǎng)的第一步。

例如在進(jìn)行必修一教材中“探究植物細(xì)胞吸水與失水”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師在展示生活中有關(guān)植物細(xì)胞吸水與失水的現(xiàn)象時(shí)，可以向?qū)W生提出：面對這些現(xiàn)象，你能夠提出哪些值得我們探究的問題？在具體的教學(xué)活動(dòng)中，我們發(fā)現(xiàn)，就這個(gè)現(xiàn)象學(xué)生會(huì)提出許多問題，比如：①植物細(xì)胞能夠吸水與失水嗎？②植物細(xì)胞為什么能夠吸水與失水？③植物細(xì)胞吸水與失水的原理是什么？④植物細(xì)胞吸水與失水的原理與動(dòng)物細(xì)胞一致嗎？⑤植物細(xì)胞在吸水與失水時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象與動(dòng)物細(xì)胞一樣嗎？⑥植物細(xì)胞吸水與失水要通過哪些結(jié)構(gòu)？等等。結(jié)合學(xué)生所提的問題，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生明確什么是有探究價(jià)值的問題。

有探究價(jià)值的問題的第一個(gè)特點(diǎn)是，提出的問題為一個(gè)科學(xué)問題。對上述學(xué)生提出的問題，我們首先判斷能否運(yùn)用已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解答，如果可以，就無須經(jīng)過探究解決，如問題①和⑥。

有探究價(jià)值的問題的第二個(gè)特點(diǎn)是，問題需要明確具體，后面要有一個(gè)清晰的研究思路，指向一個(gè)明確的答案。如上述問題③④⑤，指向明確。而問題②比較寬泛，研究思路的指向不明確，故舍去。

這樣，借助于具體的案例分析，有助于幫助學(xué)生初步領(lǐng)會(huì)“什么是科學(xué)問題”的含義。在課堂上，教師要善于喚起學(xué)生的問題意識(shí)，特別是當(dāng)問題來自學(xué)生時(shí)，教師要給予適當(dāng)引導(dǎo)。只有來自學(xué)生時(shí)有價(jià)值的問題才能產(chǎn)生有所收獲的探究活動(dòng)。

2.充分利用教材現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)案例體驗(yàn)探究

目前教材中提供的探究實(shí)驗(yàn)都是生物學(xué)史上一些重要的適合中學(xué)生實(shí)踐操作的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師如同中藥依方抓藥一般，借助教材所提供的實(shí)驗(yàn)程序完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)探究還沒開始，學(xué)生已經(jīng)知道了正確的答案，這對學(xué)生的好奇心和探索精神的培養(yǎng)無疑是一種扼殺。教育就是要培養(yǎng)學(xué)生的好奇心。在某種程度上，探究本身就是一種好奇心驅(qū)使的心理傾向，所以，教學(xué)中不僅要重視，更要注重滿足學(xué)生的好奇心。例如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)中，可以在實(shí)驗(yàn)材料的選取上預(yù)留出探究空間，教師除了為學(xué)生準(zhǔn)備梨、花生、大豆三類典型的實(shí)驗(yàn)材料外，還可以準(zhǔn)備面粉、番茄、馬鈴薯、甘蔗汁、食用油等容易獲取的材料為學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)材料嘗試探究提供可能，另外還可以引導(dǎo)學(xué)生思考：生物組織中是否只含有一種物質(zhì)，比如梨中是否只含有還原糖？有沒有蛋白質(zhì)？能否用梨來檢測蛋白質(zhì)？等等。這樣的學(xué)習(xí)過程，既在一定程度上滿足了學(xué)生的好奇心，又注意了書本知識(shí)與實(shí)際的聯(lián)系，讓學(xué)生了解生活中的一些常識(shí)問題。

充分利用教材中現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)案例，幫助學(xué)生體驗(yàn)探究，不僅有利于利用學(xué)習(xí)到的生物學(xué)原理和概念對探究過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象或收集到的證據(jù)進(jìn)行解釋，而且有助于學(xué)生通過相互討論和解釋引發(fā)新的問題，將實(shí)驗(yàn)證據(jù)、已有的生物學(xué)知識(shí)和他們所提出的解釋緊密聯(lián)系起來，最終解決不同觀點(diǎn)中的矛盾，提升了自身的核心素養(yǎng)。例如，在學(xué)習(xí)“探究酵母菌的呼吸方式”內(nèi)容時(shí)，學(xué)生以小組為單位，教師請每個(gè)小組結(jié)合他們已有的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)探究方案，下面是課堂中的一段對話情景：

