例谈科学方法的教学如何提高学生生物学核心素养

Improving Students’ Core Biological Literacy through Teaching Scientific Methods: A Case Study

摘要: 在人教版教材中，不仅设有单独的科学方法栏目，而且在教材内容中也渗透着大量的科学方法。教师在实际教学中，需要充分利用好科学方法的教学，将科学方法贯穿于教学活动中，从而达到提高学生生物学核心素养的目的。

Abstract: In addition to having a separate column on scientific methods, the textbooks not only contain a large amount of scientific methods, but also permeate with a large amount of scientific methods in the content of the textbooks. In actual teaching, teachers need to make full use of scientific methods in teaching, integrate scientific methods into teaching activities, and thus achieve the goal of improving students’ core biological literacy.

1. 引言

科学方法普遍存在于高中生物学教材中，但在实际教学过程中，科学方法的教学并不受重视。学生掌握了生物学知识却对科学方法一知半解，导致学生在面对相同的生物学问题时，却不会使用科学方法去分析、解决。因此，笔者认为，在生物教学中，教师应利用好科学方法的教学，设计丰富的教学活动，将科学方法渗透其中，使学生在乐于接受科学方法的同时，并能够使用科学方法分析解决真实问题。通过一系列科学方法的学习，全面提升生物学核心素养。

2. 科学方法的定义及分类

科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、规则、技巧和模式。一般分为三个层次：1) 学科内的特殊方法，也称专门科学方法，与生物学科结合，也就是生物学科方法；2) 多学科方法，也称一般科学方法，适用于自然科学和社会科学的一般方式、手段和原则；3) 全学科方法，是具有最普遍方法论意义的哲学方法[1]。本文对新人教版教材科学方法栏目进行了整理，结果如表1所示。

Table 1. Content of scientific methods column and corresponding chapters, page numbers

表1. 科学方法栏目内容及对应章节、页码

科学方法分类	科学方法	章节	页码
生物学科方法	分离细胞器的方法—差速离心法	必修一第3章第2节	第47页
	同位素标记法	必修一第3章第2节	第51页
一般科学方法	归纳法	必修一第1章第1节	第5页
	提出假说	必修一第3章第1节	第44页
	建构模型	必修一第3章第3节	第57页
	控制变量和设计对照实验	必修一第5章第1节	第78页
	对比实验	必修一第5章第3节	第92页
	自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”	必修二第3章第1节	第46页
	预实验	选修一第5章第3节	第102页
	建立数学模型	选修二第1章第2节	第7页
	视角决定问题——以群落和种群研究为例	选修二第2章第1节	第22页
	研究能量流动的基本思路	选修二第3章第2节	第54页
哲学方法	假说—演绎法	必修二第1章第1节	第7页

除教材中设有的科学方法栏目外，教材中还渗透着许多其他科学方法，例如在绿叶中色素的提取与分离用到了纸层析法，属于生物学科方法，在萨顿假说中萨顿通过类比推理法得出基因与染色体的关系，这里的用到的是类比推理法，则属于哲学方法。由此可见，科学方法在教材所占篇幅之多，教师应在教学中引起重视。

3. 科学方法的教学如何提高生物学核心素养

3.1. 理解科学方法，形成生命观念

对于科学家而言，生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象，是经过实证后的想法或观点；对于中、小学生而言，生命观念是他们学习生物学课程后获得的标志性的学习成果，是衡量学生是否受到了良好生物学教育的标尺。而生命观念的建立以概念性知识的学习为基础，教师在课堂教学中，需精心设计教学过程，用学生学习经历或生活经历所提供的直观、细碎、具体的事实性知识为基础，引领、提示学生概括生成为抽象的重要概念和大概念。

例如在必修一开篇介绍的科学方法—归纳法，教师可以尝试将归纳法的科学方法贯穿教学活动，在介绍完细胞学说内容之后，思考问题施莱登和施旺只是观察了部分动植物的组织，却归纳出“所有的动植物都是由细胞构成的”结论可信吗，由此引出不完全归纳法。再次出示：① 变形虫摄食、生长、分裂等生命活动；② 缩手反射由一系列不同的细胞共同完成一系列复杂的生命活动；③ 病毒没有细胞结构，必须寄生在活的宿主细胞中才能完成增殖。学生通过完全归纳法得出细胞是基本的生命系统，再让学生尝试归纳出完全归纳与不完全归纳的区别与联系。经此设计，学生不仅理解了科学方法，同时对本节的概念性知识也有了一定掌握。因此，在理解科学方法基础上，理解重要概念，进一步形成本节的生命观念。同时通过归纳法的学习，对学生的归纳能力也有一定提升。

