中圖分類號(hào):G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0450-9889(2025)14-0108-04
當(dāng)前高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在兩大突出問(wèn)題:一是舍本逐末,教師直接把結(jié)論或規(guī)律告訴學(xué)生,導(dǎo)致學(xué)生運(yùn)用講、記、練的方式替代動(dòng)手操作,學(xué)生只能死記硬背以應(yīng)付考試;二是簡(jiǎn)單模仿,即教師按照教材按部就班地展示實(shí)驗(yàn)裝置,學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到已知結(jié)果,學(xué)生雖然參加了動(dòng)手操作,但科學(xué)探究意識(shí)和創(chuàng)造性思維沒(méi)有得到很好的培養(yǎng)。長(zhǎng)此以往,將導(dǎo)致學(xué)生只能按照預(yù)先設(shè)定好的實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到教材中的結(jié)果,難以對(duì)有價(jià)值的問(wèn)題進(jìn)行研究。本研究以論證式教學(xué)為抓手,聚焦教學(xué)實(shí)踐,探尋突破高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境的新路徑。
一、論證式教學(xué)的內(nèi)涵
“論證”一詞最早建立在邏輯學(xué)的研究上,后來(lái)一些科學(xué)家認(rèn)為論證是對(duì)不同觀點(diǎn)或相互矛盾的思想,通過(guò)提出假設(shè)然后尋找證據(jù)進(jìn)而得出結(jié)論的過(guò)程。論證式教學(xué)是將科學(xué)領(lǐng)域的論證引入課堂,使學(xué)生在理解科學(xué)理念和科學(xué)精髓的同時(shí),親歷類似科學(xué)家論證的過(guò)程,并以此推動(dòng)自己的思維發(fā)展。這一教學(xué)模式既注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果、最后的結(jié)論,又注重論證質(zhì)量、論證過(guò)程,能夠發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。學(xué)生在假設(shè)和預(yù)測(cè)、嘗試驗(yàn)證假設(shè)的過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、尋找證據(jù)、作出評(píng)價(jià)以及相互修正,時(shí)刻進(jìn)行著深度思考和探究。由于學(xué)生在論證式教學(xué)中參與了辯論和探討,能夠積極主動(dòng)地參與學(xué)習(xí),從而展示出對(duì)科學(xué)現(xiàn)象的不同理解甚至超越,這不僅能夠加強(qiáng)師生之間的互動(dòng),而且能夠深化學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解,進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。
二、論證式教學(xué)的框架
論證式教學(xué)一般包括提出問(wèn)題、解釋、觀點(diǎn)猜想、支持或辯駁、得出結(jié)論等五個(gè)步驟(如圖1所示)。學(xué)生通過(guò)經(jīng)歷抽絲剝繭的過(guò)程,主動(dòng)參與學(xué)習(xí),獲取信息,尋找證據(jù),檢驗(yàn)假設(shè)。教師作為引導(dǎo)者,需精心設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的探究任務(wù),從簡(jiǎn)單的現(xiàn)象觀察到復(fù)雜的原理推導(dǎo),逐步引領(lǐng)學(xué)生深入探究知識(shí)的本質(zhì)。
這一過(guò)程以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體,從研究問(wèn)題的提出,到資料分析,再到辯駁論證,這樣一個(gè)邏輯嚴(yán)密、學(xué)生充分參與的論證過(guò)程,潛移默化地影響著學(xué)生的思維習(xí)慣,他們不再滿足于被動(dòng)接受知識(shí),而是主動(dòng)在探究中挖掘問(wèn)題本質(zhì),面對(duì)分歧敢于各抒己見(jiàn),在思維碰撞中不斷完善、優(yōu)化自己的認(rèn)知,加深對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解并發(fā)展批判性思維,掌握科學(xué)探究方法。長(zhǎng)此以往,學(xué)生將不僅在生物學(xué)領(lǐng)域建立起牢固的知識(shí)體系,而且將科學(xué)思維與態(tài)度融入日常學(xué)習(xí)與生活,為未來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展鋪就堅(jiān)實(shí)且富有活力的道路。
三、高中生物學(xué)論證式教學(xué)實(shí)例
“探索酵母菌細(xì)胞呼吸方式”一節(jié)是人教版普通高中生物學(xué)教科書(shū)必修1第5章第3節(jié)的實(shí)驗(yàn),學(xué)生需探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式并檢測(cè)其產(chǎn)物 CO2 和酒精。論證式教學(xué)以其獨(dú)特的教學(xué)邏輯,為該實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了科學(xué)且高效的實(shí)施路徑;在論證式教學(xué)的框架下,“探索酵母菌細(xì)胞呼吸方式”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程被賦予了更具邏輯性和思辨性的色彩(教學(xué)流程如圖2所示)。
(一)情境激趣,觸發(fā)疑惑
師:提到酵母菌,你會(huì)想到它有哪些用途呢?
