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圍繞重要概念設計和組織教學活動的嘗試
作者：侯安燕
生物學通報 2015年05期
在初中生物學課程內(nèi)容中，生物學重要概念處于學科的中心位置，對學生學習生物學及相關科學具有重要的支撐作用。因此，《義務教育生物學課程標準（2011年版）》特別強調(diào)，“圍繞著生物學重要概念組織并開展教學活動”。鄭春和曾指出，在概念教學過程中，可以引導學生閱讀科學研究的原始資料，“以科學家的身份體驗概念形成和發(fā)展的過程，運用科學家的思維方式分析和處理資料，從中歸納出概念的關鍵屬性，從而習得相關的概念”。筆者在學習和領會新課程標準貫穿的有效教學思想的同時，結合北京版“實驗法是生物學研究的重要方法”一課，在教學設計和實施方面做了一些有益的嘗試。
一、教學內(nèi)容的組織
義務教育階段的生物學課程內(nèi)容包括10個一級主題。在“科學探究”主題的教學中，教師要幫助學生形成以下重要概念：
科學探究是人們獲取科學知識、認識世界的重要途徑。
提出問題是科學探究的前提，解決科學問題常常需要作出假設。
科學探究需要通過觀察和實驗等多種途徑獲得事實和證據(jù)。設置對照實驗，控制單一變量，增加重復次數(shù)等是提高實驗結果可靠性的重要途徑。
科學探究既需要觀察和實驗，又需要對證據(jù)、數(shù)據(jù)等進行分析和判斷。
科學探究需要利用多種方式呈現(xiàn)證據(jù)、數(shù)據(jù)，需要與他人交流、合作。
觀察和實驗是生物學研究的基本方法。因此，在北京版《生物學》7年級（上）“生物學的研究方法”一章，將“實驗法是生物學研究的重要方法”列入第1教學單元。本單元的知識點主要包括：青霉素的發(fā)現(xiàn)史、實驗探究的程序（途徑）、實驗設計的原則等。
新課程標準倡導探究性學習。在其課程理念中指出：“科學探究既是科學家工作的基本方式，也是科學課程中重要的學習內(nèi)容和有效的教學方式”，讓學生“理解科學探究和科學探究能力的形成需要學生親歷探究性學習的過程……教師應積極提供機會讓學生親自嘗試和實踐”。結合本校學生的特點，筆者認為，對弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的史料進行分析，能夠讓學生在信息處理過程中習得關于科學探究的重要概念，領悟科學家發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的思路和方法。如果能夠引導學生模仿科學家的思維和工作方式嘗試進行實驗探究，將會提高單元教學的有效性。因此，筆者在認真鉆研教材和梳理知識的基礎上，適當調(diào)整本單元教學內(nèi)容，增加了學生探究“植物向光生長”的實驗活動。梳理后的單元結構框架及其在全章知識體系中的位置，可用思維導圖概括，如圖1。
二、教學目標
1.知識目標
說出生物學研究的基本方法，分析弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的過程，概述實驗探究的程序，歸納實驗設計遵循的基本原則，描述探究植物向光生長運動的實驗步驟。
2.能力目標
閱讀和分析弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的史料，增強獲取新知識和信息處理的能力；初步學會科學探究的一般方法，培養(yǎng)提出問題、作出假設、制定計劃、實施計劃、得出結論、表達交流的科學探究能力；科學地解釋探究實驗設計遵循的原則；嘗試用實驗法解決生活中遇到的某個科學問題；在學習小組活動中培養(yǎng)合作、交流和語言表達能力。
