初中生命科学实验教学中的科学思维培育

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《2022版课标》）中提出发展科学思维是培育学生理性思维、批判质疑、勇于探究等科学精神的重要途径。其中包含了思维水平的三个层级，第一层级是理性思维，指进行独立思考和判断，多角度、辩证地分析问题；第二层级是批判质疑，指对既有观点和结论进行批判审视、质疑包容；第三层级是勇于探究，即提出创造性见解。学生在生命科学学习的过程中应始终伴随科学思维的发展。

依循具身认知理论，身体活动可以通过动作内化实现高级认知发展，身体活动既是感知的源泉，又是思维发展的基础，身体在认知中是处于核心地位的，身体活动本身体现了推动认知发展的生存意向性。我国教育学家陶行知先生曾提出“教做学合一”的教育理念，其中“做”是连接“教学”的核心。而《2022版课标》中也明确指出教学过程要重实践。实验探究过程中，学生需要调动身体多个感官，并在大脑中处理各类信息，最终寻找到问题的答案或者产生新的疑惑。如学生在探究水蚤对光照强度反应的过程中需用手搭建实验装置、用眼观察水蚤反应、用脑分析水蚤行为背后的意义。学生在充分调动手、眼、脑的过程中建构生物与环境相互依赖、相互影响的概念，并基于证据阐释现象背后原理或对现有实验进行合理质疑，进而提升科学思维。而教师在学生做中学的过程中依据学情，搭设适切的学习支架，引导学生深入思考或反思，为培育学生科学思维创设理想平台。因此，聚焦生命科学中的实验教学，不仅能让学生在实验过程中完成生命科学的学习，也能让教师在学生做的过程中因势利导地教。

为了便于观察学生在实验教学中表现出的科学思维，我们将实验探究过程分成猜测与质疑、规划与设计、探究与实践、建构与表达、反思与调整五个环节。五个环节形成一个循环，学生可以在任意环节产生新的猜测与质疑，从而进入新的一轮实验探究，直至问题解决。

“探究水蚤对光照强度的反应”是沪教版初中生命科学教材第二册第四章第二节中的实验内容之一，主要目的是探究水蚤在不同光照强度下的行为反应。在本节课中，授课教师在五个环节中只提供学习支架和适当引导，而学生则需动手做、动口说和动脑思考，具体如表1所示。这是典型的以学生为主体的课堂，这是探索科学思维培育的前提基础。

想要在实验教学中更好地培养学生的科学思维，教师还需深入挖掘能够激发学生兴趣，充分调动学习内驱力并推动学生持续学习的生长点。授课教师在“探究水蚤对光照强度反应”

的课堂预实验时发现了异常现象：原本在水槽中分布均匀的水蚤，在黑暗条件且一端有光的长方形水槽中自由活动一段时间，水蚤在水槽中的数量呈现U形分布，即距离光源最远及最近的地方水蚤较多，中间段水蚤较少。而以往实验中，水蚤在长方形水槽中呈现线性分布的状态，即离光源越近，水蚤数量越多，这一现象冲击了教师的原有认知。在教师反思解决方案时找到了科学思维培育的契机——基于认知冲突解决，培养学生科学思维，尤其是批判性思维。认知冲突是心理学上的认知状态，指当个体意识到个人认知结构与环境或是个人认知结构内部不同成分之间的不一致所形成的状态。在此状态下解决问题能够激发学习的内驱力，同时充分激发学习的潜能。在基于认知冲突的实验教学中，师生将目光聚焦在问题解决的过程中而非机械的实验操作及既定结论的复现中。

在“探究水蚤对光照强度的反应”的实验探究中，学生首先观察到水蚤会跟随光源进行移动，作出猜测：水蚤均匀分布在长方形水槽中，水槽一端放置光源（见图1），将光源和长方形水槽共同遮光，一段时间后，离光源越近，水蚤数量越多。同时，教师展示某实验手册上，他人实验的结果是与学生猜测一致的。但是通过实验，统计全班学生收集到的平均数据及观察到的现象与预期不同（见表2）。

数据显示距离光源最近及最远处水蚤数量均较多，而中间段的数量较少。回溯实验探究过程，在第一次实验数据收集时，认知冲突已经发生，学生出于对猜测以及权威数据的信任，怀疑自己的实验过程存在问题。在第二次实验时，学生更细心地将长方形水槽中的水蚤分布均匀并严格控制水蚤自由活动时间，仔细计数后发现水蚤还是呈U形分布。此时，大部分学生的探究欲及好奇心被充分激发，教室中讨论的声音不绝于耳，向教师提出问题的学生增多，甚至有些学生直接对实验装置进行了调整。