生:制作面包、饅頭,釀制葡萄酒。
師:是的,酵母菌和我們的生活息息相關(guān),廣泛用于制作面包、饅頭和釀制葡萄酒。在制作面包、饅頭的過(guò)程中添加酵母菌后,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),面團(tuán)的氣孔很多,面團(tuán)變得松軟。家里釀制葡萄酒的時(shí)候,發(fā)酵罐必須密封,并不定期排出罐中的氣體。
師:接下來(lái),我們一起梳理探究思路。要探究酵母菌在有氧和無(wú)氧條件下的呼吸產(chǎn)物,關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)變量。對(duì)有氧組,我們要確保氧氣持續(xù)充足供應(yīng),可利用氣泵連接玻璃管,將空氣緩慢通入酵母菌培養(yǎng)液中,讓酵母菌充分進(jìn)行有氧呼吸;而無(wú)氧組,需將盛有酵母菌培養(yǎng)液的錐形瓶嚴(yán)密封閉,杜絕氧氣進(jìn)入,構(gòu)建無(wú)氧環(huán)境。
師:實(shí)驗(yàn)中,我們用澄清石灰水來(lái)捕捉二氧化碳的蹤跡,石灰水變渾濁就是二氧化碳生成的有力信號(hào),渾濁程度還能大致反映二氧化碳產(chǎn)生量的多少。至于酒精,準(zhǔn)備好酸性重鉻酸鉀溶液,無(wú)氧發(fā)酵一段時(shí)間后,取培養(yǎng)液樣本滴加酸性重鉻酸鉀溶液,若溶液顏色從鮮橙色變成灰綠色,便確鑿證明了酒精的存在?,F(xiàn)在,大家以小組為單位,開(kāi)始動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)啟這場(chǎng)探索酵母菌呼吸奧秘的奇妙之旅,記得仔細(xì)觀察、如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
設(shè)計(jì)意圖:教師利用生活中的證據(jù)引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)酵母菌細(xì)胞呼吸能夠產(chǎn)生 CO2 使面包變得松軟多孔,并且在密封無(wú)氧的條件下,它能夠產(chǎn)生酒精。那么事實(shí)上是不是這樣?就需要引導(dǎo)學(xué)生去探究。于是自然而然地引出接下來(lái)的猜想與探究。
(二)問(wèn)題導(dǎo)向,解釋猜想
師:我們今天要探討的問(wèn)題是,根據(jù)我們的生活經(jīng)驗(yàn)和酵母菌的相關(guān)信息,探究酵母菌的呼吸方式和呼吸生成物分別有哪些。你們會(huì)作出什么樣的假設(shè)?
生:我們的假設(shè)是酵母菌有氧呼吸生成 CO2 ,無(wú)氧呼吸生成 CO2 和酒精。
師:接下來(lái)我們需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),搜集證據(jù),驗(yàn)證同學(xué)們做出的假設(shè)是否正確。
教師活動(dòng):教師播放視頻,展示學(xué)生課前利用過(guò)氧化氫和新鮮的肝臟研磨液制取氧氣的過(guò)程,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比的方法尋找本實(shí)驗(yàn)的自變量及控制自變量的方法。
師:那么,因變量是什么,如何檢測(cè)?是否產(chǎn)生CO2 或酒精?