3.情感、態(tài)度和價值觀
通過對青霉素發(fā)現(xiàn)史資料的分析，感悟科學家實事求是的科學態(tài)度、嚴謹認真的科學精神和善于合作的科學品質(zhì)；在嘗試用實驗法探究植物向光生長運動的過程中，認同生物科學的學術價值和應用價值。
三、教學過程
教學過程設計主要包括：編制教學程序、選擇教學模式、確定教學組織和方法等。筆者在編制本單元教學程序時，一方面依據(jù)再組織、再加工后的單元知識內(nèi)容，另一方面參照師生互動教學模式的基本要求，以學生活動作為編制教學程序的主線，以生生之間、師生之間的互動與交流作為推動教學進程的動力。本單元的教學流程如圖2。
1.創(chuàng)設情境，激發(fā)學生興趣
教師首先展示二戰(zhàn)時期同盟國的宣傳畫“感謝penicillin，它讓傷兵安然返家”，然后向?qū)W生質(zhì)詢：penicillin是什么？它有什么作用？初一學生雖然沒學過penicillin這個單詞，但他們通過影視媒介對二戰(zhàn)及其造成的人員傷亡有所了解，學生對青霉素的抗菌能力也有所耳聞。因此，在學生已有知識和生活經(jīng)驗的基礎上創(chuàng)設該情境，迅速激發(fā)學生的興趣，課堂立刻活躍起來。同時，為學生探索“弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的過程”做好鋪墊。
2.設置問題串，引導學生感知實驗法
初一學生尚未參與過生物學實驗教學活動，他們對科學實驗知之甚少。因此，本節(jié)課借助“青霉素發(fā)現(xiàn)史”的資料分析，引導學生感知實驗法成為教學程序的關鍵環(huán)節(jié)。
教學時，教師首先結合課本上的畫面，向?qū)W生講述弗萊明及其團隊發(fā)現(xiàn)青霉素的過程，即弗萊明是英國細菌學家，他意外發(fā)現(xiàn)細菌培養(yǎng)基被青霉污染后，在青霉菌落的周圍形成一個明顯的抑菌圈。根據(jù)這種現(xiàn)象，弗萊明推測青霉產(chǎn)生了抑制細菌生長的物質(zhì)。弗萊明及助手通過多次重復實驗發(fā)現(xiàn)，接種青霉后細菌的生長受到抑制，而沒有接種青霉的細菌仍然能夠正常生長。于是，弗萊明認為，青霉產(chǎn)生了能抑制細菌生長的物質(zhì)，并將其命名為青霉素。
然后，依據(jù)上述故事情節(jié)，教師精心設計了相關問題串：弗萊明先前的實驗研究課題是什么？弗萊明在污染的細菌培養(yǎng)基表面觀察到哪種現(xiàn)象？抑菌圈的發(fā)現(xiàn)對弗萊明團隊的實驗探究方向產(chǎn)生怎樣的影響？弗萊明對細菌培養(yǎng)基表面出現(xiàn)抑菌圈做出怎樣的推測（假設）？弗萊明怎樣檢驗假設的正確與否？你能夠描述弗萊明分析實驗數(shù)據(jù)得出的結論嗎？
上述問題環(huán)環(huán)相扣、層層遞進，學生帶著這些問題再次閱讀教材，思考并做出相應答案，使他們對弗萊明團隊探究青霉素的實驗過程有了一定的認識，從而為進一步分析和闡述探究實驗程序和實驗設計原則打下必要的基礎。由于學生沒有培養(yǎng)細菌和青霉的實踐經(jīng)驗，也不明白抑菌圈這個關鍵術語，為此教師應展示細菌培養(yǎng)基表面形成抑菌圈的圖片，結合圖片向?qū)W生說明抑菌圈的成因。
3.概述探究實驗程序，解說實驗設計原則
