聚焦探究實(shí)踐核心素養(yǎng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線設(shè)計(jì)

馮國慶?張夢蕓

［摘要］ 探究實(shí)踐核心素養(yǎng)作為生物學(xué)課程核心素養(yǎng)的重要組成部分，對學(xué)生能動性學(xué)習(xí)的達(dá)成與科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)至關(guān)重要。以初中生物學(xué)“根對水分的吸收”教學(xué)為例，進(jìn)行聚焦探究實(shí)踐核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，通過在具體教學(xué)過程中構(gòu)建觀察發(fā)現(xiàn)式探究、實(shí)證模擬型實(shí)驗(yàn)、遷移具身性實(shí)驗(yàn)、設(shè)問式科學(xué)讀寫，以及追問現(xiàn)實(shí)性價值為一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線，用以達(dá)成教學(xué)主題導(dǎo)入、科學(xué)方法獲取、探究程式內(nèi)化、推理探究論證與生產(chǎn)應(yīng)用認(rèn)知。

［關(guān)鍵詞］ 初中生物學(xué)；探究實(shí)踐；核心素養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)主線

隨著《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的頒布，探究實(shí)踐作為初中生物學(xué)課程的核心素養(yǎng)被明確提出，其延展、聚焦并正名了科學(xué)探究的內(nèi)涵，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生應(yīng)達(dá)成具身化科學(xué)實(shí)踐的重要性。同時，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為初中生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，對調(diào)動學(xué)生探究實(shí)踐的積極性、掌握科學(xué)探究的方法、理解生命科學(xué)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有重要的意義。然而，現(xiàn)實(shí)初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)置散亂，難以凸顯實(shí)驗(yàn)深層的研究邏輯與育人功能。為此，已有相關(guān)研究在著力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要線索，用于幫助構(gòu)建生物學(xué)知識體系，并培育學(xué)科核心素養(yǎng)?，F(xiàn)以河北少兒版初中生物學(xué)教科書“根對水分的吸收”內(nèi)容為例，進(jìn)行聚焦探究實(shí)踐核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線設(shè)計(jì)。該教學(xué)內(nèi)容主要包括根是吸水器官、根吸收水分的部位及原因。為匹配科學(xué)探究從宏觀現(xiàn)象到微觀探析、從整體認(rèn)識到原理追究的基本順序，研究者利用模擬實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、課堂探究實(shí)驗(yàn)與科學(xué)讀寫任務(wù)等方式，進(jìn)行了驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主線設(shè)計(jì)。

一、觀察發(fā)現(xiàn)式探究的教學(xué)主題導(dǎo)入

教學(xué)過程：教學(xué)剛開始時，教師播放視頻介紹本市農(nóng)業(yè)基地從國外引入的滴灌、滲灌等技術(shù)。緊接著設(shè)疑導(dǎo)入，詢問同學(xué)們通過視頻看到的新型農(nóng)業(yè)中的滴灌技術(shù)，滴灌管道中的水是如何被植物所吸收的呢？為什么滴灌是把植物所需的水滴在植物根部，而不是植物的葉子或莖等地方呢？讓學(xué)生進(jìn)行推理，回應(yīng)“根可能是植物吸收水分的主要器官”后，給學(xué)生示范課前教師準(zhǔn)備完成的“蒜苗根莖吸收水分的對比實(shí)驗(yàn)”，即稱取等量均勻生長的蒜苗、分別將莖葉和根接觸同等質(zhì)量的清水一段時間，吸掉多余水分并稱重。隨后，便讓學(xué)生根據(jù)“根部浸沒組吸水更多”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出如下問題：為何兩組實(shí)驗(yàn)需要的水需要足夠且一樣多？為何第二次稱量前要用吸水紙吸干植株表面的水分？根據(jù)質(zhì)量的差別，你能得出什么結(jié)論？

生物知識來源于實(shí)踐，應(yīng)用于生活。通過本地農(nóng)業(yè)示范園中的新型灌溉技術(shù)，迅速吸引學(xué)生的注意力，導(dǎo)入本節(jié)課的主題。通過教師的設(shè)問引導(dǎo)，順利將教學(xué)內(nèi)容過渡到“根才是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官”。此外，教學(xué)過程的后續(xù)并未直接讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，而是讓學(xué)生通過示范實(shí)驗(yàn)的觀察發(fā)現(xiàn)去進(jìn)一步確證之前情境問題的推理結(jié)論。該教學(xué)方式遵循了探究實(shí)踐素養(yǎng)生成的進(jìn)階性，即以發(fā)現(xiàn)式探究讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)現(xiàn)象的深入思考，潛移默化地涵育其對照實(shí)驗(yàn)的思路。