學(xué)生活動(dòng):學(xué)生搜集資料,發(fā)現(xiàn)可以用溴麝香草酚藍(lán)溶液檢測(cè) CO2 ,即當(dāng)存在 CO2 時(shí),溶液由藍(lán)色變?yōu)榫G色,再變?yōu)辄S色;可以用酸性重鉻酸鉀溶液檢測(cè)酒精,當(dāng)存在酒精時(shí),溶液由橙色變?yōu)榛揖G色。
師:第三步,請(qǐng)思考實(shí)驗(yàn)的無(wú)關(guān)變量有哪些,如何控制。
學(xué)生活動(dòng):學(xué)生思考教師提出的問(wèn)題,認(rèn)為酵母菌菌種、培養(yǎng)液的體積、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時(shí)間等為該實(shí)驗(yàn)中的無(wú)關(guān)變量,保持這些條件相同且適宜即可控制無(wú)關(guān)變量。
師:明確了變量,接下來(lái)我們一起設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。
師生活動(dòng):師生一起設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。有氧呼吸實(shí)驗(yàn)組,將酵母菌培養(yǎng)液置于帶塞錐形瓶中,通過(guò)玻璃管連接氣泵,持續(xù)通入經(jīng)NaOH溶液凈化的空氣,確保進(jìn)入的空氣中不含二氧化碳;無(wú)氧呼吸實(shí)驗(yàn)組,同樣將酵母菌培養(yǎng)液放入錐形瓶,迅速用橡膠塞密封,隔絕空氣,營(yíng)造無(wú)氧環(huán)境。而對(duì)于無(wú)關(guān)變量,選用同一批次、活力相近的酵母菌菌種,嚴(yán)格量取相同體積的培養(yǎng)液,把兩組實(shí)驗(yàn)裝置放置在恒溫培養(yǎng)箱中,維持適宜且相同的溫度,并且控制培養(yǎng)時(shí)間一致。
師:現(xiàn)在,請(qǐng)各小組依據(jù)我們梳理的步驟,著手組裝實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)啟探索之旅,期待大家通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的假設(shè)。
學(xué)生活動(dòng):學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn),收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生定時(shí)觀察因變量的變化。每隔一段時(shí)間,從有氧組和無(wú)氧組培養(yǎng)液中各取適量上層清液,分別滴加溴麝香草酚藍(lán)溶液,記錄溶液從藍(lán)色變?yōu)榫G色再變成黃色所需時(shí)間,對(duì)比兩組二氧化碳產(chǎn)生速率。在無(wú)氧組反應(yīng)一定時(shí)長(zhǎng)后,取少量培養(yǎng)液,緩慢滴加酸性重鉻酸鉀溶液,仔細(xì)觀察溶液顏色是否從橙色轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色,以此判斷酒精是否生成[2]。
設(shè)計(jì)意圖:在設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,教師利用問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生逐步突破實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn),類比已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),不斷完善、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),最后整理出完整清晰的實(shí)驗(yàn)步驟。以問(wèn)題為導(dǎo)向,學(xué)生才能真正深入思考,從而促使他們透徹地理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程,明晰每項(xiàng)操作的意圖和作用,進(jìn)而才能科學(xué)、精準(zhǔn)地操作實(shí)驗(yàn)以印證前面提出的各種猜想。
(三)尋找證據(jù),梳理歸納
師:好,我們的實(shí)驗(yàn)時(shí)間到了。下面我們來(lái)聽(tīng)聽(tīng)同學(xué)們通過(guò)實(shí)驗(yàn)之后都收集到了什么證據(jù),結(jié)果與預(yù)期假設(shè)是否一致?不一致的話,會(huì)提出什么新的主張?
學(xué)生活動(dòng):小組代表分別進(jìn)行分享。
師:你們對(duì)之前的假設(shè)做出什么主張?你們小組提出什么疑問(wèn)?
生1:在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn)有氧與無(wú)氧兩個(gè)組都沒(méi)有檢測(cè)到酒精。是不是反應(yīng)時(shí)間短,無(wú)氧組的溶液中存在氧氣?