師：下面我們來展示各小組的探究設(shè)計(jì)方案。

組1：我們小組設(shè)置了實(shí)驗(yàn)裝置，假設(shè)酵母菌在有氧和無氧條件下都可以進(jìn)行呼吸作用。我們設(shè)置了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，自變量是有無氧氣通入，以澄清石灰水是否變渾濁作為最后判定的依據(jù)。

組2：我們小組和組1比較接近，不同的是我們在無氧呼吸裝置的酵母菌培養(yǎng)液中增加了植物油密封，保證無氧環(huán)境。

生1：我覺得這樣有問題，不符合對照實(shí)驗(yàn)設(shè)置的單一變量原則。要么有氧呼吸裝置中也用植物油密封。

組3：我們小組與組1、組2有所不同，無氧呼吸裝置相同，有氧呼吸裝置中我們是將空氣先通入NaOH溶液中，再通入到酵母菌培養(yǎng)液中，以此保證酵母菌的有氧呼吸。

生2：有一個(gè)問題，你們怎么保證通入的空氣中沒有CO2呢？

（全體同學(xué)安靜）

組4：我們組方案與組3接近，但我們是通過增加一組裝置來解決通入的氣體中是否含有CO2的問題，就是把其中的活酵母改為死酵母。

……

從上面的課堂討論中可以感受到在這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中學(xué)生思維特別活躍，有些想法已經(jīng)超出了教師對教材的理解，甚至有對教材的批判與建設(shè)。這樣的探究與交流對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、合作精神、質(zhì)疑意識(shí)等學(xué)科素養(yǎng)的作用是不可估量的。

3.利用生活中的問題研究感受探究

中學(xué)生物教學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)是要培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，要能夠通過研究過程獲得關(guān)于身邊世界的理解。但不可否認(rèn)的一個(gè)事實(shí)是：學(xué)生不假思索地就能說出“滲透現(xiàn)象”發(fā)生條件，口若懸河地解答如何進(jìn)行生態(tài)農(nóng)業(yè)的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確分析出考卷上的某個(gè)家庭系譜圖中某個(gè)成員可能患有某種遺傳病的概率……但現(xiàn)實(shí)的情況是另一種情形：面對一些網(wǎng)上的調(diào)查數(shù)據(jù)（如某地區(qū)某種癌癥的發(fā)病率）深信不疑，看到某種通過浸泡可以去除農(nóng)藥殘留的方法不假思索地轉(zhuǎn)發(fā)給其他同學(xué)，等等。種種表現(xiàn)與他們接受的科學(xué)思維的養(yǎng)成目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)，說明了學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成不是僅僅通過課堂的探究學(xué)習(xí)所能達(dá)到的，更重要的一點(diǎn)是我們的許多探究活動(dòng)是遠(yuǎn)離學(xué)生生活的。所以我們的科學(xué)探究要與學(xué)生的日常生活相聯(lián)系，這樣通過探究學(xué)生才能理解、嘗試解決生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問題。