通過對青霉素發(fā)現(xiàn)史料的分析，明確探究實驗的程序和理解實驗設計遵循的基本原則，是本單元的教學重點之一。通過分析青霉素發(fā)現(xiàn)史料，學生對實驗方法有了感性認識，進一步弄清探究實驗的程序和實驗設計的原則，實質(zhì)上是從感性認識上升到理性認識的思維加工過程。由于學生缺少參與實驗操作的親身體驗，對于弗萊明實驗的原理、材料、器具、操作步驟及方法只能憑空想象，甚至根本無法想象。所以，如何引導學生實現(xiàn)思維過程的飛躍，成為本單元教學的難點。
教學時，教師先讓學生開展小組討論：弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素的實驗過程大致包括幾個環(huán)節(jié)？并鼓勵他們將劃分的環(huán)節(jié)用詞語或短句表述。然后，在組織學生進行交流的過程中，以板書形式歸納學生對實驗環(huán)節(jié)的描述，如觀察現(xiàn)象、提出問題、嘗試解釋問題、設計實驗方案、完成實驗操作、分析實驗結果、得出實驗結論等。在此基礎上，教師選用準確的關鍵術語將探究實驗程序加以整合和歸納為：提出問題、作出假設、制定計劃、實施計劃、得出結論、表達交流等環(huán)節(jié)，并向?qū)W生說明制訂計劃（實驗方案設計）與實施計劃（完成實驗操作）的環(huán)節(jié)，是檢驗假設是否成立的關鍵環(huán)節(jié)。由于學生初次接觸“實驗法”知識內(nèi)容，只要求他們能夠說出實驗探究程序中各個環(huán)節(jié)的必要性，不必要求他們對各個環(huán)節(jié)的基本要求做出解說。
科學探究需要通過觀察和實驗等多種途徑獲得事實和證據(jù)，這就要求擬訂探究計劃，即設計探究實驗方案�！霸O置對照實驗，控制單一變量，增加重復次數(shù)是保證實驗結果可靠性的重要途徑”，也是探究實驗設計應遵循的基本原則。教學時，教師借助投影儀向?qū)W生展示了一組培養(yǎng)細菌的實驗裝置，結合其中的實驗組和對照組詳細解說弗萊明培養(yǎng)細菌的實驗操作方法。然后，圍繞實驗設計原則向?qū)W生提出幾個思考性問題：弗萊明團隊的實驗探究目標是什么？上述實驗組合中哪些實驗裝置中具備弗萊明探究實驗對象（實驗組）？為什么要設置不具備探究實驗對象的裝置（對照組用于消除實驗可能產(chǎn)生的誤差）？實驗組和對照組有哪些條件相同？哪些條件不同？為什么只能有1個條件不同？為什么要準備充足的實驗材料（增加重復次數(shù)）？通過上述問題的引導，學生一方面明確了探究實驗設計應遵循單因子、有對照、大樣本等基本原則，另一方面理解了遵循實驗設計原則的道理，即盡量減少或消除實驗過程可能產(chǎn)生的誤差，提高實驗結果的可靠性。
4.利用變式，強化對探究實驗設計知識的理解
為了幫助學生深入理解探究實驗的設計原則，筆者組織學生嘗試運用習得的知識，對一組“溫度影響綠豆種子發(fā)芽率的實驗設計”進行評價。教學時，先以表格方式（見下表）展示某生物學興趣小組的探究實驗設計方案。然后，鼓勵學生依據(jù)探究實驗設計必須遵循的基本原則，對該小組實驗設計的合理性做出評價，既要充分肯定該實驗設計方案中的合理部分，又要誠懇地指出其不合理部分，并提出修改原設計方案的建議。這種變式練習的方式得到學生的響應，他們首先肯定該實驗設計方案力求體現(xiàn)單因子變量和設置對照組的方法，然后紛紛指出該方案在確定變量、設置對照組等方面的不合理，并提出許多修訂方案。學生在既滿足又愉快的氛圍中，加深了對實驗設計的“設置對照實驗”和“控制單一因素”這2個原則的理解，同時學會真誠、客觀地評價他人的研究成果，養(yǎng)成良好的科學態(tài)度。
5.鼓勵學生應用實驗法嘗試探究植物的向性運動
