围绕重要概念设计和组织教学活动的尝试
作者：侯安燕
生物学通报 2015年05期
在初中生物学课程内容中，生物学重要概念处于学科的中心位置，对学生学习生物学及相关科学具有重要的支撑作用。因此，《义务教育生物学课程标准（2011年版）》特别强调，“围绕着生物学重要概念组织并开展教学活动”。郑春和曾指出，在概念教学过程中，可以引导学生阅读科学研究的原始资料，“以科学家的身份体验概念形成和发展的过程，运用科学家的思维方式分析和处理资料，从中归纳出概念的关键属性，从而习得相关的概念”。笔者在学习和领会新课程标准贯穿的有效教学思想的同时，结合北京版“实验法是生物学研究的重要方法”一课，在教学设计和实施方面做了一些有益的尝试。
一、教学内容的组织
义务教育阶段的生物学课程内容包括10个一级主题。在“科学探究”主题的教学中，教师要帮助学生形成以下重要概念：
科学探究是人们获取科学知识、认识世界的重要途径。
提出问题是科学探究的前提，解决科学问题常常需要作出假设。
科学探究需要通过观察和实验等多种途径获得事实和证据。设置对照实验，控制单一变量，增加重复次数等是提高实验结果可靠性的重要途径。
科学探究既需要观察和实验，又需要对证据、数据等进行分析和判断。
科学探究需要利用多种方式呈现证据、数据，需要与他人交流、合作。
观察和实验是生物学研究的基本方法。因此，在北京版《生物学》7年级（上）“生物学的研究方法”一章，将“实验法是生物学研究的重要方法”列入第1教学单元。本单元的知识点主要包括：青霉素的发现史、实验探究的程序（途径）、实验设计的原则等。
新课程标准倡导探究性学习。在其课程理念中指出：“科学探究既是科学家工作的基本方式，也是科学课程中重要的学习内容和有效的教学方式”，让学生“理解科学探究和科学探究能力的形成需要学生亲历探究性学习的过程……教师应积极提供机会让学生亲自尝试和实践”。结合本校学生的特点，笔者认为，对弗莱明发现青霉素的史料进行分析，能够让学生在信息处理过程中习得关于科学探究的重要概念，领悟科学家发现问题与解决问题的思路和方法。如果能够引导学生模仿科学家的思维和工作方式尝试进行实验探究，将会提高单元教学的有效性。因此，笔者在认真钻研教材和梳理知识的基础上，适当调整本单元教学内容，增加了学生探究“植物向光生长”的实验活动。梳理后的单元结构框架及其在全章知识体系中的位置，可用思维导图概括，如图1。
二、教学目标
1.知识目标
说出生物学研究的基本方法，分析弗莱明发现青霉素的过程，概述实验探究的程序，归纳实验设计遵循的基本原则，描述探究植物向光生长运动的实验步骤。
2.能力目标
阅读和分析弗莱明发现青霉素的史料，增强获取新知识和信息处理的能力；初步学会科学探究的一般方法，培养提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论、表达交流的科学探究能力；科学地解释探究实验设计遵循的原则；尝试用实验法解决生活中遇到的某个科学问题；在学习小组活动中培养合作、交流和语言表达能力。
3.情感、态度和价值观
通过对青霉素发现史资料的分析，感悟科学家实事求是的科学态度、严谨认真的科学精神和善于合作的科学品质；在尝试用实验法探究植物向光生长运动的过程中，认同生物科学的学术价值和应用价值。
三、教学过程
教学过程设计主要包括：编制教学程序、选择教学模式、确定教学组织和方法等。笔者在编制本单元教学程序时，一方面依据再组织、再加工后的单元知识内容，另一方面参照师生互动教学模式的基本要求，以学生活动作为编制教学程序的主线，以生生之间、师生之间的互动与交流作为推动教学进程的动力。本单元的教学流程如图2。
1.创设情境，激发学生兴趣
教师首先展示二战时期同盟国的宣传画“感谢penicillin，它让伤兵安然返家”，然后向学生质询：penicillin是什么？它有什么作用？初一学生虽然没学过penicillin这个单词，但他们通过影视媒介对二战及其造成的人员伤亡有所了解，学生对青霉素的抗菌能力也有所耳闻。因此，在学生已有知识和生活经验的基础上创设该情境，迅速激发学生的兴趣，课堂立刻活跃起来。同时，为学生探索“弗莱明发现青霉素的过程”做好铺垫。