二、實(shí)證模擬型實(shí)驗(yàn)的科學(xué)方法獲取

教學(xué)過程：接下來，教師便詢問根有哪些特點(diǎn)適宜吸收水分，讓同學(xué)們利用放大鏡仔細(xì)觀察桌面上的玉米根部。學(xué)生在觀察發(fā)現(xiàn)后大致得出結(jié)論，即玉米根部的根毛很多。此時，教師便追問：根尖有一個長有大量根毛的根毛區(qū)，根毛多是否就有利于吸水呢？為了驗(yàn)證這一問題，讓學(xué)生按照要求，利用身邊的文具進(jìn)行毛筆吸水的模擬實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生兩兩一組將末端分叉和未分叉的不同狀態(tài)毛筆，同時插進(jìn)相同體積的水中并提起來，觀察水分的變化（整個模擬實(shí)驗(yàn)在量筒中進(jìn)行）。該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生經(jīng)由模擬的觀察得出，根毛增加了根與水接觸面積利于吸水。之后，教師出示根尖細(xì)胞圖像，提示學(xué)生從細(xì)胞壁厚薄、細(xì)胞質(zhì)多少、液泡大小對比普通植物細(xì)胞和根毛細(xì)胞的區(qū)別，結(jié)合導(dǎo)管形狀總結(jié)根毛利于吸水的微觀原因，進(jìn)而得出相應(yīng)結(jié)論。最后，教師引入諺語“根深才能葉茂”，說明越是高大的植物，根深入地下也就越深，根尖位置也就越深。

該教學(xué)過程中，學(xué)生觀察根毛區(qū)密集的根毛，形成感性認(rèn)識。之后再通過毛筆模擬實(shí)驗(yàn)，類比推理得出根毛多能增加根與水的接觸面積。這種模擬實(shí)驗(yàn)恰如美國教材中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)鼓勵學(xué)生探究那樣，在替換實(shí)驗(yàn)材料減輕學(xué)生操作負(fù)擔(dān)的同時，用直觀教具增加學(xué)生的感性認(rèn)識。采用此種模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，不僅在一定程度上幫助學(xué)生建立了形象轉(zhuǎn)化生物學(xué)模式的概念，也進(jìn)一步讓學(xué)生熟悉了對比實(shí)驗(yàn)中控制單一變量的設(shè)計(jì)原則，體悟“提出問題—做出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論”的一般科學(xué)研究方式。此外，教師借助模擬實(shí)驗(yàn)，以生物學(xué)圖像與教學(xué)引問的方式幫助學(xué)生深入思考內(nèi)在微觀機(jī)理，從而形成科學(xué)探究的意識。

三、遷移具身性實(shí)驗(yàn)的探究程式內(nèi)化

教學(xué)過程：教師引入先行組織者材料，即通過科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，植物的根毛不僅能吸水，還能在一定的條件下失水。此時，便引入了一個問題“植物在什么情況下失水，什么情況下吸水？”同時，教師給學(xué)生兩幅圖片展示“糖拌西紅柿出現(xiàn)大量滲水”及“生鮮超市防止蔬菜枯萎蔫”，從而做出推測：細(xì)胞吸水和失水可能和溶液濃度有關(guān)。緊接著，便讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證假設(shè)。此處，需要給予學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)儀器與材料，打孔器、白蘿卜、清水、高濃度鹽水、燒杯、量筒、電子秤、滴管、小刀、直尺、標(biāo)簽紙、簽字筆、吸水紙、天平等，以及課前處理的材料：利用打孔器在蘿卜上打出圓柱形長條，利用直尺切取等長的蘿卜條（約6 cm）。分別選取10根蘿卜條，平均分兩組，稱重記錄初始重量后放入標(biāo)記有A和B的燒杯中，A燒杯中裝入100 mL清水，B燒杯中裝入100 mL濃鹽水。隨后，為了給學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的腳手架，教師提出一連串的問題：實(shí)驗(yàn)變量是什么？打算分多少組？每一組如何處理才能形成對照？實(shí)驗(yàn)材料的哪些變化能幫助判斷細(xì)胞是吸水還是失水？當(dāng)學(xué)生設(shè)計(jì)完成后，邀請其中一組上臺展示自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其他人對該組的分組有沒有不同看法？除了利用他們所說的以蘿卜塊重量的變化來判斷吸水和失水外，有沒有其他的判斷依據(jù)？此處，需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：每組所用蘿卜條大小長短要一致，借助打孔器和直尺操作并作示范；每組實(shí)驗(yàn)除了溶液濃度不同外，溶液體積要一致，可以通過量筒實(shí)現(xiàn)；吸水還是失水可以參考蘿卜條的質(zhì)量、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后溶液體積及蘿卜條硬度等多個指標(biāo)，進(jìn)而讓學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于該實(shí)驗(yàn)耗時較長，故前期實(shí)驗(yàn)的材料處理可以由老師代勞，并分組浸泡于不同濃度的溶液中。最后，請學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用桌面上的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)器材，完成探究實(shí)驗(yàn)的后續(xù)步驟并將結(jié)果記錄、匯總在表格中。

