美国科学探究案例评析

谢群

科学探究和探究教学是生物学课程改革的一个重要内容。科学探究是科学家探索和认识世界的主要方式，而探究教学则是引导学生通过类似科学家探索世界的方式来学习生物学，期望他们在探究过程中能更深刻地构建生物学概念、发展科学思维和探究能力，并获得情感态度价值观的体验等。但在教学实践中，探究教学浮于表面的情况并不少见。如，用教师讲解代替学生探究;将提出问题、展开讨论等同于探究;或是将科学探究窄化为设计实验方案和设置对照等。其实，科学探究的内涵远不止于设计实验方案和设置对照。下面介绍一份来自美国高中生物课堂探究的方案，管中窥豹来分析生物学课堂探究教学。

1 案例基本信息及前期准备

本探究案例内容为“酵母是不是有生命”，包括了酵母的新陈代谢和生长繁殖两个探究活动。案例由肯特州立大学的博斯顿设计，之后经宾夕法尼亚大学生物学系沃顿和杜贺提修改完成。该探究方案中为学生提供了必要的知识基础，因此适用于初高中的课堂教学或者是课外活动。在此探究活动中，学生通过参与科学探究，基于探究所获得的生物学事实，理解酵母的新陈代谢和繁殖等重要概念，提升类比、推理、归纳等科学思维能力。

此外，为了适应有限的预算，此探究活动的设计旨在用最少的设备和耗材来进行。在探究前期，教师需要准备的器材有：酵母、葡萄糖、小气球、试管、试管架、容量至少为100 mL的容器、无菌培养基、显微镜、载玻片和盖玻片等。学生分小组完成探究活动。

2 探究案例展示

2.1 认识酵母，了解生命的特征

酵母是一种棕色的颗粒，在杂货店可以买到，在日常生活中酵母用来制作面包。你认为酵母有一些什么特点？这些棕色的颗粒是生物吗？请说明原因。

在回答“酵母是不是有生命”这个问题之前，需要先知道生命的基本构成。即，什么是生命组织的一些基本特点？你可以尝试检测一下酵母颗粒是不是具备生命质的两个特点——新陈代谢和繁殖。

2.2 探究酵母新陈代谢

2.2.1 背景资料

人们会直接通过实验来证明新陈代谢。换而言之，会直接测试酵母是否具有生命有机体的特征之一——使用能量。当酵母、人类或者其他生命体利用能量，它们就会在这一过程中消耗糖类，产生二氧化碳。本探究活动中将测试酵母是不是能够消耗糖类并产生二氧化碳，尤其是测试酵母在有糖或者没糖的时候是不是会消耗糖份并产生气体。

2.2.2 探究过程

（1）研究问题：酵母会不会消耗糖并产生气体？

（2）预设：你认为在有糖的时候酵母会不会产生气体？____。

你认为在没有糖和其他食物的时候，酵母会不产生气体？____。

解释你作这个预设的理由：____。

（3）验证预设。本实验具体步骤如下：

①取四只试管;分别标号1-4。

②向试管1加入4/5试管的水，再加入一点来自干燥包装中的酵母。当酵母完全混合后，再补充一些酵母，然后用拇指把试管口封住，震荡试管。将这个有酵母的水均匀倒入另外几支试管中。

③在1号试管中加入1/2包的葡萄糖，2号试管中加入葡萄糖。这两只试管就是实验组。

④在每支试管中都加入温水至4/5的试管处。在每支试管上都套上一個气球，以储存产生的气体。用气球将试管口密封，然后震荡试管，使内容物充分混合。

⑤每5 min观察并记录每只试管上的气球变化，一直到25 min。如果酵母颗粒能够进行新陈代谢，那么它会产生二氧化碳并排放到气球中。等待这个变化过程，通过实验以测试气体的增加。

（4）观察实验，将实验结果记录于表1中。

（5）小组讨论：你如何解释你们的实验结果？这个结果与你的预期吻合吗？为什么每个实验组不是设置一支试管，而是都设置了两支试管？

（6）拓展延伸：当你制作面包时，如果你仅仅混合了面粉、糖和水，这个面团没有发起来，那么面包就又扁又硬;如果你在面团中加入酵母，那么面团会变得大而松软。你能解释酵母是如何将面团变大的吗？

2.3 探究酵母生长繁殖

（l）研究问题：这些棕色的酵母小颗粒能繁殖吗？

（2）实验操作：取已放置酵母生长培养基的培养皿，并用自己的姓名、老师和课程时间标记培养皿底部（培养皿中的酵母生长培养基含有酵母生长所需的物质）。在酵母颗粒上滴加几滴水。将培养皿置于在370C的恒温箱中，直到下一次实验课。