3.2. 学会科学方法，加强科学思维训练

在必修二科学方法栏目介绍的一种科学方法—假说演绎法，它是一种哲学方法，能广泛运用到各类学科以及各种思维活动与生活中去，更是一种训练科学思维的重要科学方法。它是指在观察和分析的基础上提出问题以后，通过推理和想象，提出问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结果，如果实验结果与预期的相符，就证明假说是正确的，反之，就说明假说是错误的[2]。学生通过假说演绎法的学习，掌握假说演绎法的一般过程，锻炼科学思维，体会科学家的心路历程。

提出问题是开展一切科学研究的源头，教师在教学中通过创设丰富多彩的问题情境，使学生在情境中更容易提出问题。以摩尔根的果蝇杂交实验为例，教师可以通过展示摩尔根实验资料或放映相关动画，学生观察实验现象得出实验结论并发现问题，从子二代的分离比控制眼色的基因是一对等位基因，控制白眼的基因是隐性基因，并且发现白眼的都是雄性。归纳以上发现，推理出控制眼色的基因位于性染色体上。教师展示果蝇雌雄性的性染色体，学生综合书本信息提出假说：控制眼色的基因位于X染色体上。学生根据假说结合实验图谱进行演绎推理，并引导学生尝试设计测交实验来验证，结合课本中测交实验结果，来证明假说。最终完成了一个完整的假说演绎过程。在这过程中，充分锻炼了学生归纳、演绎、推理等逻辑思维，加强了学生科学思维的训练。

3.3. 掌握科学方法，提高科学探究能力

在高中生物课程教学中，运用实验教学手段帮助学生更好地理解相关内容、鼓励他们探索和探究复杂知识点是十分重要的，这可以使学生开阔眼界，对世间万物和自然现象形成科学的认知。同时，在实验教学的过程中，教师可以激发学生的生物学习兴趣，培养学生科学探究思维。而在生物实验中对自变量的控制是生物实验成功的关键，这其中就包括加法原理和减法原理。教师在实际教学过程中要重视科学方法的传授，学生在掌握了自变量控制的加减法原理，其设计、实施实验能力有所提高，从而提高他们的科学探究能力。

在整个生物教材中，加减法原理渗透在生物实验中例子很多，例如在探究环境因素对光合作用强度的影响实验中，不同的光照强度下对植物小叶片光合作用的影响，体现了运用加法原理控制自变量的思想。而在肺炎链球菌转化实验中，艾弗里将每个实验组特异性地去除了一种物质，从而鉴定出了DNA是主要的遗传物质。在这个实验中人为地去除某种影响因素就被称为减法原理。并且在这一章节科学方法栏目着重介绍了加减法原理，可见，加减法原理在实际生物教学中的重要性。因此，教师在实际教学中要注意科学方法的渗透，使学生在掌握科学方法的基础上，善于发现生物学问题，尝试设计、实施实验，并培养对实验结果交流、讨论的能力，从而完成一个完整的科学探究过程，全面提升自己的科学探究能力。

3.4. 运用科学方法，承担社会责任

教师通过生物教学提升学生生物学核心素养，社会责任经常会被认为是较轻松、较容易培养的，所以在生物学核心素养培养过程中，社会责任较容易被忽略掉。社会责任作为核心素养的一个重要组成部分，在生物课堂中应引起重视。普通高中生物学课程标准就社会责任作了明确界定，指学生在负责任地运用生物学学习成果方面能准确处理其个人与社区(社会)的关系，基于对生物学的认识、态度与价值观参与个人与社会事务讨论，作出理性解释和判断，采取决策和行动的取向，有尝试解决生产生活中生物学问题的担当和能力[3]。这就要求教师在生物课堂上，通过真实情境的创设，在解决问题的过程中提高学生进行讨论作出决策的参与度，强化社会责任在中学生物学教学中的落实。在这一过程中，教师时刻关心社会上的一些科技新闻，关注人们面对的挑战，引导学生运用科学方法，讨论其背后涉及的生物学知识，可能的应对策略，从而将所学的生物学知识与现实生活联系起来，在解决现实问题的过程中，承担社会责任。

以群落的结构一节为例，教师通过播放水土流失、生态恶化的黄土高坡视频创设情境，让学生在感慨生态环境恶劣的同时引导学生思考如何让黄土高坡变成绿水青山。教师对真实问题情境的创设，激发了学生的学习兴趣以及提高了他们学习的主动性。学生会从自己的角度给出答案，例如植树造林，退耕还林。教师总结学生答案是在黄土高原上构建一个人工群落。教师继续抛出问题，构建人工群落过程中，动植物是可以随机放进黄土高原吗？学生跟随教师脚步，学生可以通过小组合作思考研究群落需要考虑的问题，给出答案。教师总结并讲解本节的科学方法。在此基础上，学生充分了解了研究群落需要考虑的问题。学生在掌握了科学方法之后，教师继续给出一些现实问题让学生运用科学方法去分析，尝试解决。这样一来，就将学生学习的生物学知识与现实生活结合起来，在解决现实问题过程中，承担社会责任。