學(xué)生的探究實(shí)踐不能僅限于模擬探究，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行具身化的動手實(shí)踐。正如朱正威先生所述那樣，科學(xué)探究應(yīng)當(dāng)包含發(fā)現(xiàn)式探究、推理式探究與實(shí)驗(yàn)式探究等多種類型。正因如此，該教學(xué)環(huán)節(jié)便是以遷移具身性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)探究程式的內(nèi)化。一開始的現(xiàn)實(shí)生活生物學(xué)現(xiàn)象讓學(xué)生能夠從情境出發(fā)，在激發(fā)他們學(xué)習(xí)興趣的同時，理解生命科學(xué)知識的應(yīng)用廣泛。之后，提供材料讓學(xué)生對照實(shí)驗(yàn)原則設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過展示實(shí)驗(yàn)方案同全班同學(xué)一起評價該方案的科學(xué)性，再改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)方案。此教學(xué)環(huán)節(jié)讓每一組學(xué)生真實(shí)經(jīng)歷動手動腦的學(xué)習(xí)實(shí)踐過程，經(jīng)由反思審辨向他們滲透科學(xué)共同體的基本意識。由于時間的關(guān)系，每組學(xué)生只進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，但是全班每一組就可以看成是實(shí)驗(yàn)的重復(fù)，這樣就滿足了探究實(shí)驗(yàn)的重復(fù)原則?？梢?，無論是前期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原則與探究方法的遷移應(yīng)用，還是后續(xù)從定性到定量的測量統(tǒng)計(jì)與求平均值的工作，既能讓學(xué)生參與探究實(shí)驗(yàn)過程，也能讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)最重要的數(shù)據(jù)收集和處理、分析等環(huán)節(jié)。

四、設(shè)問式科學(xué)讀寫的推理探究論證

教學(xué)過程：從之前的教學(xué)流程繼續(xù)向下延展，滿足了濃度差是植物吸水的前提，那外界的水分要通過哪些障礙才能進(jìn)入植物體內(nèi)，到達(dá)需水的根、莖、葉等器官呢？此時，教師則向?qū)W生展示根毛細(xì)胞與土壤顆粒接觸示意圖，以及根部導(dǎo)管與莖、葉導(dǎo)管相鏈接示意圖，并讓學(xué)生逐一思考如下問題，梳理出水分進(jìn)入植物體內(nèi)到達(dá)需水部位的途徑。為了便于學(xué)生回答，教師同樣給出問題鏈：土壤中的水分先經(jīng)過哪些結(jié)構(gòu)進(jìn)入根毛細(xì)胞液泡？進(jìn)入根毛液泡后其濃度增加還是降低？與其緊鄰的內(nèi)層細(xì)胞相比，水分朝哪個方向移動？如何運(yùn)輸?shù)降厣系那o和葉？當(dāng)完成問題鏈鋪陳后，教師讓學(xué)生繪制出水分進(jìn)入根毛細(xì)胞，以及進(jìn)入植物體內(nèi)的途徑：土壤溶液→細(xì)胞壁→細(xì)胞膜→細(xì)胞質(zhì)→液泡（根毛細(xì)胞）→根毛以內(nèi)層層細(xì)胞→根部導(dǎo)管→莖、葉、花、果實(shí)，并給予正確的示例。

