如何指导初中学生进行生物科学的观察与调查研究活动

如何指导初中学生进行生物科学的观察与调查研究活动张伟伟(北京市和平街第一中学）初中生物学是一门以观察和调查研究活动为基础研究方法的实验学科。九年制义务教育生物教材的最大特点之一就是增加了大量的生物调查研究，要求学生在调查研究过程中培养观察能力、实验操作能力、分析实验现象的能力等。观察能力是人们观察活动的一种心智活动，力求对对象进行深入的认识，是上述诸项能力中最基本的能力。观察的根本特点是它的输入性。从外界环境中接纳信息，是对事物深入认识的开端。因此如何科学的观察是指导学生从事调查研究活动的起点，对于学生正确而高效地从事调查研究活动非常重要。一、观察的含义及特性观察是有目的、有计划、比较持久的知觉，要对客观事物进行感知，就离不开人们的感觉器官，而观察中目的性和计划性又是意识中的决策观念，所以观察不仅是一种感觉，还需要意识和思维的参与。1．观察的知觉性观察是一种与思维活动联系在一起的知觉，它除了具有知觉的一般特点外，同时更具探索性，与积极的思维活动密切相连。了解知觉的一般特性对我们提高观察能力是必要的。知觉的选择性：人们不可能对所有的事物都作出反应，而是以少数的事物作为知觉的对象，对它们的知觉格外清楚，而对其余的则反映得比较模糊。这就是知觉的选择性。知觉的理解性：人们在感知事物时，总是根据以往的知识经验来理解它们，并用词语把它们标志出来。知觉的这种特性称为理解性。知觉的整体性：知觉的对象是由不同的部分和属性组成，但人们不把它感知为个别的部分和属性，而总是把它感知为一个统一的整体。知觉的恒长性：当知觉的条件发生了一定的变化，人的知觉映像仍然保持相对不变。2．观察的层次性观察是认识过程中的一个有机环节，观察活动作为一种反映活动，它自身也有完整的系统性和层次性。观察的第一个层次就是感知材料。人们首先利用自己的感觉器官，对客观事物的属性和特征以及事物之间的关系进行感知。各种各样的工具、仪器延伸了我们的感觉器官，扩大了人的观察范围，使观察更趋准确。观察的第二个层次就是初步加工。大脑对感知到的材料进行整理和组织，这就是初步的加工，即运用已掌握的概念、判断和推理来消化、吸收这些材料，然后在头脑里初步形成一定的知识概念。观察的第三个层次就是语言的概括。感知材料并对其进行初步加工的思维活动始终与语言联系在一起。语言是事物成为思维对象的刺激物。没有语言，人只能停留在对形象的反映上。另外，思维是靠语言来表现的。在观察中形成的初步知识观念需要语言的概括。由于语言的概括作用，才使观察最后得以实现。3．观察的目的性观察必须以明确的目的为基础，使观察活动区别于一般的感知活动。人们每天耳闻目睹的事物不计其数，如果没有一定的目的性，所有这些都会成为杂乱无章的感觉。在科学史上，有许多所谓被动观察或机遇观察的实例，实际上，这种机遇观察已经由无目的转入有目的，或者由他目的转入该目的了。4．观察的客观性观察的客观性就是在观察中获得能够真实、准确地反映各种事物和现象的事实，为我们的学习和研究提供可靠的材料。但是观察事实是通过人脑及感觉器官得来的，它是对客观世界的一种描述或判断，而并非客观世界本身。这两者之间往往相去甚远。从主观方面来说，可能会由于知识、感觉器官、观察仪器、观察条件等的局限，一次或多次的具体观察，不可能达到绝对的客观性。可是人类的实践活动是无限的，观察活动是无限的，通过无数次具有相对客观性的观察，无限地逼近了客观性。客观性的显著标志是可重复性和可证实性。一项观察或科研结果，如不能被重复出现、或被证实它的正确，是不可能被人接受的。5．观察的全面性事物是由各个部分和属性组成，我们在观察时不应孤立片面地把握事物，观察应该是全面的。观察的全面性要求我们从客观的时间演化上，要系统观察它变化发展的各个阶段和发展的全过程；从空间上，要观察它的各个方面、它的全体，同时我们还应观察它的内部关系以及它与其他事物的联系。二、观察的方式1.从观察进行的方式来看，可以分为直接观察和间接观察（又称肉眼观察和仪器观察）。所谓直接观察，是指凭借人们的感官直接对研究对象进行感知和描述。随着观察工具的发展、仪器设备的出现，在观察者和观察对象之间出现了中间环节——仪器。仪器的使用，使人们的观察能力达大跃进了一步，由直接观察发展到了间接观察。直接观察的优点是感官能够对所观察的事物进行直接作用，可以避免由于运用中间环节——仪器所引起的误差。但是直接观察有它的局限性，因此，由直接观察发展到间接观察，是科学技术发展的必然。所谓间接观察，是指借助仪器设备对研究对象进行观察。随着仪器和技术手段的发展，间接观察的范围大大向前推进了。现在射电望远镜已经，人们的视野扩大到２００亿光年之远。光学显微镜的发明，人们观察分辨能力提高了五百倍。而电子显微镜的出现，则把人们的分辨能力提高了一万倍。2.从观察描述的结果来看，可以分为定性观察（质的观察）和定量观察（量的观察）。所谓定性观察，是指对所观察的对象进行性质和特征方面的描述。这是观察最基本、最起码的要求。