例如，高中人教版必修二中“調(diào)查人群中的遺傳病”一課，在課堂上討論調(diào)查方案時(shí)，學(xué)生覺得很簡單，首先選定一個(gè)單基因控制的發(fā)病率高的遺傳病進(jìn)行調(diào)查;其次，設(shè)計(jì)好調(diào)查表;最后，進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算出該遺傳病的發(fā)病率。然而，在進(jìn)一步的論證過程中，學(xué)生意識(shí)到調(diào)查的繁瑣性，他們必須要解決以下一些問題：①選擇何種遺傳病進(jìn)行調(diào)查？是由單基因控制的嗎？在人群中的發(fā)病率是多少？通過何種途徑認(rèn)識(shí)所要調(diào)查的遺傳病的癥狀？②如何確定一個(gè)調(diào)查范圍以確保調(diào)查結(jié)果的可信度？③如何設(shè)計(jì)一份調(diào)查記錄表？④如何進(jìn)行結(jié)果分析以得出相應(yīng)的結(jié)論？在具體進(jìn)行調(diào)查和結(jié)果分析時(shí)，學(xué)生們還遇到了事先沒有考慮到的問題，如在學(xué)校調(diào)查色盲時(shí)，一些學(xué)生并不知道自己是否患有色盲。在街頭進(jìn)行調(diào)查時(shí)，許多人對常見的一些遺傳病都不知道，而且很多被調(diào)查人不愿配合調(diào)查他們的隱私。在統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析時(shí)發(fā)現(xiàn)許多調(diào)查結(jié)果與相關(guān)的文獻(xiàn)資料提供的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，就會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣，引發(fā)學(xué)生的好奇心，學(xué)生就會(huì)進(jìn)一步地去學(xué)習(xí)、判斷、探究并嘗試解決出現(xiàn)的問題。

要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，需要教師通過生活中實(shí)際問題的探究來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)思維，尋找有價(jià)值的問題讓學(xué)生置身其中進(jìn)行研究，學(xué)生才會(huì)在研究中學(xué)得科學(xué)知識(shí)、發(fā)展科學(xué)思維、形成科學(xué)態(tài)度，這也是未來公民在創(chuàng)新型社會(huì)中生存和參與社會(huì)活動(dòng)應(yīng)具備的一種綜合能力。

4.根據(jù)教學(xué)目標(biāo)選擇合適形式有效探究

美國《科學(xué)探究與國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》列舉了學(xué)生探究過程的五個(gè)基本特征，在平時(shí)的教學(xué)中很多教師認(rèn)為，只有包含探究的五個(gè)基本特征，并且每一類學(xué)生的活動(dòng)都具有高度的自主性和探索性才能稱得上探究式學(xué)習(xí)。這樣的看法既不符合科學(xué)探究的實(shí)際，也不符合學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)。對于中學(xué)生而言，科學(xué)探究主要發(fā)展以下基本能力：觀察能力，提出問題的能力，制訂并實(shí)施方案的能力，獲得證據(jù)或數(shù)據(jù)的能力，表達(dá)和交流的能力。探究可以就其中的某一部分去展開。

在一個(gè)具體的探究中，教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行合理選擇。例如，在“探究植物細(xì)胞吸水與失水”實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)重要的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生體驗(yàn)探究活動(dòng)的完整過程;在學(xué)習(xí)達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說時(shí)，我們希望發(fā)展學(xué)生對科學(xué)探究的理解，因此，讓學(xué)生收集有關(guān)達(dá)爾文自然選擇學(xué)說的文獻(xiàn)，通過閱讀達(dá)爾文的《物種起源》以及相關(guān)的文章，要求學(xué)生討論并回答下列問題：是什么引起達(dá)爾文對雀類進(jìn)行調(diào)查研究？他的研究與其他科學(xué)家的研究有哪些差異和共同點(diǎn)？源于調(diào)查研究的科學(xué)解釋在邏輯上前后是否一致？達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說的四個(gè)要點(diǎn)是否建立在其他實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上？閱讀與討論后，學(xué)生以小組為單位，開展一次關(guān)于“探究在科學(xué)發(fā)展中的作用”的交流。思維的碰撞有助于引發(fā)學(xué)生的深度思考，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：北京師范大學(xué)，2018.

[2] 朱正威.最好的媒體技術(shù)也不應(yīng)替代實(shí)際的觀察和操作[J].生物學(xué)通報(bào)，2011（06）.

[3] 唐小為，丁邦平.“科學(xué)探究”緣何變身“科學(xué)實(shí)踐”[J].教育研究，2012（11）.

[4] 美國國家研究理事會(huì)科學(xué)數(shù)學(xué)及技術(shù)教育中心.科學(xué)探究與國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)——教與學(xué)的指南[M].羅星凱，等，譯.北京：科學(xué)普及出版社，2004.

[作者：張祥（1976-），男，江蘇揚(yáng)中人，江蘇省揚(yáng)中市教師發(fā)展中心副主任，中學(xué)高級(jí)教師。]

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