師:先解決第一個(gè)問(wèn)題,有請(qǐng)研究性小組成員代表展示他們的研究結(jié)果。
生2:我們小組運(yùn)用了三種方法進(jìn)行酒精的檢測(cè)。第一種方法是,酵母菌培養(yǎng)液反應(yīng)較長(zhǎng)一段時(shí)間后,從有氧組和無(wú)氧組各取 2mL 培養(yǎng)液,分別向其中加入 0.5mL 酸性重鉻酸鉀,靜置較長(zhǎng)一段時(shí)間后,無(wú)氧組觀察到灰綠色。第二種方法是利用酒精的揮發(fā)性進(jìn)行檢測(cè),測(cè)得在試管壁有少量的灰綠色。第三種方法是用呼吸式酒精測(cè)試儀對(duì)酒精進(jìn)行檢測(cè),測(cè)得有氧組酒精濃度為0、無(wú)氧組酒精濃度為1.3g/L 。通過(guò)三種方法檢測(cè),我們總結(jié)得出有氧組沒(méi)有產(chǎn)生酒精,無(wú)氧組產(chǎn)生酒精,量較少。
生3:我們?cè)谡n前3小時(shí)利用抽氣泵和食品密封袋制作酵母菌培養(yǎng)液無(wú)氧環(huán)境,在適宜溫度下進(jìn)行培養(yǎng),再利用 CO2 測(cè)試儀和呼吸式酒精測(cè)試儀分別檢測(cè) CO2 和酒精。我們得到了不同時(shí)間段有氧組和無(wú)氧組的 CO2 數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn),有氧組 CO2 產(chǎn)生速率更快,且產(chǎn)生量明顯多于無(wú)氧組。這與我們之前對(duì)酵母菌呼吸方式的理解相符—有氧條件下酵母菌能更高效地進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生 CO2? 0
師:非常好,這兩組同學(xué)通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)方式,都收集到了有價(jià)值的證據(jù)。從這些證據(jù)來(lái)看,我們最初關(guān)于酵母菌呼吸產(chǎn)物的假設(shè),部分得到了驗(yàn)證。有氧條件下,酵母菌產(chǎn)生較多 CO2 ;無(wú)氧條件下,確實(shí)產(chǎn)生了酒精,雖然量較少,但通過(guò)多種檢測(cè)方法都能證明其確實(shí)存在。不過(guò),從實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果中,我們也能發(fā)現(xiàn)一些新問(wèn)題。比如,為什么無(wú)氧組產(chǎn)生的酒精量相對(duì)較少呢?這可能與環(huán)境是否完全無(wú)氧、反應(yīng)時(shí)間、培養(yǎng)液成分等多種因素有關(guān)。另外,在檢測(cè)過(guò)程中,不同檢測(cè)方法的靈敏度和準(zhǔn)確性也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。
師:接下來(lái),我們一起探討如何進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以得到更精確的結(jié)果。對(duì)于無(wú)氧環(huán)境的優(yōu)化,除了像剛才同學(xué)提到的提前制備無(wú)氧環(huán)境,是否還有其他更好的方法?在檢測(cè)環(huán)節(jié),不同檢測(cè)方法的原理和適用場(chǎng)景,我們又該如何更合理地選擇和組合?大家結(jié)合剛才的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果,暢所欲言,看看能碰撞出哪些新的思路和想法,讓我們對(duì)酵母菌的呼吸方式和產(chǎn)物的探究更加深入和完善。
設(shè)計(jì)意圖:教師通過(guò)組織學(xué)生分享,同時(shí)鼓勵(lì)不同組別之間針對(duì)不同的結(jié)果提出了質(zhì)疑和反駁,既讓學(xué)生從實(shí)踐中獲取證據(jù),并利用這些證據(jù)試圖解釋前面的猜想,又讓學(xué)生通過(guò)互相質(zhì)疑和反駁,不斷優(yōu)化推理的邏輯性與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),修正并完善主張。
(四)認(rèn)可猜想,得出結(jié)論
師:通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試我們看到了 CO2 的測(cè)試值變?yōu)?999,說(shuō)明產(chǎn)生的氣體是 CO2° 酒精測(cè)試值為 1.3g/L 由此可以看出,酵母菌無(wú)氧呼吸產(chǎn)生了 CO2 和酒精。
師:在同學(xué)們做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,老師也用呼吸式酒精測(cè)試儀對(duì)各組的酒精進(jìn)行測(cè)試。測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)這些數(shù)據(jù),再結(jié)合同學(xué)們自己實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),我們對(duì)之前作出的主張進(jìn)行修正。
生:酵母菌細(xì)胞有氧呼吸產(chǎn)生 CO2 ,不產(chǎn)生酒精;無(wú)氧呼吸產(chǎn)生 CO2 和酒精。
