新课程理念下的生物课堂教学(二)基于探究性学习的生物课堂教学

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  探究性学习是学生在教师的指导下,为获得科学素养以类似科学探究的方式所开展的学习活动。倡导探究性学习是生物新课程的基本理念之一。高中生物新课程标准中明确提出,“倡导探究性学习,力图促进学生学习方式的变革,引导学生主动参与探究过程、勤于动手和动脑,逐步培养学生搜集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、批判性思维的能力、分析和解决问题的能力,以及交流与合作的能力等,重在培养创新精神和实践能力”。
  在高中生物教学中如何进行探究性学习呢?本文结合笔者的教学实践谈几点粗浅的认识与体会。
  
  一、问题是探究性学习的起点
  
  提出问题是探究的首要环节,是探究的起点。这不仅是因为科学的探究活动始于问题,更是因为问题也是学习活动的出发点。
  在探究性学习过程中,并不要求学生亲自去获得直接的知识或经验。探究性学习属于学生的学习过程,只是它模拟了科学探究的过程。探究性学习也不同于学生在好奇心驱使下所从事的自发的探究活动,它是在教师指导下的有目的、有计划的活动。因此,在探究性学习过程中,教师应依据教学目标,创设探究的问题情境,引导学生提出探究的问题。
  
  案例1:“探究植物细胞的吸水和失水”教学片段
  师:在日常生活中,同学们是否注意过,凉拌黄瓜条、萝卜丝时加入盐,盘里的汤就会越来越多,而黄瓜条、萝卜丝也会逐渐变得软缩。把蔫了的蔬菜放在清水中浸泡一段时间,蔬菜的茎叶又会逐渐变得坚挺。这是为什么呢?
  生1:那是因为植物的细胞会失水和吸水的缘故。
  师:那么细胞在什么情况下吸水,在什么情况下失水呢?
  生2:植物细胞在高浓度的溶液中会失去水分,而在低浓度的溶液中会吸收水分。
  师:作出这种判断有什么依据?
  生3:植物体是由细胞构成的,黄瓜条与萝卜丝加盐后盘里水会增加,增加的水只能来自于植物细胞;而把蔫了的蔬菜放在清水中茎叶会变坚挺,肯定是植物细胞吸收水分的缘故。
  生4:我们做过“体验制备细胞膜方法”的实验。在那个实验中,将哺乳动物的红细胞置于蒸馏水中,结果红细胞因吸水而被胀破。我认为植物细胞应该与动物细胞具有相似的功能,也能吸收水分。
  师:分析得非常好,但是我们的分析还只是一种推测。细胞是否真的能够吸水与失水,又在什么情况下吸水与失水,我们要通过实验来加以探究。
  师:同学们可以分小组讨论一下,围绕着植物细胞的吸水与失水,你们小组准备探究什么问题,说明你们选题的理由。
  (学生讨论后提出各小组的选题)
  生1:我们准备研究细胞吸水、失水与外界溶液浓度间的关系。如果我们的问题得到解决,实际上也就证明了细胞能吸水与失水。
  生2:我们组想研究不同物质的溶液对细胞吸水或失水的影响,比如相同浓度的蔗糖、食盐水等对细胞的吸水或者失水是不是会有不同的影响。研究这一问题不仅可以让我们知道外界溶液浓度对细胞吸水或失水的影响,而且可以知道溶质会不会影响细胞的吸水或失水。
  生3:我们组想研究相同浓度的外界溶液对不同植物细胞吸水或失水的影响。
  ......
  在案例1中,学生探究的问题是由学生小组讨论后提出的,但所要探究的问题没有偏离学习要求,而是在教师所创设的问题情境下以及在教师的引导下提出的,这些问题具备真实性、新颖性和可解决性的特点。问题的真实性体现在,这些问题不是脱离学生实际的纯学术问题,而是与学生的生活密切相关的,是从学生日常生活中熟悉的现象入手提出的;问题的新颖性体现在,学生要探究的知识结论尽管是人类已知的,但对学生来说是未知的新知识;问题的可解决性体现在,这些问题学生解决尽管会有一定的困难,但在教师的指导下、在学生的相互合作下,是可以得到解决的。也正因如此,这些探究的问题能够引起学生的认知冲突,引起学习的强烈愿望,形成学习的内在动机,导致对科学概念或原理的发现。
  
  二、科学素养是探究性学习的主要目标
  
  高中生物课程标准指出:“生物科学素养是指公民参加社会生活、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物学知识、探究能力以及相关的情感态度与价值观。”显然,学生的科学素养并非只通过探究才能获得,专题讨论、模型构建、角色扮演、个案研究乃至讲授等,都能促进学生科学素养的形成。探究性学习也有多方面的教育功能与价值,其目标也并非单一指向科学素养的培养。但是,探究性学习模拟科学研究过程,在一定程度上重演了科学研究的过程,因此探究性学习无疑是培养学生科学素养的最重要的途径,培养学生的科学素养也是探究性学习最主要的目标。
  