2.设置问题串，引导学生感知实验法
初一学生尚未参与过生物学实验教学活动，他们对科学实验知之甚少。因此，本节课借助“青霉素发现史”的资料分析，引导学生感知实验法成为教学程序的关键环节。
教学时，教师首先结合课本上的画面，向学生讲述弗莱明及其团队发现青霉素的.过程，即弗莱明是英国细菌学家，他意外发现细菌培养基被青霉污染后，在青霉菌落的周围形成一个明显的抑菌圈。根据这种现象，弗莱明推测青霉产生了抑制细菌生长的物质。弗莱明及助手通过多次重复实验发现，接种青霉后细菌的生长受到抑制，而没有接种青霉的细菌仍然能够正常生长。于是，弗莱明认为，青霉产生了能抑制细菌生长的物质，并将其命名为青霉素。
然后，依据上述故事情节，教师精心设计了相关问题串：弗莱明先前的实验研究课题是什么？弗莱明在污染的细菌培养基表面观察到哪种现象？抑菌圈的发现对弗莱明团队的实验探究方向产生怎样的影响？弗莱明对细菌培养基表面出现抑菌圈做出怎样的推测（假设）？弗莱明怎样检验假设的正确与否？你能够描述弗莱明分析实验数据得出的结论吗？
上述问题环环相扣、层层递进，学生带着这些问题再次阅读教材，思考并做出相应答案，使他们对弗莱明团队探究青霉素的实验过程有了一定的认识，从而为进一步分析和阐述探究实验程序和实验设计原则打下必要的基础。由于学生没有培养细菌和青霉的实践经验，也不明白抑菌圈这个关键术语，为此教师应展示细菌培养基表面形成抑菌圈的图片，结合图片向学生说明抑菌圈的成因。
3.概述探究实验程序，解说实验设计原则
通过对青霉素发现史料的分析，明确探究实验的程序和理解实验设计遵循的基本原则，是本单元的教学重点之一。通过分析青霉素发现史料，学生对实验方法有了感性认识，进一步弄清探究实验的程序和实验设计的原则，实质上是从感性认识上升到理性认识的思维加工过程。由于学生缺少参与实验操作的亲身体验，对于弗莱明实验的原理、材料、器具、操作步骤及方法只能凭空想象，甚至根本无法想象。所以，如何引导学生实现思维过程的飞跃，成为本单元教学的难点。
教学时，教师先让学生开展小组讨论：弗莱明发现青霉素的实验过程大致包括几个环节？并鼓励他们将划分的环节用词语或短句表述。然后，在组织学生进行交流的过程中，以板书形式归纳学生对实验环节的描述，如观察现象、提出问题、尝试解释问题、设计实验方案、完成实验操作、分析实验结果、得出实验结论等。在此基础上，教师选用准确的关键术语将探究实验程序加以整合和归纳为：提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、得出结论、表达交流等环节，并向学生说明制订计划（实验方案设计）与实施计划（完成实验操作）的环节，是检验假设是否成立的关键环节。由于学生初次接触“实验法”知识内容，只要求他们能够说出实验探究程序中各个环节的必要性，不必要求他们对各个环节的基本要求做出解说。
科学探究需要通过观察和实验等多种途径获得事实和证据，这就要求拟订探究计划，即设计探究实验方案。“设置对照实验，控制单一变量，增加重复次数是保证实验结果可靠性的重要途径”，也是探究实验设计应遵循的基本原则。教学时，教师借助投影仪向学生展示了一组培养细菌的实验装置，结合其中的实验组和对照组详细解说弗莱明培养细菌的实验操作方法。然后，围绕实验设计原则向学生提出几个思考性问题：弗莱明团队的实验探究目标是什么？上述实验组合中哪些实验装置中具备弗莱明探究实验对象（实验组）？为什么要设置不具备探究实验对象的装置（对照组用于消除实验可能产生的误差）？实验组和对照组有哪些条件相同？哪些条件不同？为什么只能有1个条件不同？为什么要准备充足的实验材料（增加重复次数）？通过上述问题的引导，学生一方面明确了探究实验设计应遵循单因子、有对照、大样本等基本原则，另一方面理解了遵循实验设计原则的道理，即尽量减少或消除实验过程可能产生的误差，提高实验结果的可靠性。
4.利用变式，强化对探究实验设计知识的理解