4. 基于科学方法的教学案例设计——比较过氧化氢在不同条件下的分解

4.1. 创设问题情境，激发学生探究兴趣

教师展示加酶洗衣粉以及复方胃蛋白酶颗粒图片，提问：酶的作用是什么？继续展示过氧化氢溶液，进一步提问怎样加快过氧化氢的分解速率？学生分析、思考后，给出答案，教师总结在加热、FeCl₃溶液和过氧化氢酶的条件下都能加快过氧化氢的分解。引出课题—比较过氧化氢在不同条件下的分解，来探究酶的作用。

设计意图：通过展示图片，创设生活情境导入，吸引学生探究兴趣，为更好地学习科学方法打下基础。

4.2. 学习科学方法，确定实验变量和尝试设计对照实验

组织学生阅读教材78页科学方法栏目，思考并回答以下问题：① 什么是变量？什么是自变量？什么是因变量？什么是无关变量？② 在本实验中的自变量、因变量、无关变量是什么？③ 什么是对照实验以及它的作用？④ 怎么设置本实验的对照实验？小组合作并完成表2、表3。

Table 2. Control variable table

表2. 控制变量表

控制变量
自变量	因变量	无关变量
温度、酶、FeCl3溶液	过氧化氢的分解速率	过氧化氢的浓度以及反应时间

Table 3. Design control experiment

表3. 设计对照实验表

设计对照实验	组别	无关变量	自变量	因变量
对照组	1	3% H2O2 2 ml	常温	H2O2的分解速率
实验组	2	3% H2O2 2 ml	加热	H2O2的分解速率
	3	3% H2O2 2 ml	FeCl3溶液	H2O2的分解速率
	4	3% H2O2 2 ml	猪肝研磨液	H2O2的分解速率

设计意图：教师组织学生自主阅读科学方法栏目，通过问题串的方式引导学生在了解控制变量和设计对照实验的基础上，分析、思考本实验的自变量、因变量、无关变量是什么，在明确变量之后，尝试控制变量，设计对照实验。学生在掌握科学方法的同时，也能掌握科学探究的基本思路，从而尝试设计实验，对学生的科学思维能力进行了训练。

4.3. 确定实验方案，观察实验现象

教师根据学生填表的情况，查找不足，总结实验方案，比如学生在观察实验现象，也就是观测因变量没有阐述清楚，要引导学生如何判断H₂O₂的分解速率的快慢。学生思考并回答通过氧气的生成量或者H₂O₂的减少量来判断，在这里可以通过气泡的产生量和卫生香的燃烧情况来间接判断。在对实验方案完善后，组织学生进行实验，并注意观察实验现象。

设计意图：教师在对学生实验方案进行总结，指出不足，并提出问题让他们改进实验方案，最后动手操作实验。不仅对学生科学思维能力进行锻炼，通过进行探究实验，锻炼了学生动手操作的能力。

4.4. 基于实验现象，归纳实验结果

实验结束后，各小组记录实验现象，教师通过继续通过问题串引导学生归纳实验结果，① 与1组对比，2、3、4组出现了什么现象？② 在细胞内，能通过加热提高反应速率吗？这说明了什么？③ 3、4组相比，哪组反应速率快？这说明了什么？学生在解决问题中一步步归纳出与无机催化剂相比，酶的作用。教师进一步展示酶工程资料，学生通过分析资料了解酶工程在现实生活中的应用。并布置作业：基于本节课科学方法的学习，自己尝试设计淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用的探究实验。

设计意图：继续通过问题串，引导学生归纳出酶的作用，提升学生的概括与归纳能力。展示酶工程资料，使学生了解酶工程在实际生活中的应用的同时，能够运用所学到的知识，在面对与其相关的生物学问题情境时，能够参与讨论并能给出一定的问题解决方案。从而承担社会责任。在课后作业中，让学生设计探究实验，进一步巩固了设计探究实验的一般思路，加强了对科学方法的学习。

5. 结语

综上所述，科学方法不仅可以用来理解概念性知识，设计探究实验，训练思维活动，而且在面对生产生活中的生物学问题时，也能够帮助学生利用科学方法，解决现实问题。可见，科学方法如何利用以及在实际教学活动中如何实施至关重要。教师不仅要对教材中所有科学方法了然于心，并且根据不同的教学内容选择合适的教学方法，尝试设计丰富多彩的教学活动，将科学方法贯穿其中，使对教学方法的教学不仅能促进学生对生物学知识的学习，并且能对学生培养生命观念，训练科学思维，提高科学探究能力以及承担社会责任方面都有所帮助，从而全面培养学生的生物学核心素养。

NOTES

^*通讯作者。