  案例2:“探究光照强弱对光合作用强度的影响”教学片段
  (讨论实验方案)
  师:在这个探究实验中自变量如何设置?
  生1:可以设置一系列光照强度梯度的光照射植物。
  师:这个设计的想法不错,可具体是如何操作的呢?
  生1:不同光照强度的光源可以通过不同功率的灯获得。
  生2:如果利用相同功率的灯,可通过给灯遮光或通过调节灯与实验植物间距离的方法来设置。
  生3:还可以用调光台灯。
  ……
  师:同学们提出了多种的方法来设置不同的光照强度,很好。那么在选择具体方法时,我们应该考虑哪些因素呢?
  生1:需要考虑实验的效果。
  生2:需要考虑在条件许可的情况下有利于实验的操作。
  生3:需要考虑实验易于控制。
  师:同学们考虑得非常全面,这几个方面都是我们在设置自变量的时候应该考虑到的因素。那么因变量呢,你准备选择什么指标?
  生4:我们可以选择淀粉的生成量、氧气的产生量或者是二氧化碳的消耗量作为因变量的观察指标。
  师:不错,这些都可以作为光合作用强度的衡量指标。但你如何知道这些物质的生成量或消耗量呢?
  生1:需要找到可以测量或检测的指标。
  生2:淀粉的生成量可以通过碘液检测,然后通过蓝色的深浅来确定光合作用的强度。
  生3:少量淀粉遇碘就会变成蓝色,因此我觉得颜色的深浅难以反映淀粉的生成量。我认为应以氧气或二氧化碳作为检测指标。
  生4:如果我们选择水生植物,比如黑藻来做实验,就可以通过排气集气的方法和收集氧气量的多少来衡量光合作用的强度了。
  生5:还有更简单的方法,可以直接统计在一定时间内光下黑藻产生气泡的数量。
  生6:我考虑在选择二氧化碳的消耗量作为衡量依据时,选择水生黑藻做实验材料,这时可以检测水溶液中pH的改变,以pH的改变作为光合作用强度的指标。
  ……
  师:同学们在考虑因变量的指标时充分考虑到了因变量的可观察、可测量的要求,我们还可以参考课本中提供的案例。下面请各小组落实自己的研究选题,讨论具体的研究方案,设计出具体步骤。设计时注意如何尽量避免或减少实验中可能出现的误差。
  自变量、因变量以及干扰变量是实验中的三个基本变量,实验就是要揭示自变量与因变量间的必然联系,得出结论。在实验中,自变量是实验施加操作的变量,必须具有可变性与可操作性的特点;因变量是实验结果的反应变量,是需要观察或测量的,因此可观察或测量是因变量的基本要求;干扰变量是自变量与因变量外的一切变量,它干扰、影响实验的结果,因此是在实验过程中需要加以严格控制或平衡的变量。
  在案例2中,师生围绕着自变量的操作以及因变量的观察指标,进行了充分的讨论(关于干扰变量的讨论,安排在实验方案设计后进行),其主要的教学目标指向于科学素养中实验设计的方法与能力上。
  
