基于科學(xué)本質(zhì)觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探
——以《綠色植物與生物圈中的碳—氧平衡》為例

張樂喜

（江蘇省南京市致遠(yuǎn)初級中學(xué)，江蘇南京 210019）

生物學(xué)科是自然科學(xué)的重要組成部分，作為基礎(chǔ)教育中學(xué)生首先接觸到的自然學(xué)科，其課程性質(zhì)和內(nèi)涵對學(xué)生逐步認(rèn)清科學(xué)的性質(zhì)、把握科學(xué)本質(zhì)有重要的啟蒙意義。李德曼教授認(rèn)為，科學(xué)本質(zhì)是科學(xué)認(rèn)識論，科學(xué)是一種獲得知識的途徑，或與科學(xué)知識的發(fā)展相一致的價(jià)值和信念。我國《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 版）》明確提出自然科學(xué)本質(zhì)不僅包括豐富的科學(xué)知識體系，也包括人類認(rèn)識自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究過程。簡而言之，科學(xué)本質(zhì)既是科學(xué)的認(rèn)識世界的認(rèn)識論，也是科學(xué)探究的方法論的內(nèi)涵體現(xiàn)。因此，科學(xué)探究是領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)的重要方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是科學(xué)探究的重要載體。本文以江蘇科學(xué)技術(shù)出版社出版的《生物學(xué)》第十八章第二節(jié)《綠色植物與生物圈中的碳—氧平衡》為例，淺談在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中幫助學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)的策略。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)——真實(shí)情境

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要有機(jī)組成，基于科學(xué)本質(zhì)觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)不僅僅是達(dá)成課堂知識和目標(biāo)的途徑之一，更有豐富的內(nèi)涵，有其自身價(jià)值和需要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)認(rèn)識世界的一種手段，科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)社會的發(fā)展，科學(xué)本質(zhì)與社會文化息息相關(guān)，教師如能充分挖掘?qū)嶒?yàn)更廣義的價(jià)值和目標(biāo)，對幫助學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)有重要的引導(dǎo)意義。

“說明綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡”是一級主題“生物圈中的綠色植物”下的“綠色植物對生物圈有重大作用”的具體內(nèi)容，通過參與18 章的學(xué)習(xí)，能構(gòu)建“綠色植物在生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色，它能制造有機(jī)物和氧氣”這一重要概念。學(xué)科體系上看本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容是形成初步的生態(tài)觀、人與自然和諧相處觀念的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而學(xué)生的生態(tài)意識的構(gòu)建需要以綠色植物光合作用概念為基礎(chǔ)，并受眾多的生活中感性認(rèn)知的影響，他們能關(guān)注社會熱點(diǎn)中的生物學(xué)議題，關(guān)注植物對生產(chǎn)生活的影響，但在嘗試解決現(xiàn)實(shí)生活中的生物學(xué)問題這一方面較為欠缺，能接受保護(hù)生態(tài)環(huán)境建議，但行動不足，在主動參與社會宣傳和實(shí)踐方面有待提高。因此，“綠色植物在光下進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生二氧化碳并釋放氧氣”系列實(shí)驗(yàn)是達(dá)成本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容重要方法，也是落實(shí)社會責(zé)任的良好載體。

基于以上分析，“綠色植物吸收二氧化碳”這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：進(jìn)行兩個(gè)變量的實(shí)驗(yàn)探究，包括變量分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、過程實(shí)施、結(jié)果記錄、成果匯報(bào)等關(guān)鍵流程；闡明綠色植物的光合作用吸收二氧化碳；說明綠色植物在維持生物圈中的碳—氧平衡的重要作用；運(yùn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)論，參與《巴黎協(xié)定》的討論，并對這一實(shí)際問題提出有效舉措；逐漸養(yǎng)成低碳的生活方式，嘗試宣傳植物的生態(tài)價(jià)值，影響自己和身邊人。

（二）實(shí)驗(yàn)情境

科學(xué)本質(zhì)觀的要求下，科學(xué)是社會與文化的一部分。科學(xué)本質(zhì)觀下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對有關(guān)科學(xué)的本質(zhì)的集合，即不僅要對探究實(shí)驗(yàn)理解，也要發(fā)展學(xué)生對探究本身的理解。教師在教學(xué)中應(yīng)多角度、多途徑地抓住客觀證據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生承擔(dān)多種角色，找到與自身經(jīng)歷的契合點(diǎn)，以達(dá)到用主觀的方式理性地領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵。這就要求情境具有一定的開放性、多元性、歷史性、社會性，而這種復(fù)雜的真實(shí)情境往往是真實(shí)的歷史、人文、社會等多因素的，是教師根據(jù)自己經(jīng)驗(yàn)假想搭構(gòu)的模擬情境所不能替代的。