（3）观察和记录：

①在下次实验课，观察培养皿。你是否观察到酵母在培养皿中的生长？将你看到的画下来。

②取一小部分酵母，然后在显微镜下观察，并描述所观察的结果。

（4）得出结论：基于上述结果，你认为这些棕色的酵母颗粒是不是有生命的？请解释为什么有或为什么没有。

3 案例评析

此案例在两个具体的探究活动中都基本涉及了提出问题、作出假设、设计实验方案、验证假设、交流讨论、得出结论等探究的基本环节。同时为了探究的顺利进行，在探究活动开始之前，联系生活实际介绍了酵母，并补充了有关新陈代谢的知识;在探究过程中，也引导学生讨论了重复实验的必要性等。这些与常见的大多数科学探究案例没有太大的差异。但仔细分析探究的各个环节，却可以发现此探究案例的独特之处。

首先，探究的各个环节紧密相关。在得出实验结果时，引导学生与之前的预期进行比较;当实验结果记录完成以后，反思实验方案的某处设计是否合理;探究结论的得出需要综合两个探究活动的结果等。这样一方面使探究的各个环节之间变得更加紧密，另一方面也使此探究活动更加接近于科学探究本身。在科学实践中，科学探究的进行往往不是直线式的推进，而是需要多次地在各个环节之间进行思考、比较和探索，有时甚至需要推翻之前的假说和预期，重新开始。当学生经历这样的探究活动时，他们更能深刻地理解科学知识构建的审慎和科学探究过程的严谨。

其次，此探究活动已提供了完整的实验步骤，并没有要求学生进行实验方案的设计，学生只需要按照给定方案进行操作即可。这有别于生物学探究教学中常见的对实验方案设计的关注。在当下的生物学探究教学中，设计实验方案往往是教师最希望学生思考和努力的地方。其实，实验方案的设计并非是科学探究和探究教学的核心和必要环节。无论是科学探究还是探究教学，其核心之一应该是科学思维，这正是本探究活动的另一个特点所在。

在此探究活动中，论证和解释贯穿探究活动的始终。例如，要求学生在提出研究问题之后进行预设，并进一步说明作此预设的理由。在小组讨论的环节，需要学生对实验结果进行解释。在拓展延伸部分，也是邀请学生进行解释：“你能解释酵母是如何将面团变大的吗？”在得出结论的时候，还是设计了学生进行论证和解释的环节。论证和解释是科学思维的外显。当学生对预设进行解释时，需要对新陈代谢的资料进行分析，进而推理可能的结果，并将这分析和推理的过程表述出来。在解释酵母如何将面团变大时，需要学生在观察实验现象并归纳其背后的生物学原理的基础上，将试管中酵母产生的气体与馒头发酵的时候面团产生气体的过程及其原理进行类比，进而得出是酵母新陈代谢产生了二氧化碳等。换而言之，此探究结论的形成，也是经过一系列环环相扣的猜想、假设、类比、推理、归纳、批判、论证等科学思维的过程。这样的探究更加接近真实的科学探究，也是更加深入而有效的。

在进行科学探究的时候，科学家更多的是基于问题慎重地进行假设;再围绕研究问题，寻找和构建能回答问题的方案，并进行实踐，得出结论。在这过程中，科学思维是科学探究中最为重要的部分。在生物学教学中，科学思维和科学探究是生物学学科核心素养的两个重要方面，也是生物学教学的重要内容。在日常教学中，不少探究教学往往会流于形式，有些教师甚至会为了探究而探究。虽然造成上述情况的原因是多方面的，但如果探究活动中缺乏教师有意识地引导学生进行科学思维，那么这样的探究活动只能是低效或是表面的。

探究教学应回归科学探究的核心和本质，环环相扣地引导学生在探究的各个环节进行科学思考。只有更加接近于真实的科学探究，才能凸显探究教学的价值，也才能实现培养学生生物学学科核心素养的目的。

参考文献：

[1]Chinn，C.A.，&Malhotra，B.A..Epistemologically authen-tic scientific reasoning. In K.Crowlev，C.D.Schunn，&T.Okada（Eds.）， Designing for science： Implications from evervdav， class-room， and professional settings. Mahwah， NJ： Erlbaum. 2001：351-392.

[2]Bernstein，P."ls Yeast Alive'？" [EB/OL].http：//serendip.brynmawr.edu/sci_edu/waldron/. 2011-12-05/2019-03-10.

[3]Driver， R.， & Newton. P.， Osborne， J. Establishing thenorms of scientific argumentation in classrooms. [J]. Science Edu-cation， 2000， 84（3）： 287.

[4]Osborne J F， Henderson J B， Mac：pherson A， et al. The de-velopment and validation of a learning progression for argumenta-tion in science [Jl. Journal of Research in Science Teaching，2016， 53（6）： 821-846.