摘要 在实验教学中我们常发现学生对简单的观察实验,验证性实验缺乏兴趣。尤其是操作简单的这类实验,学生快速完成实验后常无所事事,浪费剩余的课堂时间。本文主要阐述如何利用这样的实验开展探究教学活动。既丰富实验的内容,激发学生的兴趣,又能培养学生探究学习的能力,同时避免了学生对课堂时间的浪费。本文主要提出了如何利用相关的实验挖掘探究教学的素材、如何在活动开展中培养学生的元认知能力与训练学生的科学探究方法、开展这种探究活动要把握的主要原则,以及活动开展中面临的问题及解决办法。
关键词实验课探究教学 元认知科学探究方法
生物科学是一门实验性很强的学科,生物学的发展很大程度上依赖于生物实验的开展。在新一轮的课程改革倡导探究性学习的课程理念。作为培养学生生物科学素养,体现科学探究的生物实验教学方式也应该顺势而变。但在实际的中学教学中,探究实验教学活动的开展情况却并不理想,一个重要的原因是探究实验教学活动需要的课时比较多。但在我们平时的实验课堂上却发现,教材上许多验证性实验或观察类实验很简单,学生按照实验册上的步骤操作很快就完成实验。有的不到半节课,有的甚至只需要几分种。在实验室这样的特殊环境下学生往往就把余下的时间在打闹中直接就浪费了。我在困惑中思考能否在这些实验课中挖掘探究实验活动的素材。通过开展探究性实验活动有效的利用课堂时间。本文是我在实验课中开展探究教学活动的实践与思考。
一、探究实验素材的挖掘
(一)利用课本上简单的观察试验开展探究实验活动。
教材上的许多学生实验很简单,而这种实验适当的进行改变就能变成一个探究实验。我曾经在观察细胞质流动这个实验中进行过尝试。让学生在完成观察细胞质流动实验的基础上对细胞质流动的影响因素进行探究。按下列程序进行操作:
①实验课前按教师发的讨论提纲进行预习,让学生通过阅读课本,查阅资料,提出问题,根据问题设计实验方案:
表一、课前预习讨论提纲
一、课前预习
[分析讨论,提出问题,作出假设]
1、细胞质为什么是流动的,细胞质流动的意义是什么?
2、我们如何观察细胞质流动,选什么结构作观察对象?
3、你选择的实验材料是什么?为什么选择该材料?
4、哪些因素会影响细胞质流动的快慢?
5、你希望对哪些影响因素进行探究
6、你的实验是否设计成对比实验?
7、实验的自变量和因变量是什么?你通过什么方法控制变量?
[设计实验]
1、请同学们阅读教材上相关知识,带着问题收索相关的信息,设计一个对细胞质流动影响因素进行探究的实验。小组讨论后上交给老师。
2、请设计一个表格用来记录实验结果。同时预测实验结果,并说明理由。
细胞质流动的观察只是一个简单的观察实验,教材上对细胞质流动的影响因素并没有作相关的描述,学生需要带着预习的问题去杂志或者网络上查找相关的知识。学生通过查找资料基本都明确了细胞质流动的意义,观察细胞质流动的参照物是叶绿体,细胞质流动的影响因素主要有温度,光照,伤流等。各小组的学生经过讨论设计了细胞质流动可能的影响因素探究实验方案。
②教师审阅学生上交的实验方案,并与实验老师配合准备实验所需的材料,器具。至于实验能否成功,实验步骤是否合理等问题教师不作评价与干预。
③学生按照自己设计的方案自主进行实验,自主修改实验方案
这个实验因为操作很简单,完成实验需要的时间短,学生在一节课中就顺利的完成了探究活动。
(二)利用实验中的“异常”情况开展探究实验活动
我们在进行实验活动的时候常会出现实际结果与预期不相符的情况,这种实验中的异常现象是开展探究实验活动很好的素材。我校一位老师在开展酵母菌呼吸方式的探究实验活动中就发现一个意外情况:
用上图的装置一进行实验,按照实验前的分析,预期的实验结果是液滴向左移动,但实际的实验结果是液滴向右移动。这个装置在许多有关酵母菌呼吸方式为背景的习题中常出现,答案都是向左移动。为什么实际情况是向右移动呢?这一现象引起了学生极大的兴趣,这位老师就抓住这个异常现象让学生展开探究。学生提出了各种猜想,并设计了相应的实验来验证自己的猜想。典型的案例有两个:
典型案例一:
①猜想1:酵母菌既存在有氧呼吸,又存在无氧呼吸,产生的CO2体积大于消耗的O2的体积,装Na OH的小烧杯截面积太小,吸收CO2的速度太慢,导致气体体积增加,使液滴向右移动。
②实验验证:
验证假设的实验装置设计如下图
③实验结果:液滴仍然向右移动,但移动的刻度减小了。
④讨论分析:NaOH对CO2的吸收速度慢是影响液滴移动的因素,但不是唯一的因素
⑤继续探究
典型案例二:
①猜想2:酵母菌在代谢中产生的热量使气体体积膨胀,导致气体体积变大,使液滴向右移动。
②实验验证:
验证假设实验装置设计如下图
注:这个探究实验方案中给装置装上了温度计以测量温度,对照组放入的是煮沸过的酵母菌培养液,一定时间装置一中液滴明显移动时,记录液滴移动的刻度,并记下装置的温度。然后处理对照组―――装置四使之达到相同的温度,记录液滴移动的刻度。
③实验结果:实验组装置三温度明显升高,对照组装置四升高到相同温度后液滴明显向右移动。但实验组液滴移动的距离大于对照组。
④讨论分析:温度升高确实影响了液滴的移动,但实验组液滴移动的距离大于对照组,说明温度不是唯一的影响因素。
⑤继续探究
最后通过小组间的交流学生认识到他们的猜想都有道理,但都不全面。
通过尝试,实践证明以上两种方法都是挖掘探究实验素材行之有效的的方法。
二、在实验课中开展探究实验活动的意义
(一)有利与元认知能力的培养
“元认知”即自我认知。元认知研究的开创者Flavell认为元认知是:“反映或调节认知活动的任一方面的知识或认知活动”,也就是个体对思维活动的自我体验、自我观察、自我监控和自我调节。其实质就是个体对认知活动的自我意识、自我控制。在本探究实验的设计过程中学生必须要计划、监视、控制、调节自己的整个过程。这个过程实际上就是心理学上所说的元认知,它在个体的整个智力活动中处于支配地位,能控制调节活动,并能促进个体思维的创新。学生在探究实验中表现出的元认知可以如下图所示:
图中(一)部分体现的是元认知知识;(二)部分是元认知体验过程;(三)部分是元认知监控过程。
学生在进行探究活动的过程中应用了元认知知识,比如在细胞质流动影响因素探究实验中,学生首先要选择正确的策略来解决教师提出的问题,探究实验活动一般都以小组合作的形式开展,组员之间需要分工合作,这就需要了解各组员不同的特点,以便合理的分配任务,使探究活动能顺利的完成。这些关于学习者的知识、任务的知识、学习策略及其使用方面的知识都是元认知知识。探究实验活动的开展有利于学生元认知知识的增加。
在实验操作中以及修正实验方案中应用了元认知监控过程,比如在细胞质流动影响因素探究实验活动中,有小组探究光照强度对细胞质流动的影响,开始选择控制光照强度的方法是使用不同数量的台灯,后来有学生提出影响光照强度的因素除了台灯的数量外,还包括台灯与实验材料的距离。于是学生提出用一盏台灯通过控制与实验材料间的距离来控制光照强度,这样操作就简化了。在上述提到的酵母菌的呼吸方式实验中,认为是温度影响了液滴移动的小组,在设计实验时,有学生提出通过降温带走热量,保持装置温度不变。经讨论实际无法操作,于是修正方案,通过设置对照组来检测因为物理因素而引起的气体体积变化,从而检测酵母菌发酵过程的温度变化对气体体积的影响。在实验操作与方案的修正中学生的元认知监控能力得到了提高。
在设计和操作实验方案中实现了元认知体验过程。可见,这些探究实验活动的开展对于学生的元认知能力的培养无疑是非常有利的。
(二)有利于科学探究方法与策略的渗透
