王 麗

(江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)星海實(shí)驗(yàn)中學(xué) 蘇州 215000)

科學(xué)思維是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是建立在證據(jù)和邏輯推理基礎(chǔ)上的思維，它有明確的思維依據(jù)和思維方向，能對事物或問題進(jìn)行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括的一種思維，是學(xué)科核心素養(yǎng)的標(biāo)志和關(guān)鍵。在實(shí)際教學(xué)中，往往從科學(xué)思維方法和思維品質(zhì)兩個方面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。思維品質(zhì)實(shí)質(zhì)是人的思維的個性特征，包括創(chuàng)造性、靈活性、批判性、深刻性和敏捷性。

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展可以幫助學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念，認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，形成科學(xué)思維。因此，高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的主陣地。本文以“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,從三個角度闡述如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提升科學(xué)思維品質(zhì)，發(fā)展科學(xué)思維。

1 在設(shè)計中提升思維品質(zhì)的創(chuàng)造性和靈活性

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是高中生物學(xué)教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。人教版教材中對該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計體現(xiàn)了典型的科學(xué)探究思路，特別是對CO2和酒精的定性檢測更體現(xiàn)探究的科學(xué)性。但是，該實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐中也存在著一些困難： 該實(shí)驗(yàn)裝置有氧和無氧條件難以把握、耗時較長、實(shí)驗(yàn)器材較多、藥品用量大等。對于一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課來說，實(shí)驗(yàn)裝置是實(shí)驗(yàn)探究的保障，教師通過層層遞進(jìn)的問題串引導(dǎo)學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化。首先，教師就教材裝置提出以下問題： ①有氧裝置中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的NaOH溶液的作用是什么？能否證明空氣中CO2是否除盡？如何改進(jìn)使實(shí)驗(yàn)裝置更簡化嚴(yán)謹(jǐn)？②無氧裝置中酵母菌培養(yǎng)瓶靜置一段時間再連接石灰水的目的是什么？靜置能否證明該瓶中O2是否除盡？如何克服該問題？③教材采用錐形瓶進(jìn)行CO2檢測，耗時長，如何改進(jìn)可在短時間內(nèi)出現(xiàn)明顯現(xiàn)象？④酒精如何檢測？如何簡化實(shí)驗(yàn)操作？各小組紛紛討論發(fā)表自己的看法，課堂氣氛非常活躍。最后，教師匯總各小組的設(shè)計并進(jìn)行整合，設(shè)計出最優(yōu)優(yōu)化方案如下：

(1) 考慮到教材用氣泵通氣，需用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液去除空氣中的CO2，操作繁瑣，借助分液漏斗和集氣瓶這套裝置，利用MnO2催化H2O2制O2，既可以為酵母菌細(xì)胞呼吸提供充足O2，又省去除CO2的實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)。

圖1 有氧呼吸測試裝置

(2) 教材選用錐形瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不方便取酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行酒精檢測。用上嘴過濾器替代錐形瓶，并于瓶塞上安裝10 cm長的針頭(針頭上安裝軟管接注射器)用于添加溶液和取樣，而上嘴可作為天然排氣管口(圖2)。

圖2 無氧呼吸測試裝置

(3) 用裝有澄清石灰水的具支管代替教材中錐形瓶，用于檢測CO2產(chǎn)生情況，既節(jié)約了試劑的用量，也縮短了出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時間，且具支管也存在天然排氣口。

(4) 借助水浴鍋控制溫度在35℃，有助于反應(yīng)在15 min左右的時間內(nèi)完成[1]。

杜威認(rèn)為：“教育即經(jīng)驗(yàn)的改造或改組”，學(xué)習(xí)應(yīng)該通過“做”從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)。學(xué)生通過合作探究設(shè)計實(shí)驗(yàn)裝置不僅能有效克服學(xué)生機(jī)械性背實(shí)驗(yàn)的問題，更有助于學(xué)生基于自身體驗(yàn)所獲得的感悟生成并建構(gòu)生物學(xué)核心概念，進(jìn)而提升學(xué)生思維品質(zhì)的創(chuàng)造性和靈活性。

