基于科學(xué)史培養(yǎng)高階思維的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“傘藻移接實(shí)驗(yàn)”為例

周 瑾

（南京航空航天大學(xué)附屬初級(jí)中學(xué) 江蘇南京 210001）

高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力，在教學(xué)目標(biāo)分類中表現(xiàn)為分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造。探究實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生高階思維的重要途徑，科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)更是培養(yǎng)學(xué)生高階思維的重要載體。在教學(xué)過程中，教師不能簡(jiǎn)單講述實(shí)驗(yàn)過程，而要依托科學(xué)家實(shí)驗(yàn)的步驟，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剖析，將問題逐一呈現(xiàn)給學(xué)生，尤其需注重引導(dǎo)學(xué)生理解提出推論的過程，推理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，從而幫助學(xué)生發(fā)展思維能力，加深學(xué)生對(duì)概念的理解。

蘇教版生物學(xué)八年級(jí)下冊(cè)第二十二章第一節(jié)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”中選用了德國(guó)科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生討論：傘藻移接實(shí)驗(yàn)說明了什么？這個(gè)實(shí)驗(yàn)要解決的問題是：生物的性狀是由細(xì)胞核控制還是細(xì)胞質(zhì)控制的？實(shí)驗(yàn)說明傘藻細(xì)胞核中具有控制性狀的遺傳信息。科學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)論已經(jīng)深入人心，學(xué)生往往不愿意再去分析和思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程，更傾向于直接尋找結(jié)論?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)的歷程中承載和表達(dá)了科學(xué)家們科學(xué)思維，學(xué)生僅憑實(shí)驗(yàn)結(jié)論是無(wú)法感知這些的。故在教學(xué)中，教師應(yīng)依托教材，適度拓展相關(guān)科學(xué)史實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)探究，發(fā)展高階思維。

1 情境創(chuàng)設(shè)

德國(guó)藻類學(xué)家黑默林用傘藻作了一系列有關(guān)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究。傘藻是學(xué)生比較陌生的植物，教材中使用的背景資料較少，教師應(yīng)該依托這個(gè)背景創(chuàng)設(shè)情境，通過科學(xué)家開展研究的事例，激發(fā)學(xué)生的好奇，喚起學(xué)生探索知識(shí)的欲望，引導(dǎo)學(xué)生由初級(jí)的“有趣”上升為樂于探索的“樂趣”。

教師播放傘藻視頻，讓學(xué)生了解傘藻的分布、外形和生活場(chǎng)景，激發(fā)他們的探究興趣。接著，教師提問：傘藻作為移接實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)勢(shì)是什么？并用問題串進(jìn)行引導(dǎo)：①傘藻的結(jié)構(gòu)有幾個(gè)部分？②每個(gè)部分內(nèi)有什么結(jié)構(gòu)？③實(shí)驗(yàn)一的兩組實(shí)驗(yàn)切除了什么結(jié)構(gòu)？留下什么結(jié)構(gòu)？④長(zhǎng)出的傘帽是否與原來一樣？

在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生思路一直在圍繞傘藻的結(jié)構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)家的選材、設(shè)計(jì)思路、證據(jù)的可靠性等方面進(jìn)行比較、分析、判斷、解釋。學(xué)生通過思考，明確了傘藻的基本結(jié)構(gòu)、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的位置，對(duì)于傘藻傘帽能夠再生也有了清晰的認(rèn)識(shí)。學(xué)生順應(yīng)科學(xué)家的思路去發(fā)現(xiàn)問題，體會(huì)科學(xué)家的思維方式，有利于激發(fā)高階思維和進(jìn)一步的探究。

2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)

學(xué)生在初一已有前概念：細(xì)胞核內(nèi)有遺傳物質(zhì)，能夠傳遞遺傳信息。在討論這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生容易將前概念帶入，或直接尋找教材中的結(jié)論。這樣的學(xué)習(xí)方式對(duì)學(xué)生的理性思維能力的培養(yǎng)是極為不利的。教師應(yīng)在教材提供的實(shí)驗(yàn)過程的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行重新建構(gòu)，圍繞科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的要求，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)變量，引導(dǎo)學(xué)生重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)科學(xué)問題而言，實(shí)驗(yàn)變量的控制非常重要。教師通過引導(dǎo)學(xué)生分析變量和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，獲知學(xué)生對(duì)于教材中科學(xué)家實(shí)驗(yàn)的理解程度，有利于激發(fā)學(xué)生探究興趣，激活思維。

教師將學(xué)生分組，每組提供2種傘藻模型。模型分為傘帽、傘柄、假根3段，均可拆開拼接，方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)。之后，教師通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生自主探究，在探究中發(fā)現(xiàn)問題、尋找問題的答案，啟發(fā)學(xué)生對(duì)證據(jù)、推理和結(jié)論等進(jìn)行反思評(píng)估，最終歸納提煉原理、規(guī)律，從而加深學(xué)生理解，提升科學(xué)思維。

任務(wù)（1）依據(jù)教材的實(shí)驗(yàn)一，分析：切掉傘帽后，重新長(zhǎng)出的傘帽的性狀是與假根有關(guān)還是與柄有關(guān)？

任務(wù)（2）模擬科學(xué)家實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。在教材的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師要求學(xué)生將模型進(jìn)行兩兩組合，根據(jù)不同變量設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。教師根據(jù)科學(xué)史探究實(shí)驗(yàn)的步驟，提供探究的方向，引導(dǎo)學(xué)生。對(duì)照實(shí)驗(yàn)要求除了對(duì)實(shí)驗(yàn)所要求研究因素或操作處理外，其他因素都保持一致。學(xué)生比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，明確傘藻的假根還是傘柄對(duì)傘帽的影響和處理效應(yīng)或意義。圖1為在變量分別為傘柄和假根的情況下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖1 變量為傘柄和假根的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

