例談科學(xué)思維導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)

浙江 王家付 安徽 房 杰

(作者單位：杭州師范大學(xué)附屬未來(lái)科技城學(xué)校；安徽定遠(yuǎn)第二中學(xué))

探究實(shí)驗(yàn)一直是高考考查的熱點(diǎn)，也是教師教學(xué)的重點(diǎn)，更是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)需要在學(xué)生熟悉教材實(shí)驗(yàn)的情況下，教師通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮“催化劑”的作用，把握好教材實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問(wèn)題并運(yùn)用針對(duì)性的原創(chuàng)題訓(xùn)練學(xué)生的思維，增加學(xué)生的課堂參與度，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和科學(xué)思維的目的。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

能獨(dú)立完成“生物知識(shí)內(nèi)容表”所列的生物實(shí)驗(yàn)(活動(dòng))，包括理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、方法和操作步驟，掌握相關(guān)的操作技能，并能將這些實(shí)驗(yàn)涉及的方法和技能進(jìn)行綜合運(yùn)用，是《考試說(shuō)明》中對(duì)于實(shí)驗(yàn)與探究能力的要求。在新課教學(xué)時(shí)教師按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟的順序進(jìn)行教學(xué)，在復(fù)習(xí)課時(shí)再按此模式進(jìn)行復(fù)習(xí)，學(xué)生在答題時(shí)就會(huì)感到自身的能力的不足。

目前，教師對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析能力感到缺乏抓手，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要停留在教材實(shí)驗(yàn)。如何在近年來(lái)以教材實(shí)驗(yàn)為情境的高考題背景下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)?筆者嘗試對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如2017年全國(guó)卷Ⅰ的第29題，這道題在2017年高考中的錯(cuò)誤率非常高，其原因是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)往往側(cè)重于對(duì)細(xì)節(jié)知識(shí)的理解和記憶，缺乏對(duì)其進(jìn)行整體性的思考，在腦海中無(wú)法借用一定方法將細(xì)節(jié)知識(shí)組成一個(gè)有機(jī)整體。對(duì)此情況，教師需要利用教材中典型的實(shí)驗(yàn)案例和實(shí)驗(yàn)方法幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)思維的進(jìn)階。

二、科學(xué)思維的內(nèi)容及要求

科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。

學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步發(fā)展科學(xué)思維，如能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。

學(xué)生在日常生活中已經(jīng)形成了一定的思維方式，但青少年在處理問(wèn)題時(shí)往往感性思維比較突出，教師可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中不斷引導(dǎo)。例如“基因在染色體上”一節(jié)中，最初摩爾根認(rèn)為孟德?tīng)柕倪z傳規(guī)律是建立在可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，所以是正確的，但后來(lái)經(jīng)自己實(shí)驗(yàn)沒(méi)有取得相似結(jié)果后，他便產(chǎn)生懷疑，最后又通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)重新加以確認(rèn)。而“用進(jìn)廢退”的觀點(diǎn)就是科學(xué)思維的反例。例如，“在進(jìn)化地位上越高等的生物，適應(yīng)能力就越強(qiáng)?！比绻J(rèn)同這一觀點(diǎn)，其實(shí)就是缺乏批判性思維的表現(xiàn)。進(jìn)化的結(jié)果是占據(jù)更多的生態(tài)位，而不一定是適應(yīng)能力更強(qiáng)。由此可見(jiàn)，能力的訓(xùn)練有助于突破知識(shí)學(xué)習(xí)的瓶頸。學(xué)生要具有分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，關(guān)鍵還是要具有科學(xué)思維，而實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程正是培養(yǎng)這一能力的重要途徑。

三、科學(xué)思維導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)策略

實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)階段，需要學(xué)生從已構(gòu)建的知識(shí)體系中提煉有效信息與重要考點(diǎn)進(jìn)行綜合應(yīng)用。