科學(xué)教育中大多數(shù)結(jié)論的得出并非來源于一手的自身實(shí)驗(yàn)，其探究過程往往是基于證據(jù)資料的二手推理。正因如此，教師讓學(xué)生閱讀相關(guān)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖片，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑繪制的科學(xué)寫作。在充分了解了植物吸水和失水的原理后，科學(xué)閱讀的素材提供讓學(xué)生可以結(jié)合根毛細(xì)胞與土壤溶液間的位置關(guān)系，以及根毛細(xì)胞與內(nèi)層細(xì)胞、導(dǎo)管之間的位置關(guān)系，分析出水分進(jìn)入植物體內(nèi)到達(dá)需水部位的途徑。而此途徑繪制的科學(xué)寫作，不僅展示了學(xué)生的思維過程，展示其基本生物學(xué)知識，也作為評價學(xué)生推理論證結(jié)果的手段，讓學(xué)生通過該任務(wù)的完成情況反饋?zhàn)陨淼膶W(xué)習(xí)過程。

五、追問現(xiàn)實(shí)性價值的生產(chǎn)應(yīng)用認(rèn)知

教學(xué)過程：為進(jìn)一步讓學(xué)生透過所學(xué)知識理解現(xiàn)實(shí)世界，追問學(xué)生教室里種的仙人掌和綠蘿，對它們的澆水量是否一樣？同時，展示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：水稻、小麥與玉米的年平均需水量分別為811g、507g和368g，同種水稻不同生長階段的需水量，分蘗初期、出穗初期、出穗末期、成熟期、成熟后期的需水量分別為1064g、410g、232g、315g、108g，讓學(xué)生依據(jù)其對科學(xué)種田提出建議。之后，便引入一組資料：植物的生長離不開水，要想植物生長良好，勤于澆水固然是重要的，但是我國水資源并不豐富，南北水資源分布極度不均勻，農(nóng)業(yè)上澆水就不能太任性，因?yàn)椴缓侠淼臐菜芸赡茉斐伤Y源的浪費(fèi)。針對此，科研工作者開發(fā)了節(jié)水灌溉的新方法——滴灌和滲灌等模式，請同學(xué)們自學(xué)課后知識“開眼界”，了解滴灌和滲灌等的優(yōu)勢。最后，讓學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)內(nèi)容去思考并解決如下問題：你如何保證給你家植物施肥時不會造成“燒苗”？海洋植物為何不會有“燒苗”現(xiàn)象的發(fā)生？鹽堿地為什么叫不毛之地，但一種叫堿篷的植物卻能在這里很好地生長？能否知道今天使用的材料蘿卜細(xì)胞的細(xì)胞液濃度？

從科學(xué)資料中分析出有用信息是初中生應(yīng)該具備的基本能力。通過簡單的統(tǒng)計(jì)圖表提取有用信息，讓學(xué)生明白科學(xué)種植中的生物學(xué)原理，并能將其應(yīng)用于生活，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更高效、更合理，通過了解新型農(nóng)業(yè)中科技的應(yīng)用，呼應(yīng)課堂的導(dǎo)入，在回顧農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的科學(xué)社會史時，宣揚(yáng)社會責(zé)任。最后的整個課后自主探究實(shí)踐的任務(wù)布置，是在追問所學(xué)知識的現(xiàn)實(shí)性價值，讓學(xué)生能夠運(yùn)用課堂所學(xué)知識，突破固守課堂時空的壁壘，激發(fā)思維火花，以創(chuàng)造性地解決問題。

［參考文獻(xiàn)］

［1］丁奕然，李雁冰.《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》解讀與教學(xué)建議[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)（基礎(chǔ)教育版），2022，23（03）.

［2］周敏，王薦.延展教學(xué)主線的“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”課堂實(shí)踐[J].中小學(xué)班主任，2021（06）.

［3］張桂梅.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的初中生物學(xué)“主線教學(xué)”：以蘇科版“植物的生殖（第一課時）”教學(xué)為例[J].基礎(chǔ)教育課程，2019（Z1）.

［4］康健秋，禹娜.針對特殊學(xué)生的通用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)理念：以美國生物實(shí)驗(yàn)教材《鼓勵學(xué)生生物學(xué)探究》為例[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（04）.

［5］丁奕然，呂立杰，任小文.朱正威生物教育思想的時代回響：兼論對生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的啟示[J].課程·教材·教法，2019，39（05）.

［6］董清，丁奕然.以科學(xué)讀寫踐行深度學(xué)習(xí)的生物學(xué)教學(xué)研究[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)（基礎(chǔ)教育版），2021，22（01）.

馮國慶? ?四川外國語大學(xué)附屬外國語學(xué)校。

張夢蕓? ?四川外國語大學(xué)附屬外國語學(xué)校。