为了帮助学生深入理解探究实验的设计原则，笔者组织学生尝试运用习得的知识，对一组“温度影响绿豆种子发芽率的实验设计”进行评价。教学时，先以表格方式（见下表）展示某生物学兴趣小组的探究实验设计方案。然后，鼓励学生依据探究实验设计必须遵循的基本原则，对该小组实验设计的合理性做出评价，既要充分肯定该实验设计方案中的合理部分，又要诚恳地指出其不合理部分，并提出修改原设计方案的建议。这种变式练习的方式得到学生的响应，他们首先肯定该实验设计方案力求体现单因子变量和设置对照组的方法，然后纷纷指出该方案在确定变量、设置对照组等方面的不合理，并提出许多修订方案。学生在既满足又愉快的氛围中，加深了对实验设计的“设置对照实验”和“控制单一因素”这2个原则的理解，同时学会真诚、客观地评价他人的研究成果，养成良好的科学态度。
5.鼓励学生应用实验法尝试探究植物的向性运动
上述教学环节的实施，帮助学生实现由感性到理性的思维飞跃，本教学环节的实施则有助于学生实现由理性到实践的思维飞跃。因此，该教学环节是本单元教学的重点之一。教学时，教师先向学生展示实验室窗台上盆栽的彩叶草、长寿花、铁树等多种植物，让学生通过观察这些植物的生长状况，发现并提出一个科学问题：植物为什么朝向窗外生长？
引导学生做出假设是实验探究过程的关键。学生通常认为窗外有光，植物朝着有光的方向生长。这时教师提出质疑：教室也有充足的灯光，且光源方向不一，为什么这些盆栽植物不会朝灯光方向生长？教师的质疑激发学生思考并意识到植物的向光生长是一个缓慢变化的过程，只有持续的单向光才会引起植物的向光生长变化。基于这样的认识，学生才能够对探究问题做出尝试性解释（即假设），并根据假设形成实验设计的基本思路。
学生初步尝试设计探究单向光引起植物向光生长的实验方案，需要教师有计划、循序渐进地引导。教学时，教师先向学生阐明实验设计主要是以实验步骤为主线，依次写出：实验器具准备、确定实验组合、实施实验操作、记录实验数据的具体方法及其注意事项。然后，展示事先准备的一张“实验探究植物向光生长”的实验报告单，让学生在充分思考和交流的基础上，以文字或图示形式呈现本组的实验方案。在学生评价的前提下，选择一组学生公认的小组探究实验方案，安排他们利用课余时间开展相应的实验活动。
实验报告单：探究植物的向光生长
[提出问题]________
[做出假设]________
[设计实验]
（1）材料用具：彩叶草（6盆，长势相当）、长寿花（6盆，长势相当）、台灯（阳光）、黑色塑料袋（或黑色盒子）、透光塑料袋（或透光盒子）、剪刀等。本小组选取的材料用具及数量是：＿＿＿＿。
（2）方法步骤（用文字分步骤描述，或绘出实验装置简图）：
①取＿＿＿＿盆________作为实验组，________盆________作为对照组；
②实验组处理方法________，
对照组处理方法＿＿＿＿；
③将实验组和对照组置于相同环境培养一段时间，观察＿＿＿＿。
实验装置图：
[预期实验结果]＿＿＿＿。
在实验报告单中，教师故意设计了陷阱——分别提供6盆长势相当的彩叶草和长寿花。若学生在确定实验组合时，分别选取彩叶草和长寿花作为实验组和对照组，则表明他们对“控制单一变量”的设计原则理解不到位。教师需要结合具体实例进一步向学生说明判断“单因子变量”的方法。
6.表述重要概念，获得单元教学的反馈信息
“科学探究”主题的一系列重要概念，都是围绕着实验探究程序和实验设计原则展开的。为了促使学生掌握这些重要概念，除围绕重要概念设计和组织教学活动外，还要重视搜集学生学习的反馈信息。
在信息反馈环节，教师重视用关键术语引导学生以命题句式表述本单元的重要概念。先从“科学探究”术语入手，让学生分别表述科学探究的目标、方法和程序，进而引导学生思考并表述提出问题和作出假设在科学探究过程中的重要性，以及检验假设的过程和方法，从而使学生对本单元重要概念的学习得到进一步落实。
新课程标准论述科学探究时指出，“教师应积极提供机会让学生亲自尝试和实践，并将科学探究的内容尽可能渗透到各主题内容的教学活动中”。笔者在科学探究的起始课作出些许尝试，以供参考。
作者介绍：侯安燕，北京市密云第三中学（北京 密云 101500）。
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