上述教學環(huán)節(jié)的實施，幫助學生實現(xiàn)由感性到理性的思維飛躍，本教學環(huán)節(jié)的實施則有助于學生實現(xiàn)由理性到實踐的思維飛躍。因此，該教學環(huán)節(jié)是本單元教學的重點之一。教學時，教師先向?qū)W生展示實驗室窗臺上盆栽的彩葉草、長壽花、鐵樹等多種植物，讓學生通過觀察這些植物的生長狀況，發(fā)現(xiàn)并提出一個科學問題：植物為什么朝向窗外生長？
引導學生做出假設是實驗探究過程的關鍵。學生通常認為窗外有光，植物朝著有光的方向生長。這時教師提出質(zhì)疑：教室也有充足的燈光，且光源方向不一，為什么這些盆栽植物不會朝燈光方向生長？教師的質(zhì)疑激發(fā)學生思考并意識到植物的向光生長是一個緩慢變化的過程，只有持續(xù)的單向光才會引起植物的向光生長變化�；谶@樣的認識，學生才能夠?qū)μ骄繂栴}做出嘗試性解釋（即假設），并根據(jù)假設形成實驗設計的基本思路。
學生初步嘗試設計探究單向光引起植物向光生長的實驗方案，需要教師有計劃、循序漸進地引導。教學時，教師先向?qū)W生闡明實驗設計主要是以實驗步驟為主線，依次寫出：實驗器具準備、確定實驗組合、實施實驗操作、記錄實驗數(shù)據(jù)的具體方法及其注意事項。然后，展示事先準備的一張“實驗探究植物向光生長”的實驗報告單，讓學生在充分思考和交流的基礎上，以文字或圖示形式呈現(xiàn)本組的實驗方案。在學生評價的前提下，選擇一組學生公認的小組探究實驗方案，安排他們利用課余時間開展相應的實驗活動。
實驗報告單：探究植物的向光生長
[提出問題]________
[做出假設]________
[設計實驗]
（1）材料用具：彩葉草（6盆，長勢相當）、長壽花（6盆，長勢相當）、臺燈（陽光）、黑色塑料袋（或黑色盒子）、透光塑料袋（或透光盒子）、剪刀等。本小組選取的材料用具及數(shù)量是：＿＿＿＿。
（2）方法步驟（用文字分步驟描述，或繪出實驗裝置簡圖）：
①�。撸撸撸吲鑏_______作為實驗組，________盆________作為對照組；
②實驗組處理方法________，
對照組處理方法＿＿＿＿；
③將實驗組和對照組置于相同環(huán)境培養(yǎng)一段時間，觀察＿＿＿＿。
實驗裝置圖：
[預期實驗結果]＿＿＿＿。
在實驗報告單中，教師故意設計了陷阱——分別提供6盆長勢相當?shù)牟嗜~草和長壽花。若學生在確定實驗組合時，分別選取彩葉草和長壽花作為實驗組和對照組，則表明他們對“控制單一變量”的設計原則理解不到位。教師需要結合具體實例進一步向?qū)W生說明判斷“單因子變量”的方法。
6.表述重要概念，獲得單元教學的反饋信息
“科學探究”主題的一系列重要概念，都是圍繞著實驗探究程序和實驗設計原則展開的。為了促使學生掌握這些重要概念，除圍繞重要概念設計和組織教學活動外，還要重視搜集學生學習的反饋信息。
在信息反饋環(huán)節(jié)，教師重視用關鍵術語引導學生以命題句式表述本單元的重要概念。先從“科學探究”術語入手，讓學生分別表述科學探究的目標、方法和程序，進而引導學生思考并表述提出問題和作出假設在科學探究過程中的重要性，以及檢驗假設的過程和方法，從而使學生對本單元重要概念的學習得到進一步落實。
新課程標準論述科學探究時指出，“教師應積極提供機會讓學生親自嘗試和實踐，并將科學探究的內(nèi)容盡可能滲透到各主題內(nèi)容的教學活動中”。筆者在科學探究的起始課作出些許嘗試，以供參考。
作者介紹：侯安燕，北京市密云第三中學（北京 密云 101500）。
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