探究活动过程中主要的探究方法可以用下图表示:
通过实验来开展探究教学能使学生真正的体验探究教学的完整过程,探究活动都要经过问题情境、提出问题、作出假设或猜想、收集证据、实验验证、分析实验结果,表达与交流这样一个过程。为训练学生科学探究的方法与策略提供了很好的平台。教师可以在探究活动的各环节合理的渗透各种科学探究的方法与策略,有效的提高学生科学探究的能力。
在进行科学探究方法训练时应注意:①结合具体的环节训练不同的探究方法;学会判断与选择方法或策略。研究表明要促进迁移不仅需要教给学生使用各种策略,更重要的是让学生了解应该在何时何地使用何种策略。这不是学生在探究实验活动中能自然形成的,需要教师有意识的进行训练,例如在细胞质流动影响因素探究实验中明确要求学生用表格的形式来记录实验的结果就是对学生实验结果表格化的训练。②在不同的探究实验活动中有侧重的训练不同的科学探究方法,例如在探究细胞质流动影响因素的实验活动中,因学生要先完成教师提供的预习讨论提纲,学生就需要查找资料,收索信息,这里就可以有意识的训练学生查阅文献、阅读、实验观察等方法,在酵母菌呼吸方式的探究实验中主要训练学生观察、比较、分析等方法。③引导学生发现和总结运用方法、策略的好处,激发学生运用方法、策略的意识。例如在实验方案的呈现方式上可以让不同组的学生选择图示、文字叙述、表格等不同的形式,然后比较哪种形式最简洁、准确。使学生能在以后的探究活动中自觉的思考,选择合理的形式来呈现实验的方案。
三、在实验课中开展探究教学活动应该把握的原则
(一)学生主体探究与教师引导相结合的原则
探究性学习作为一种学习方式,与科学家的探究活动有所不同,它必须满足学生在短时间内学到学科的基本知识和学科的结构,如果整个过程完全由学生探究,在课时上必然严重不足,容易让学生感到手足无措,过久地处于无助状态。教师要善于给学生必要的引导,有效地解决这个问题。而且,也避免了学生盲目探究引起的“繁、难、深、重”,使学生容易感受到成功的喜悦。教师适时的、必要的、谨慎的、有效的指导,使学生探究在经历了一段努力之后有所结果,体验到有所收获的喜悦和兴奋,使学生探究素质不断提升,从而使学生的探究实践得到不断提高和完善。在细胞质流动因素探究实验中提供给学生预习提纲就是一种引导的形式,通过探究活动的提问单来全程引导学生的活动过程也是一种有效的形式。比如开始探究活动之前可以设计如表二的探究活动提问单发给学生,通过生物探究提问单明确了探究过程中的各环节,有利于引导学生将探究进一步的深入。
表二、生物探究实验提问单
探究活动前
1、这个探究课题是哪些方面的问题,该问题要求我们做什么,涉及哪些知识?
2、为解决这个探究课题需要进行哪些活动,收集哪些资料?
3、解决此问题的方法有哪些,可能有几种解决途径?
4、我选择哪种途径,选择的理由是?
5、小组内如何进行分工?
探究活动中
1、如何落实制定的计划?
2、计划执行的情况如何?
3、各种方法如何运用,何时运用?
4、在完成主题进行实验时应设计什么样的操作顺序,操作过程中应注意什么问题,应观察什么现象,如何记录与处理数据?
5、要进行实验条件的控制吗,对什么条件进行控制?
6、实验步骤是否可以进一步优化?
7、我的观察全面吗,有没有遗漏什么重要现象,实验现象同理论上(预期)有什么不同,如何解释实验中的“异常”现象?
8、收集到的事实有什么特点,它们之间是否存在一定的联系,能说明什么?
9、我得到了本质的结论了吗,是否还需要进一步研究
探究活动后
1、为什么会想到这个方案,还有没有其它方案?
2、探究中存在哪些问题,应如何调整?
3、拟定的措施哪些起了作用,哪些没有作用?4、获得了怎样的经验和策略,在什么样的情况下能用到这样的策略?
5、反思整个探究过程,你体会最深的是什么?