2 在分析中提升思維品質(zhì)的深刻性

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，有氧裝置和無氧裝置澄清石灰水均出現(xiàn)渾濁，但有氧裝置澄清石灰水出現(xiàn)渾濁時間較早，且渾濁程度較深。在該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師常常滿足于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；酵母菌在有氧和無氧條件下均產(chǎn)生了CO2，且有氧呼吸產(chǎn)生的CO2比無氧呼吸多。而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的原因分析非常欠缺。在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師一方面要引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；另一方面，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過綜合分析的方式探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后隱含的科學(xué)本質(zhì)。綜合分析既是建構(gòu)生物學(xué)核心概念的基礎(chǔ)，也是發(fā)展學(xué)生思維品質(zhì)的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的可能原因： ①酵母菌在氧氣充足時繁殖快，一段時間后有氧裝置中酵母菌數(shù)量多；②酵母菌在氧氣充足時代謝快，消耗葡萄糖較多。如何進(jìn)一步證實(shí)？經(jīng)過討論，學(xué)生很容易想到可以利用血細(xì)胞計數(shù)板借助顯微鏡對酵母菌進(jìn)行計數(shù)，而如何測量葡萄糖的消耗量學(xué)生很難想出對策。教師給予適當(dāng)引導(dǎo)： 大家知道如何測定血液中葡萄糖的濃度嗎？學(xué)生可以想到借助血糖監(jiān)測儀分別測定一定時間內(nèi)有氧和無氧裝置中酵母菌分解葡萄糖的量，計算出酵母菌兩種呼吸方式下的呼吸速率，從而找出相同條件下，酵母菌有氧呼吸產(chǎn)生的CO2比無氧呼吸多的原因。

新課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)建議中提到： 理科必須說理。不說理的知識對學(xué)生來說只能是死記硬背。只有結(jié)論沒有原理的知識一旦遺忘，便什么都不會剩下。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析必不可少，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的原因才能理解科學(xué)知識的本質(zhì)，提高學(xué)生思維品質(zhì)的深刻性。

3 在質(zhì)疑中提升思維品質(zhì)的批判性

該實(shí)驗(yàn)酒精的檢測結(jié)果顯示，有氧和無氧裝置培養(yǎng)液均使酸性條件下的重鉻酸鉀溶液由橙色變?yōu)榛揖G色。這時，教師請學(xué)生推測實(shí)驗(yàn)結(jié)論，幾乎所有學(xué)生自信滿滿地得出： 酵母菌在有氧和無氧條件下均產(chǎn)生酒精這一結(jié)論。是這樣嗎？這時給出酸性重鉻酸鉀檢測酒精的原理方程式：

3C2H5OH+2K2Cr2O7+8H2SO4
=3CH3COOH+2Cr2(SO4)3(灰綠色)+
2K2SO4+11H2O

首先引導(dǎo)學(xué)生分析這個反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，酒精充當(dāng)了還原劑，然后引導(dǎo)學(xué)生思考發(fā)酵液中除了酒精是否可能還有其他還原性物質(zhì)。學(xué)生恍然大悟，想到了具有還原性的葡萄糖，其還原性比酒精還強(qiáng)。因此，有氧和無氧裝置均出現(xiàn)灰綠色并不能直接證明酒精的存在，需要先消耗掉其中的葡萄糖才可以，而相關(guān)文獻(xiàn)報道這需要5～6 h。顯然，該實(shí)驗(yàn)過程在短短的一節(jié)課時間內(nèi)葡萄糖是不可能消耗完的。如何排除培養(yǎng)液中葡萄糖對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾？我們可采用酒精檢測儀借助酒精的揮發(fā)性進(jìn)行定量檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 只有無氧裝置中培養(yǎng)液揮發(fā)的酒精導(dǎo)致檢測儀發(fā)光報警并顯示酒精量，而有氧裝置中未出現(xiàn)發(fā)光報警現(xiàn)象，且酒精顯示量為零。由此我們得出結(jié)論： 酵母菌在氧氣充足條件下不產(chǎn)生酒精，而無氧裝置中產(chǎn)生酒精的結(jié)論。

中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍存在“重驗(yàn)證、輕探究”的現(xiàn)象，尤其對實(shí)驗(yàn)的“異?！苯Y(jié)果常缺乏理性的分析和質(zhì)疑精神。質(zhì)疑是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，是創(chuàng)新教學(xué)和創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，同時又是當(dāng)前教育改革的薄弱環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師往往重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生“分析問題”和“解決問題”的能力，而忽視“提出問題”的能力的培養(yǎng)，從而直接影響到學(xué)生批判思維和創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計中，教師應(yīng)結(jié)合生物學(xué)科特點(diǎn)，注重質(zhì)疑能力培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計，努力創(chuàng)設(shè)質(zhì)疑情境，逐漸轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，不斷進(jìn)行實(shí)踐探索，從而使學(xué)生的問題意識、質(zhì)疑能力得到持續(xù)發(fā)展。