1.考點(diǎn)歸納、概括提升

在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常遇到以洋蔥作為材料的實(shí)驗(yàn)習(xí)題?！耙匝笫[為材料，可以進(jìn)行哪些實(shí)驗(yàn)？”教師可以以此設(shè)問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)時(shí)將實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行歸納。如教材中用到的物質(zhì)分離方法包括以下幾點(diǎn)。

①紙層析法：分離各種色素；

②離心分離法：借助離心力使比重不同的物質(zhì)進(jìn)行分離，如提取細(xì)胞膜的實(shí)驗(yàn)；

③差速離心法：采取逐漸提高離心速度的方法分離不同大小的細(xì)胞器；

④密度梯度離心法：研究DNA半保留復(fù)制時(shí)，分離含15N的DNA和含14N的DNA；

⑤透析法：通過(guò)小分子經(jīng)過(guò)半透膜擴(kuò)散到水(或緩沖液)的原理，將小分子與生物大分子分開(kāi)的一種分離純化技術(shù)，如透析型人工腎；

⑥鹽析法：用于蛋白質(zhì)的初步純化；

⑦電泳法：利用帶電粒子在電場(chǎng)中移動(dòng)速度不同而達(dá)到分離，可以用于DNA片段的分離等；

⑧凝膠色譜：根據(jù)分子量的不同分離蛋白質(zhì)。

2.演繹過(guò)程、自主推理

在復(fù)習(xí)DNA和RNA一節(jié)中，讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，確定某新型病毒的核酸類(lèi)型。學(xué)生提出的方案有：甲基綠吡羅紅染色法、確定嘧啶種類(lèi)法、確定五碳糖種類(lèi)法、嘌呤嘧啶比例法、酶解法等。通過(guò)可操作性分析排除其中不可實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)剩下較好的實(shí)驗(yàn)方案，完善其步驟。這樣的討論，在拓展了學(xué)生思維的同時(shí)，也鼓舞了學(xué)生大膽假設(shè)的勇氣。

2017年全國(guó)卷Ⅰ第29題，要求“利用放射性同位素標(biāo)記法”確定新病毒的類(lèi)型并完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，是用該病毒分別侵染已用3H標(biāo)記的T/U的宿主細(xì)胞，分別檢測(cè)兩組子代病毒的放射性以確定病毒的類(lèi)型，這正是全卷中的亮點(diǎn)、難點(diǎn)。學(xué)生看到題目時(shí)感覺(jué)既熟悉又陌生，但思路很快轉(zhuǎn)移到可以從區(qū)別堿基種類(lèi)出發(fā)，模仿教材噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

【例1】HCV可以引起豬瘟，豬細(xì)胞是該病毒的唯一宿主。請(qǐng)用同位素標(biāo)記技術(shù)研究HCV的遺傳物質(zhì)是RNA還是蛋白質(zhì)，得到RNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路是________。

【答案】將帶有同位素標(biāo)記的HCV中的RNA和蛋白質(zhì)彼此分離，分別與豬細(xì)胞混合培養(yǎng)，觀察豬細(xì)胞是否存活

【點(diǎn)評(píng)】受題干“同位素標(biāo)記”影響，學(xué)生依據(jù)定式思維，容易得出分別用32P、35S標(biāo)記兩組病毒的RNA和蛋白質(zhì)，再讓兩組病毒各自侵染豬細(xì)胞，觀察子代病毒是否具有放射性的答案。噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的放射性情況，可以確定蛋白質(zhì)不進(jìn)入宿主細(xì)胞，從而得到DNA是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。學(xué)生錯(cuò)誤地模仿了這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程。然而此題題干中指明是“RNA病毒”，所以本實(shí)驗(yàn)應(yīng)該按照煙草花葉病毒實(shí)驗(yàn)的思路進(jìn)行演繹、推理。

3.模型建構(gòu)、提升層次

具有對(duì)一些生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行初步探究的能力，包括運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)與調(diào)查、假說(shuō)-演繹、建立模型與系統(tǒng)分析等科學(xué)研究方法。強(qiáng)化對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力，在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合一些典型探究性實(shí)驗(yàn)例題進(jìn)行引導(dǎo)，避免了空洞的灌輸。