(二)过程与结果并重的原则
在探究实验活动的开展中要把过程与结果结合起来,探究实验活动中过程的体验与结果一样重要。教师不能为了学生能顺利的做出结果而过多的干预指导,有时让问题暴露,让学生在探究过程中自己去发现问题,修正方案,解决问题能让学生更好的体验探究活动的过程。甚至有时实验并不成功,但实验失败引发的思考可能更有价值,这种未做出结果的探究过程体验同样有价值。例如前面提到的细胞质流动影响因素的探究实验中我已经发现学生用不同数量的台灯来控制光照强度并不是最合理的方法,但是我并没有提出这个问题。我想在学生完成这个实验之后,如果没有发现这个问题再提出来。结果学生自己发现了这个问题并很好的解决了。这个过程的体验让学生充分的意识到解决问题有时方法有很多种,实验方法的选择很重要。又比如在酵母菌呼吸方式探究实验中,学生发现液滴移动的方向与预期的相反而展开讨论的时候,其实教师都会意识到温度变化,NaOH对CO2的吸收速度都有影响,但开课的老师并没有讲,而是让学生探究完成以后,通过小组间的交流自己获得这个知识。这就给了学生一个知识生成的过程。使学生体验到一种现象的出现往往是多种原因共同作用的结果,考虑问题应该要全面。重视探究教学的过程性有利于培养学生科学思维能力,锻炼问题解决能力、合作与交流能力,培养科学精神与态度,初步掌握科学方法
(三)可循环原则
在探究实验活动的最后环节中小组内要进行探究结果的分析讨论,小组间要交流展示各自的探究结果。在相互讨论和交流的过程中,学生往往会在思维的碰撞中发现新的问题,有时需要对新的问题进行进一步的探究。一个探究活动的终结应该往往是另一个探究问题的开始。遵循可循环原则可保持学生探究的热情,培养学生养成终身探究的习惯。
四、在实验课中开展探究教学的困难及解决途径
(一)实验内容的选择
在实验课中开展探究实验教学活动目的是在常规的实验课中挖掘探究的素材,渗透探究教学活动,而不是用另外的课时来开展探究教学活动,从而有效的解决中学教学因课时紧张而无法充分开展探究实验教学的问题。因此不是所有的实验都适合开展这种活动的。实验内容的选择很关键。一般选择的实验操作上要比较简单,并且完成实验所需要的时间要比较短,这样才能保证在常规的实验课上完成探究活动。象细胞质流动的观察实验、酵母菌呼吸方式的探究、质壁分离与复原、叶绿体中色素的提取与分离等实验比较适合开展这类探究活动。有些实验则不适合,如细胞有丝分裂的观察,这个实验需要的时间比较长,而且成功率很低,学生的假说往往因为实验的不成功而得不到验证。象生长素浓度相关问题的探究,培养材料需要的时间很长。在常规的实验课中无法完成探究,这类实验只能是在研究性学习这种有足够时间的条件下开展。
(二)教师自身的要求
开展这种探究教学活动对教师自身的素质提出了更高的要求,生物学教师要有较高的知识水平和能力,包括丰富的生物学专业理论知识、熟练的生物学实验操作能力、一定的生物科学研究能力、比较全面的组织协调和管理能力。在指导学生开展探究学习之前,教师自己应先学会“探究”。教师应深刻理解“探究”的涵义,能把握“探究”的核心问题,通过“教”引导“探究”。教学设计具有启发性和可行性,善于在实验课中挖掘探究实验的素材,创设良好的探究问题情境,用“兴趣”、“悬念”、“任务”等途径引导学生进入情景展开充分思考。
(三)实验室的建设
这种探究教学活动的开展对实验室的建设提出了更高的要求。首先要配备有较高科学素养的实验员,实验员要能与教师和学生进行沟通,能按要求准备学生需要的材料,仪器等。探究教学活动增加了实验的开放性,对实验室的材料,仪器等的配备提出了更高的要求。要顺利的开展探究教学活动需要学校加强实验室的建设。
探究教学的实施在现在的中学教学形势下存在诸多的困难,但只要教师能真正的转变教学理念,勇于探索与尝试,一定能找到行之有效的方法。
参考文献:
1.张庆林主编.元认知发展与主体性教育[M]. 兰州:西南师范大学出版社,1998
2.池永焕.黄菱红“探究温度对淀粉酶活性的影响”的实验教学.生物学教学[J].2006,(11):41
3.人民教育出版社课程研究室 任长松 《探究式学习:18条原则》《教育理论与实践》[M]2002年第1、2期。
4.纪琴,陆建身.生物学教学中探究性学习的实施困难和突破途径.生物学教学[J],2005,30(10):20-22