从现代教育理论来看，课堂是学习、创造的场所，影响学生课堂学习的因素有两个：一是促进学生学习或创造的物质和心理环境，二是服务学生学习或创造的教师支持与引领。当认知冲突发生后，学生的好奇心和探究欲需要得到满足，这种内驱力是培育科学思维的动力。此时，课堂的提问者以及问题解决者并不是教师，而是学生。教师只需引导和协助并保障学生有足够的时间及空间去思考和行动。

1.保障充裕的时间及自由的空间

本节课中，教师给予学生20分钟实验时间来保障实验自由度。学生不会在实验过程中被教师其他的问题或任务打扰，同时教师也给予学生对实验装置以及实验过程调整的自由度。学生可以在实验过程中结合自己观察到的现象或者猜测对实验装置和过程进行调整。

教师以包容的心态接纳学生在实验中遇到的困惑和质疑。比如当学生提出实验装置有问题，教师会鼓励其说出问题并找到解决办法。教师对学生提出的质疑有高接纳度，可以为学生提供安稳的学习心理，这也是学生学习自由度的重要保障。

2.对关键问题进行点拨和启发

当学生在解决认知冲突的过程中遇到阻碍或产生困惑时，教师需要在关键时刻给予帮助，从而协助学生完成探究或产生新的猜测和质疑进入新一轮的实验探究中。本节课中，当学生发现水蚤分布预测不相符时，大部分学生基于实验前观察到的现象以及实验手册上的数据，认为本次实验存在误差，追溯原因后发现长方形水槽有反光，影响实验的准确性；也有部分敢于质疑的学生认为远光端的反光非常微弱，但近光端与远光端的水蚤数量非常接近，认为原先的猜测以及实验手册上的数据存在问题，试图去探寻水蚤聚集在远光端的原因。此时，教师提出三个支架问题，分别为“仔细观察实验装置，是否有可以改进之处？”“水蚤与其他生物间的关系是否也会影响水蚤的行为？”“能不能从生物的多样性角度来看待这个问题？”。这些问题可以帮助学生更加全面地反思本次实验，通过深入的思考去探寻事实的真相。教师也提出查阅文献、收集资料等方式能拓宽实验探究的思路，帮助学生解决部分困惑。在给予较大的学习自由度的基础上，学生借助教师提供的支架问题，表现出了高质量的质疑、反思及表达能力。

科学思维是学生脑海中的思维活动。为了能够评估实验教学中学生科学思维的发展水平，教师可从学生的语言表达及动作行为两个方面评估学生思维水平的发展。将学生在本课中的具体行为表现归类到科学思维层级的三个层次（见表3）中，便于教师反思实验教学过程中科学思维培育的效果。

通过观察发现，学生在实验探究中科学思维已经开始活跃。部分勇于探究的学生直接对实验装置进行调整，如调换光源位置，在远光端插入黑色卡纸等。但更多学生是在互动中通过语言表达呈现科学思维的发展。例如，学生谈到实验装置不严谨，水蚤的大小、品种及运动速度会对实验结果产生影响；基于教师搭建的学习支架问题如“水蚤与其他生物间的关系是否也会影响水蚤的行为？”等，学生运用生命科学原理解释实验现象，展现基于证据分析问题的能力；学生面对不明确的答案，不轻易下结论，提出查阅科学文献或改进实验等方式等，搜集更多可靠的证据来解释实验现象。这些行为及语言均能很好地展现出学生的理性思维、批判质疑及勇于探究的精神，说明科学思维可以通过具象化的表现进行检测。

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，其对象有着高度的复杂性和多样性。但初中阶段大多为观察类的实验，学生观察到的结论与书本给出的答案通常没有矛盾冲突。久而久之，学生会误以为书本或权威资料给出的答案就是唯一标准。这不利于学生科学思维的发展，更不利于创新人才的培育。对于初中阶段为数不多的探究实验如“酒精对水蚤心率的影响”“探究水蚤对光照强度的反应”“制作简易生态瓶”等，教师需要拥有敏锐的观察力，在预实验或者学生实验的过程中发掘异常现象，以此为深化科学思维培育的契机，引领学生深入讨论思考，弥补理论课及一般实验课在科学思维培养上的不足。

实验教学能充分激发学生的好奇心和探究欲，这是驱动科学思维发展的内在动力。而充裕的实验时间和适切的教师支持是支持学生建立质疑与创新自信心的外界要素。内驱力和外在推动力的有机组合是培育科学思维的最佳方式。本节课中，学生对实验提出了许多不同的看法和见解，形成诸多新的假设。学生的科学思维被激发，探究欲望被充分调动。基于此，授课教师鼓励学生在课后利用实验室的场地、装置等，对提出的假设进行验证，同时做好后勤保障及辅助引导的工作。这样既能延续学生对实验探究的热情，也能进一步提升科学思维能力。而学生在深入研究某一问题的过程中，通过不断自主地探究实践，逐步向创新型人才转变，进而实现学科的育人价值。