任務(wù)（3）學(xué)生進(jìn)一步探究：如何使移接體長(zhǎng)出菊花型傘帽？在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生接著設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)④并明確其對(duì)照實(shí)驗(yàn)（圖2），再次明確假根的作用。

圖2 使移接體長(zhǎng)出菊花型傘帽的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其對(duì)照實(shí)驗(yàn)

本環(huán)節(jié)注重教學(xué)重心的轉(zhuǎn)換與內(nèi)容再構(gòu)的變化，關(guān)注重點(diǎn)從知識(shí)結(jié)果的傳遞和掌握轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)學(xué)習(xí)過程和意義的理解。學(xué)生通過對(duì)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)的分析，以教材上的4組實(shí)驗(yàn)重新組合，兩兩對(duì)照，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中可以挖掘出與對(duì)照實(shí)驗(yàn)相關(guān)的多種思路。學(xué)生解釋發(fā)表觀點(diǎn)，將知識(shí)整合到新的任務(wù)中，在思考中得到樂趣，在思考中開拓思路，在思考中提高素養(yǎng)。

以學(xué)生為中心參與課堂是影響高階思維技能培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵因素，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)該是教會(huì)學(xué)生推理、教會(huì)學(xué)生思考上。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上每一步實(shí)驗(yàn)都是科學(xué)家經(jīng)過思考，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能得出結(jié)論。學(xué)生通過科學(xué)史的學(xué)習(xí)，潛移默化中提高科學(xué)探究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和不畏艱難的探索精神。

3 遷移運(yùn)用

雖然教材上的探究任務(wù)已經(jīng)完成，但此時(shí)學(xué)生的思維已經(jīng)很活躍，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生遷移、深化知識(shí)，發(fā)展分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維能力。

教師再次提問：實(shí)驗(yàn)中兩種傘藻的假根處有沒有細(xì)胞質(zhì)？學(xué)生討論、分析，發(fā)現(xiàn)：假根處也有細(xì)胞質(zhì)的存在，因此長(zhǎng)出的傘帽無(wú)法準(zhǔn)確判斷是細(xì)胞核還是細(xì)胞質(zhì)起的作用。

教師據(jù)此引入傘藻核移植的拓展實(shí)驗(yàn)：將菊花形帽的傘藻的核移入到去核并去帽的傘形帽傘藻的假根中去，得到與菊花形帽傘藻一樣的菊花形帽。

學(xué)生討論傘藻核移植實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，從而明確細(xì)胞核的決定作用，強(qiáng)化傘藻細(xì)胞核中具有控制性狀的遺傳信息這一概念。

教師展示克隆羊?qū)嶒?yàn)，進(jìn)一步拓展學(xué)生思維：培育多莉羊的過程中，科學(xué)家采用了克隆技術(shù)。從一只成年母羊身上提取體細(xì)胞，把這個(gè)體細(xì)胞的細(xì)胞核注入另一只母羊的卵細(xì)胞之中，而這個(gè)卵細(xì)胞已經(jīng)抽去了細(xì)胞核，最終新合成的卵細(xì)胞在第三只母羊的子宮內(nèi)發(fā)育形成了多莉羊。多莉的性狀應(yīng)該和哪只母羊基本相同？學(xué)生討論回答出“與提供細(xì)胞核的母羊基本相同”。

教師將教學(xué)內(nèi)容與真實(shí)生活情境相聯(lián)系，解決問題、拓展應(yīng)用，使學(xué)生能夠串聯(lián)起新舊知識(shí)，并展開反思、批判、創(chuàng)新的思維活動(dòng)。

4 激勵(lì)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)是課堂教學(xué)中至關(guān)重要的一部分，課堂教學(xué)過程及時(shí)的評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生有很強(qiáng)的激勵(lì)作用。尤其是在任務(wù)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生在評(píng)價(jià)他人與被評(píng)價(jià)的過程中進(jìn)一步改正缺點(diǎn)、發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)，發(fā)展高階思維能力。

在本次教學(xué)中，學(xué)生需要通過思考辨別傘藻的基本結(jié)構(gòu)、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的位置以及2種不同傘藻的區(qū)別。這要求學(xué)生閱讀教材、分析資料，有助于促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成比較分析的習(xí)慣。在探究過程中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，需要學(xué)生對(duì)教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析重構(gòu)，對(duì)學(xué)生的判斷、檢驗(yàn)等思維能力培養(yǎng)有很大幫助。最后，教師通過情境的創(chuàng)設(shè)，任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，激活學(xué)生思維，幫助其進(jìn)一步內(nèi)化知識(shí)。

對(duì)學(xué)生表現(xiàn)出來的高階思維能力進(jìn)行全過程的評(píng)價(jià)，并通過評(píng)價(jià)得到的信息，了解學(xué)生高階思維能力的水平以及高階思維教學(xué)存在的問題，能夠幫助教師改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)行為，形成教、學(xué)、評(píng)一致性。

“傘藻移接實(shí)驗(yàn)”是初高中教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，教師深入挖掘教材中的科學(xué)史資源，以科學(xué)家經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為依托，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家思維，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到生物學(xué)概念的形成需要在實(shí)驗(yàn)探索中不斷發(fā)展和完善，逐步鍛煉高階思維和解決問題的能力。