師:(總結(jié))通過(guò)這次對(duì)酵母菌呼吸方式的深入探究,同學(xué)們不僅掌握了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法與流程,還切身體會(huì)到科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性與趣味性。從最初基于生活現(xiàn)象的大膽假設(shè),到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)變量的細(xì)致把控,再到面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)的理性分析與思考,每一步都凝聚著大家的智慧與努力。這次實(shí)驗(yàn)還讓我們明白,科學(xué)知識(shí)并非一成不變,而是在不斷地質(zhì)疑、驗(yàn)證與修正中得以完善[3]。就如同對(duì)酵母菌呼吸產(chǎn)物的認(rèn)識(shí),從最初的猜想,歷經(jīng)實(shí)驗(yàn)的重重檢驗(yàn),才得到如今較為準(zhǔn)確的結(jié)論。希望同學(xué)們能將這份科學(xué)探究精神延續(xù)到今后的學(xué)習(xí)與生活中,遇到問(wèn)題時(shí),勇于探索,善于思考,用科學(xué)的方法揭示事物的本質(zhì),不斷豐富自己的知識(shí)儲(chǔ)備,提升解決問(wèn)題的能力。
設(shè)計(jì)意圖:教師利用科學(xué)的測(cè)試儀,驗(yàn)證、修正學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,以此達(dá)到認(rèn)可學(xué)生整個(gè)探究過(guò)程、提高學(xué)生學(xué)習(xí)成就感的目的。通過(guò)總結(jié),學(xué)生進(jìn)一步提煉本次探究的思路,即根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和已有知識(shí)提出問(wèn)題、進(jìn)行假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集證據(jù),各組形成不同的主張,提出疑問(wèn)、反駁,再結(jié)合各種補(bǔ)充的證據(jù)修正主張。
(五)遷移應(yīng)用,課外延伸
師:有的實(shí)驗(yàn)組將酵母菌有氧呼吸組的培養(yǎng)液取樣鑒定后,檢測(cè)出其中也含有酒精,為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢?實(shí)驗(yàn)操作如何提供充足的氧氣?該實(shí)驗(yàn)是否能只做一組,即初期供氧后期不供氧來(lái)進(jìn)行前后對(duì)照?如何分別對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)?如何巧妙地避免溶液中的氧氣和容器內(nèi)溶液上方空氣中的氧氣干擾實(shí)驗(yàn)?檢測(cè)到的 CO2 一定是酵母細(xì)胞呼吸生成的嗎?如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置?針對(duì)這些疑問(wèn),同學(xué)們可在課后深入探究。
設(shè)計(jì)意圖:教師利用誤差案例事實(shí),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層次、更全面的拓展思考,這既能增強(qiáng)學(xué)科魅力,使學(xué)生更深刻地理解知識(shí),鞏固學(xué)習(xí)成果,又能使學(xué)生通過(guò)深入思考問(wèn)題強(qiáng)化學(xué)科思維,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
在論證探究式教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生通過(guò)主動(dòng)參與學(xué)習(xí),在提出問(wèn)題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)的過(guò)程中學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí),養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,形成積極的科學(xué)態(tài)度,發(fā)展創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力,有利于提高科學(xué)探究、推理和思辨能力。但是教師需要注意,并不是所有的生物學(xué)教學(xué)都能夠采用論證式教學(xué),不同的內(nèi)容應(yīng)適配不同的教學(xué)方式,不同的學(xué)習(xí)方式也有各自的優(yōu)勢(shì)和適用條件,論證式教學(xué)只是眾多教學(xué)方式中的一種,而非唯一的一種。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同,采取演示、講授、辯論、模擬、游戲、角色扮演、專題研討、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、案例研究等多樣化的教學(xué)方式,這樣才能收獲更理想的課堂教學(xué)效果。
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注:本文系廣西教育科學(xué)規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“基于核心素養(yǎng)的論證式教學(xué)在高中生物課堂中的實(shí)踐及研究”(2021C547)的研究成果。
(責(zé)編劉小璦)