【例2】在適宜的溫度和一定的CO2濃度等條件下，某同學(xué)對(duì)甲、乙兩個(gè)品種玉米進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)如表所示，根據(jù)表中的信息回答有關(guān)問(wèn)題：

甲、乙兩種玉米的光合作用速率

(1)比較甲、乙兩個(gè)品種的玉米，________玉米更適合在遮陰條件下生長(zhǎng)。

(2)推測(cè)甲、乙兩個(gè)品種的玉米，光合色素含量更高的是________玉米，理由是________。

【答案】(1)甲 (2)乙 相同光照條件下，乙種玉米的總光合作用速率大于甲種玉米的總光合作用速率

【點(diǎn)評(píng)】本題表格中數(shù)據(jù)較多，學(xué)生很難直接對(duì)這些數(shù)據(jù)做出有效反應(yīng)。如能將這些抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型，那么這些數(shù)據(jù)的含義將顯而易見(jiàn)(如圖所示)。

甲、乙兩品種玉米光合速率曲線

能利用數(shù)據(jù)模型將抽象的信息具體化，降低出錯(cuò)率，是實(shí)驗(yàn)與探究能力的基本要素之一。故高中階段學(xué)生需具備驗(yàn)證簡(jiǎn)單生物學(xué)事實(shí)的能力，能對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析、解釋?zhuān)⒛軐?duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.思維辨析、質(zhì)疑批判

實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)過(guò)程中還要抓住課堂生成的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的合作探究能力和邏輯推理能力，從而鼓勵(lì)學(xué)生勇敢提出質(zhì)疑。

如在生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)歷程的實(shí)驗(yàn)中，教師先提出“生長(zhǎng)素具有兩重性這一特殊性質(zhì)，那么其他植物激素也應(yīng)具有兩重性”這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)時(shí)，學(xué)生并沒(méi)有做出特別的反應(yīng)，甚至有部分學(xué)生還整理成了筆記。

然后教師對(duì)高濃度生長(zhǎng)素的抑制作用原理展開(kāi)分析：生長(zhǎng)素達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)使細(xì)胞合成更多的乙烯，而乙烯所起的作用抵消了生長(zhǎng)素的影響。其他植物激素(如赤霉素)促進(jìn)植物生長(zhǎng)的原理：赤霉素和生長(zhǎng)素一起協(xié)調(diào)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，赤霉素有利于色氨酸轉(zhuǎn)化為生長(zhǎng)素，同時(shí)抑制生長(zhǎng)素的分解，所以赤霉素不具有兩重性。教師順勢(shì)又提出“教材中并沒(méi)有提出動(dòng)物激素具有兩重性，所以動(dòng)物激素不具有兩重性”這一觀點(diǎn)。這時(shí)同學(xué)們不再安靜了，學(xué)生開(kāi)始相互討論、演繹動(dòng)物體液調(diào)節(jié)的過(guò)程。通過(guò)提問(wèn)多個(gè)小組的同學(xué)，同學(xué)們逐漸達(dá)成“正常生理狀態(tài)下的動(dòng)物生命活動(dòng)普遍受神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)”這一共識(shí)，當(dāng)動(dòng)物激素的分泌過(guò)量時(shí)，動(dòng)物體可以通過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)維持體內(nèi)激素的平衡。

四、小結(jié)與反思

傳統(tǒng)高三課堂過(guò)于倚重教輔資料整理好的知識(shí)專(zhuān)題，部分專(zhuān)題存在內(nèi)容機(jī)械、形式單一、知識(shí)相互脫節(jié)的現(xiàn)象，學(xué)生在解決綜合問(wèn)題時(shí)也會(huì)感到困難，導(dǎo)致其課堂聽(tīng)課效率不高；而科學(xué)思維組織的復(fù)習(xí)模式，是以教材經(jīng)典實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為情境，運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法探討生命現(xiàn)象并結(jié)合學(xué)生生成的問(wèn)題進(jìn)行的課堂教學(xué)，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的同時(shí)還發(fā)展了學(xué)生的高階思維。