因此，基于科學(xué)本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，切忌教師僅憑借自身經(jīng)驗(yàn)鋪設(shè)虛假情境，忽視學(xué)習(xí)主體的獨(dú)特性，為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，為了解決問題而解決問題。教師應(yīng)精心挑選科學(xué)史實(shí)、實(shí)際案例、社會議題等真實(shí)情境，結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的情境，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)地參與學(xué)習(xí)活動，主動轉(zhuǎn)變角色，承擔(dān)學(xué)習(xí)任務(wù)，體驗(yàn)科學(xué)過程。

本節(jié)課開始，教師提供G20 峰會及氣候變化《巴黎協(xié)定》，引導(dǎo)學(xué)生用智慧課堂中的平臺就這一社會熱點(diǎn)中的生物學(xué)議題展開討論。通過討論，得出討論結(jié)果：溫室效應(yīng)的解決需要控制二氧化碳。學(xué)生借助前概念，就生物圈中的二氧化碳進(jìn)行模型建構(gòu)，找到認(rèn)知沖突即工業(yè)燃燒、微生物、其他生物都會產(chǎn)生二氧化碳，通過分析推理，發(fā)現(xiàn)植物與二氧化碳之間的聯(lián)系，就此展開實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行科學(xué)探究。本節(jié)課是用真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會議題，激發(fā)學(xué)生參與探究的動機(jī)，引起學(xué)生情感上的共鳴。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程——學(xué)習(xí)主體的科學(xué)探究

（一）科學(xué)本質(zhì)觀下的科學(xué)探究要求

科學(xué)本質(zhì)觀下的科學(xué)探究應(yīng)具備實(shí)踐性要求。科學(xué)探究的學(xué)習(xí)主體是學(xué)生，學(xué)生應(yīng)有參與科學(xué)探究的動機(jī)、角色和方法，學(xué)生在科學(xué)探究的真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境中是否能找到自己的經(jīng)驗(yàn)作為探究證據(jù)，是否在探究過程中讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)探究過程并解決問題。新課標(biāo)要求要面向全體學(xué)生，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)中倡導(dǎo)分組實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)小組中，每位學(xué)生都能找到相應(yīng)的角色，這樣科學(xué)探究才能真實(shí)地進(jìn)行。

科學(xué)本質(zhì)觀下的科學(xué)探究應(yīng)具備綜合性要求。隨著新設(shè)備、新材料、新技術(shù)的發(fā)展，生物實(shí)驗(yàn)可以更加簡化、準(zhǔn)確、易操作。如果教師不善于使用，一味簡化實(shí)驗(yàn)，將簡化學(xué)生自主體驗(yàn)探究嘗試解決真實(shí)問題的過程，而這個(gè)過程恰恰是初中階段的生物教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)的外顯過程。教師作為教學(xué)指導(dǎo)者和引導(dǎo)者，要明確學(xué)生是學(xué)習(xí)主體，科學(xué)探究不僅是科學(xué)知識的獲取途徑，還是觀察、猜測、推理、分析、質(zhì)疑等技能，更是認(rèn)識世界的思維方法?？茖W(xué)探究是發(fā)現(xiàn)科學(xué)、認(rèn)識科學(xué)、理解科學(xué)、表達(dá)科學(xué)最終融合的整體。

（二）實(shí)驗(yàn)的三次改進(jìn)

“綠色植物吸收二氧化碳”在教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中有兩個(gè)變量，陽光和二氧化碳。相較于其他版本的教材，蘇科版的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)具有可操作性，部分學(xué)生可參與關(guān)鍵過程的實(shí)驗(yàn)探究。蘇科版中，設(shè)置甲乙丙三組，甲有植物、黑暗、往內(nèi)吹二氧化碳；乙有植物、有光照、往內(nèi)吹二氧化碳；丙無植物、有光照、往內(nèi)吹二氧化碳。分析發(fā)現(xiàn)，有兩組對照，甲乙一組，變量是光照，乙丙一組，變量是植物。檢測方法是經(jīng)過12 小時(shí)，往大廣口瓶滴加BTB 試劑，觀察顏色。這個(gè)實(shí)驗(yàn)歷時(shí)長，可操作性較差，且有很多干擾因素，例如吹入的二氧化碳量，檢測需要打開廣口瓶會有氣體流通等都會影響到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)僅為科學(xué)知識的證據(jù)，學(xué)生僅參與最終的現(xiàn)象分析并得出結(jié)論。因此，筆者對“綠色植物吸收二氧化碳”這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)裝置等做了三次改進(jìn)，現(xiàn)對其效果進(jìn)行列表比較，詳見附表。

