結合科學史料 激發(fā)認知沖突

人教版高中生物學教材選入了大量的科學史料，這些史料蘊含著培養(yǎng)學生生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任等核心素養(yǎng)的教育價值。教師可以合理利用教材中的科學史料激發(fā)學生的認知沖突，如在介紹歷史事件時引導學生從不同角度思考該事件的意義和價值，在介紹歷史人物或理論時讓學生了解不同觀點形成的過程和原理等，以更好地發(fā)揮科學史料的教育價值，提升學生的生物學核心素養(yǎng)。筆者以《降低化學反應活化能的酶》教學為例，探討結合科學史料激發(fā)學生認知沖突、促進學生深度學習的教學策略。一、結合史料再現(xiàn)情景，激發(fā)認知沖突教師可以運用視頻、圖片等多種媒介再現(xiàn)科學史料所描述的情景，有針對性地制造認知沖突，激發(fā)學生的探究欲望，推進課堂教學。課堂上，教師先用多媒體再現(xiàn)了這樣一段科學情景。18世紀，意大利生物學家斯帕蘭扎尼開展了一個有趣的實驗：在一個用金屬絲做成的小籠子里放入一塊肉，讓老鷹吞下籠子，一段時間以后再從老鷹的身體里取出籠子，觀察籠內情況。然后，教師讓學生結合問題“一段時間后，籠內會出現(xiàn)什么情況”“肉塊還在嗎”，大膽預測實驗結果。對于學生預測的結果，教師不做評判，而是直接展示斯帕蘭扎尼的實驗結果——肉塊消失了。這個實驗結果立即吸引了學生的注意，制造了認知沖突——為什么要將肉塊放在金屬籠內？是什么物質使肉塊消失了？由此，學生迫不及待地想要一探究竟。二、結合史料設置問題串，激發(fā)認知沖突教學中，教師可以借助科學史料所蘊含的科學原理發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的邏輯，層層遞進地設置多個問題，以“問題串”不斷激發(fā)學生產生認知沖突，為學生搭建認知提升的階梯，讓他們在新舊認知交替印證的過程中循序漸進地理解所學內容。課堂上，教師逐步呈現(xiàn)科學家探究酶的歷程，并通過不斷追問持續(xù)激發(fā)學生思考新問題，引導學生由淺入深地探尋酶的本質。教師先呈現(xiàn)材料1“19世紀，歐洲經濟快速發(fā)展，釀酒業(yè)占據(jù)重要地位，但釀出的葡萄酒經常莫名其妙地出現(xiàn)發(fā)酸的情況，很多科學家試圖探究原因”，并提出“釀出的葡萄酒為什么會發(fā)酸”的問題；接著，呈現(xiàn)材料2“在那時，人們已經知道釀酒過程是讓糖類不斷發(fā)酵生成酒精并釋放二氧化碳的過程。不少科學家都視其為一個純粹的化學反應過程，與生命活動無關”，并提出“這一過程是否與生命活動有關”“生命活動的基本單位是什么”“如何判定該過程是否與生命活動有關”的問題；然后，呈現(xiàn)材料3“1857年，法國化學家、生物學家巴斯德使用顯微鏡進行觀察，提出酵母菌細胞是釀酒中引起發(fā)酵的物質，他認為若無活細胞作用，糖類不會生成酒精。同時期的德國化學家李比希卻有不同的看法，他認為酵母菌細胞內的某些物質導致了發(fā)酵，并且只有在酵母菌細胞死亡裂解后，這些物質才會發(fā)揮效用”，同時設計問題“對比巴斯德和李比希的觀點，分析兩人產生不同認知的關鍵是什么”“如何設計實驗證明你的猜想”，并提示學生從發(fā)酵是否依靠活細胞的角度展開思考；最后，呈現(xiàn)材料4“德國化學家畢希納用石英砂充分研磨酵母菌細胞后添水攪拌，通過加壓過濾，最終獲得不含酵母菌細胞的提取液。他在提取液中添加葡萄糖，一段時間后糖液中出現(xiàn)氣泡，糖液變成了酒?；诖耍呀湍妇毎性斐砂l(fā)酵的物質命名為‘釀酶”，并設置了3個問題“畢希納的實驗結果和糖液中含活酵母菌細胞所形成的實驗結果是一樣的，這說明了什么”“‘釀酶究竟是什么物質”“如何設計實驗進一步探究酶的化學本質”。以上教學以問題串為驅動任務，先通過對比巴斯德的實驗和之后的科學家關于發(fā)酵是否與生命活動有關的實驗，使學生理清酶的來源——與活細胞有關；接著拋出巴斯德和李比希的不同觀點，引導學生進一步辨析發(fā)酵原因；然后通過畢希納的實驗，加深學生對酶本質的認知；最后得出“酶”是由活細胞產生的可以被純化提取的能在體內外發(fā)揮作用的一類物質。三、結合史料設計發(fā)散性問題，激發(fā)認知沖突教師要結合科學史料和學生的已有認知設計發(fā)散性問題，讓學生形成認知沖突，提出要進一步探究的問題，進而深刻理解新事物。課堂上，教師引導學生借助科學史料初步認識了酶以后，組織學生以小組為單位開展“酶的科研課題模擬申報”交流活動?！翱蒲姓n題申報”的活動形式旨在鼓勵學生基于對酶的已有認知進一步思考有關酶的問題。在教師引導下，學生圍繞“酶”各抒己見，最終師生共同梳理出如下有教學價值的問題：酶是怎樣發(fā)揮催化作用的？酶和無機催化劑比較，催化效果如何？影響酶活性的條件有哪些？酶在生活中有哪些應用？教師引導學生以小組為單位自主探究上述問題?？紤]到學生認知的局限性，教師提供了相關的學習資源，包括不同催化劑條件下化學反應活化能變化的數(shù)學模型、立白加酶洗衣液使用說明書、塞在牙縫里的肉絲兩天后還沒有被消化的生活實例等。通過自主學習和小組交流，學生的思路被打開，逐漸突破了對酶的刻板印象，在初步明白“酶是什么”的基礎上，理清了酶的催化機理、酶的特性及酶的應用，完善了對核心概念“酶”的內涵和外延的認識。四、結合史料設置思維陷阱，激發(fā)認知沖突“思維陷阱”指人為設置的干擾信息、迷惑條件或思維障礙、思維歧路等。教師設置思維陷阱有利于學生進行反思性學習，深刻領悟所學內容。課堂上，教師介紹如下關于酶本質的史料：“美國科學家薩姆納從1917年到1926年，歷時9年，以挾劍豆種子為材料萃取出高純度的脲酶，并通過可靠的實驗路徑證明了脲酶是蛋白質。他因此獲得諾貝爾化學獎?！背鲇趯嗤茖W家的崇拜，學生下意識地認可了“酶的化學本質是蛋白質”，所以教師提問“酶的化學本質是什么”時，學生不假思索地說“蛋白質”。學生完全掉入了教師精心設計的“陷阱”。于是，教師呈現(xiàn)另一則史料“1989年，美國科學家托馬斯·切赫和西德尼·奧爾特曼通過實驗證實少量的RNA具備生物催化作用”，并提問：“酶的化學本質就是蛋白質嗎？”學生猶豫了，沉默不言。顯然，前后兩則科學史料是矛盾的，學生由此產生了強烈的認