  案例3:“探究影响酶活性的因素”教学片段
  (学生完成温度、pH及某些金属离子对酶的活性影响的实验后,进行讨论)
  师:根据这节课做的实验,我们能得出什么结论?
  生1:酶的活性受温度、pH值以及某些离子的影响。
  师:由此可以看出酶的作用条件有什么共同点?
  生2:比较温和。
  师:如果我们要用曲线来表示温度、pH值对酶活性的影响,你能表示吗?哪位同学上黑板画一下?
  (生3上黑板画出曲线)
  师:请你解释一下曲线的含义。
  (生3解释说明略)
  师:在温度对酶影响的坐标图中,如果温度是从较低升到最适宜温度,酶活性如何变化?如果是从高温降到适宜的温度,又会发生什么变化?
  生4:从低温到最适宜温度,酶活性升高,因为低温不会破坏酶的结构。如果从高温降到适宜温度,酶仍然没有活性,因为高温会使蛋白质的结构发生不可逆的变化。
  师:如果是pH值呢?
  生4:过酸过碱都会使蛋白质结构变性,并不可恢复。所以,过酸或过碱后恢复到适宜的pH值,酶的活性不会恢复。
  师:如果我们要用实验来证明你的分析,可以吗?相信大家能够设计相关的实验来证明,今天我们就不再设计了。
  师:这两条曲线是定性表示的温度和pH值对酶的活性的影响,如果我们要让曲线画得更精确一些,应该怎么做?
  生5:多做几组实验,然后将实验的数据画成曲线。
  师:那你怎么知道哪组实验中酶的催化效率高呢?
  生5:测定单位时间内,反应物的生物或原料的消耗。
  师:怎么测?我们强调因变量应该是可测的,如果没有必要的设备,这个因变量是很难测的吧?
  (学生陷入迷惑中)
  师:如果我们测定不了反应物或原料的量的变化,能否转换一下思路,通过其他方式来反映这种变化呢?
  生1:测定达到相同实验效果时所需要的时间。时间是可测的,相同的实验效果也是可以观察的。
  师:非常好。这个实验就留给大家课后再思考了。我们探究了酶作用的一个特性,你认为酶的作用还有什么特性吗?你判断的依据是什么?
  (师生讨论并归纳总结酶的特性)
  师:我们知道了酶的这些特性,这对于我们的生产和生活会有什么样的启示呢?
  (学生讨论与交流)
  师:大家分析得很有道理。知识的价值在于运用,只有把所学的知识运用到实际问题的解决中去,才能更好地体现出知识的价值。如果我有一袋加酶洗衣粉,大家能否为它设计一句广告词?这个任务请同学们课后完成,下节课我们交流。另外,做广告要注意什么,也请你们先作思考。
  案例3是学生完成影响酶活性条件实验后的讨论。教师引导学生分析实验结果,用坐标曲线分析、处理数据,得出知识结论,最后要求将知识结论运用到生活与实践中,强化知识结论的应用。
  在这个教学片段中,科学的方法依然是教学关注的内容之一,但重点转移到了知识结论的落实上。从科学素养的角度来看,一方面科学的知识结论本身就是科学素养的重要构成部分;另一方面学生只有在所作的探究结论的基础上,才能加深对科学本质的理解与认识。从学习的角度来看,探究性学习不仅应该是重过程的,而且应该是重结果的。加涅的“学习条件”理论指出,作为结果的知识是任何学习的必要条件之一,没有知识作为基础或不获得知识的学习都是不成立的。
  
  三、自主与合作是探究性学习的主要特征
  
  学生学习过程中的自主性是探究性学习的一个主要特征。在课堂教学中,学生自主性表现在学习目标的自我确定、学习方法的自我选择、学习过程的自我调控以及学习结果的自我反馈等方面。从探究的环节来看,体现在探究的各阶段,如问题的形成、假设的建立、研究方案的制订、实验的执行、结果的交流等由学生个人或学生小组独立完成。在案例1中,围绕植物细胞的吸水与失水,学生提出了3个希望探究的问题,这些问题是由学生自己提出的,是他们感兴趣并认为可以实施的。在案例2中,不同的学生可以自主设计实验的方案,确定不同的自变量控制方法以及因变量的观察测量指标。
  当然,在课堂教学中,学生的这些自主活动都是在教师间接指导的方式下进行的,教师的作用渗透在学生探究活动的背景之中。离开了这个背景,学生的独立探究活动难以完成,同时也容易偏离教学的目标与要求。从这个意义上说,探究性学习过程中学生的自主只是一种有限的自主,这是由探究性学习作为学习活动的本质所决定的。
  合作是探究性学习的另一特征。在探究性学习过程中,合作是师生间、生生间相互作用的方式。合作不仅是完成探究活动所必需的,而且在合作过程中,学生不仅可以相互间实现信息与资源的整合、不断地扩展和完善自我认知,而且可以学会交往、学会参与、学会倾听、学会尊重他人。
  案例1中,研究课题的提出首先是通过小组内的合作完成的,然后在教师引导下,小组在班内进行交流。这样,学习的合作就扩展到了全体同学间以及学生与教师间。案例2与案例3中也体现了类似的特点。
  当然,要提高合作的效率,还需要有合理的分组、规范的操作,与其他学习方式间要有合理的整合,教师在合作中要担当好组织者、引导者、参与者的角色。
  最后需要说明的是,鉴于生物学科的特点,实验性探究是探究中的一种主要的学习方式,因此本文列举的案例均为实验探究类型。尽管我们在选取的时候只是截取片段,但其实际的探究过程都是完整的。探究性学习不应只局限于实验探究,探究还应该有更丰富的形式,如资料探究、体验探究等;探究的过程也不必都是完整的,教学过程中完全可以、也应该可以安排一些探究过程中一个或若干个环节的训练。即便是完整过程的探究,不同的探究侧重点也应该有所不同,这样才能全面提高学生的科学探究能力。
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