通過改進(jìn)，最終的第四次實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生在課堂上完成的、可參與全過程的實(shí)驗(yàn)，且使各個(gè)層級的學(xué)習(xí)主體都能在實(shí)驗(yàn)中有收獲。

另一版本的教材對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)是使用傳感器，直接檢測箱中二氧化碳和氧氣的動態(tài)數(shù)值變化，分析數(shù)據(jù)并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。筆者認(rèn)為，直接通過這種高度結(jié)構(gòu)化的傳感器讀取數(shù)值，學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體在實(shí)驗(yàn)中掌握器材和軟件使用、讀取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)即可，高度結(jié)構(gòu)化的設(shè)備不僅簡化了實(shí)驗(yàn)過程，也剝奪了科學(xué)探究的過程。對于義務(wù)教育階段的學(xué)生，數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論也許能幫助他們獲得科學(xué)知識，但數(shù)據(jù)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以讓他們感知、認(rèn)識和領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的落腳點(diǎn)——真實(shí)問題的解決

科學(xué)探究是科學(xué)本質(zhì)觀的重要組成，科學(xué)探究是獲得科學(xué)知識的一種方法，也是一種研究和看待世界的思維方式，科學(xué)本質(zhì)觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求我們用生物學(xué)思維看待世界，科學(xué)探究的終點(diǎn)不應(yīng)是實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出，實(shí)驗(yàn)的目的也不僅僅是得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出后，教師鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)交流，科學(xué)的世界是開放的，探究的過程是主動的，學(xué)生在匯報(bào)交流中，教師有針對性地指導(dǎo)學(xué)生用生物學(xué)語言描述世界。最終，經(jīng)歷全過程的科學(xué)探究之后，實(shí)驗(yàn)的結(jié)論得出是為了解決真實(shí)情境中的真實(shí)問題，或者引發(fā)新一輪探究，直到問題的暫時(shí)解決。

在這節(jié)課中，學(xué)生通過表達(dá)交流得出結(jié)論：綠色植物在光下進(jìn)行光合作用吸收二氧化碳。得出的這一科學(xué)知識，能解決之前對生物圈建模過程中遇到的認(rèn)知沖突，補(bǔ)充學(xué)生對生物圈中二氧化碳的循環(huán)，且教師引導(dǎo)后發(fā)現(xiàn)這是唯一一條進(jìn)入生物體的路徑，繼而引導(dǎo)學(xué)生理解植物在生物圈中的作用。同時(shí)，學(xué)生進(jìn)一步思考植物和氧氣的關(guān)系，展開新一輪的科學(xué)探究。

學(xué)生能否在真實(shí)情境下解決真實(shí)問題，可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)評價(jià)指標(biāo)。例如，在本節(jié)課最后，教師拋出問題：“《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)之一就是21 世紀(jì)下半葉，全球要達(dá)到二氧化碳凈零排放，我們該做些什么？”學(xué)生進(jìn)行討論交流，得出應(yīng)該多種樹、多采用低碳生活方式等。

四、科學(xué)本質(zhì)觀的內(nèi)涵發(fā)展

基于科學(xué)本質(zhì)觀的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境下，通過科學(xué)探究，用生物學(xué)思維看待世界，用生物學(xué)語言描述世界，逐步領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)。科學(xué)的發(fā)展與社會文化息息相關(guān)，生物與社會生活不可分割，對此，筆者對科學(xué)本質(zhì)的科學(xué)探究之外的內(nèi)涵發(fā)展有些新思考。

基于科學(xué)本質(zhì)觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要真實(shí)的社會情境引導(dǎo)學(xué)生參與社會熱點(diǎn)、議題的討論，引導(dǎo)學(xué)生解決真實(shí)的社會問題，可以鼓勵(lì)學(xué)生基于生物學(xué)知識，參與個(gè)人與社會事務(wù)的討論，做出理性解釋和判斷，解決生產(chǎn)生活問題，這正是社會責(zé)任的主要內(nèi)涵。科學(xué)本質(zhì)觀，是指向?qū)W(xué)生培養(yǎng)成具有生態(tài)意識、參與環(huán)保實(shí)踐、建設(shè)祖國“綠水青山”的有社會責(zé)任的人。因此，科學(xué)本質(zhì)觀具有外顯的育人價(jià)值，而基于科學(xué)本質(zhì)觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一條可行的路徑。

“綠色植物吸收二氧化碳”的四次改進(jìn)對比