这种观察在动植物等方面运用比较广泛。如观察动物要常常描述动物的体形、四肢和头胸腹等形态特征，以便进行分类。所谓定量观察，是指对测量对象的位置远近、体积大小和运动速度快慢等数量方面的测量和观测。观察方法从定性到定量的发展，是人们认识能力、观察水平的提高。对观察事物能够作定量描述，表明了人们从认识事物的特性、特征向更深层次发展。如人们对红橙黄绿青蓝紫各种颜色定性辨别的认识，发展到各种颜色是由于各种物质所吸收的光的波长不用所引起的认识，这在认识层次上是一次飞跃。3．从观察者的空间位置来看，又可分为地面观察和空间观察。所谓地面观察，是指观察者在地球表面上所进行的观察。当科学技术水平还没有达到一定程度、观察手段还无法摆脱地球引力的作用时，在有些领域中观察所获得的资料，就带有一定的局限性。所谓空间观察，是指在宇宙空间所进行的观察。由于空间技术的发展，遥测遥控手段的出现，设立了能够摆脱地球引力作用的星级飞行器和避开大气屏障的空间观测站，这种观察手段所取得的资料，能够更客观地反映宇宙、天文、气象和地震等情况。三、科学观察的含义科学观察指对观察对象的准确描述，它至少包括以下几层意思：1．丰富细致的信息。就是要尽可能“观察”到更多的东西，找到更多的观察点，发现更多的差异点。当然，“观察”的越仔细，“观察点”越多，“观察”到的东西就越多。要细心、有心，不放过那些看起来似乎是偶然发生的意外现象。科学史上有许多科学发现，正是因为细心观察，捕捉到那些看似偶然的意外现象，例如弗莱明发现青霉素等。2．准确严密的说明。观察不仅是“观察”到了什么，更重要的内容是，被观察到的东西是什么样，也就是有哪些具体的特征。对这些特征进行说明时，除了文字进行定性的说明外，还可以用图画、图片进行说明，但大量的科学观察，特别是对自然现象的观察，更强调的是数据的搜集，通过借助某些测量工具对观察到的东西进行定量的描述。3．客观性和全面性。观察者要坚持实事求是的科学态度，避免主观偏见，以保证观察结果的可靠性。观察时要注意各种细节，详细地、如实地记录观察结果。切实注意不可把观察到的现象与观察者本人对现象的解释混为一谈。要保证观察结果的可行性，必须全面、持久地进行观察，已获得广泛的、完整的可靠材料，如实反映事物的全面。4．思维的深入参与。观察也是一个积极的思维过程，一切观察都包含两个因素，一是感官的知觉因素，一是思维因素。只有感官的观察，没有思考，就只能是一个忠实的记录者，不可能获得重大发现或获得规律性的认识。只有当观察者将观察到的事实与自己已有的知识经验联系起来，经过思维的加工提炼，或提出某种假说，观察才具有真正的意义。四、如何科学观察进行调查研究活动1．观察的目的明确观察是人对客观事物的一种生动的感性认识形式，它往往通过多种感觉器官的联合活动，并在思维的参与下进行的。刚刚步入初中的学生，对生物有着浓厚的兴趣，但在对事物的观察时往往漫无目的，空有一份观察的热情，却没有思考的意识，到最后思维停留在事物的表面，没有得到明确的结果，从而失去了观察的意义。所以在学生进行时，教师应强调观察的目的，一步步引导学生仔细、认真、持久地观察，并与思维紧密结合，养成良好的观察习惯，提高观察的效率。如：在观察血涂片时，要求学生要观察到红细胞及白细胞，强调注意细胞的大小、形态、有没细胞核，颜色有什么不同，能否看到血小板等。又如：在观察草履虫的实验中，很多学生对显微镜下草履虫的运动发生了浓厚的兴趣，如果教师不加以引导，很多学生在做完实验后，依然不清楚这么一个小小的生物是怎样完成生理活动的。所以在观察之前，教师要强调观察的目的：草履虫的外形特点、运动特点、消化结构的特点及消化过程。2．观察的顺序正确观察要得法，首先就得学会有计划、有次序地顺序查看，从不同角度、不同顺序上去观察同一事物或同一顺序观察不同事物，从而把握观察对象的整体和实质。观察顺序，首先指的是被观察事物的不同空间顺序，如从上到下、从左到右、从东到西，由近及远等；观察顺序，还可指被观察事物的不同结构组织部分的次序，如从头到尾、由外到内，从整体到局部再到整体。所以，观察同一事物，既可以依循其空间顺序，也可以从其不同结构次序入手，获取的信息不同，认识事物的角度也就不同。从整体到局部：如观察一尾金鱼，从整体顺序来看，外形呈菱形，分为头、躯干、尾三个部分，鳃以前是头部，肛门以后是尾部，而鳃和肛门之间便是躯干。从局部结构来看，以头为例，其前端有口，两侧有用不同的顺序观察不同的事物，往往采用从整体到局部，在从局部到整体的顺序分析法。由上至下（由下至上）：如在“观察叶片的结构”时，引导学生由上至下依次观察上表皮、叶肉和下表皮的结构特点，并重点观察气孔的结构特点，在“观察根尖的纵剖面”时，引导学生由下至上依次观察根冠、分生区、伸长区和成熟区的特点，并重点观察分生区和伸长区的细胞的特点，帮助学生理解根的生长与这两部分有密切的关系。由远及近：如观察街景公园及山色等自然景象，多采用由近及远或由远及近的方位顺序法。有外到内：如《观察鸡卵的结构》时，先从外观上找到卵壳钝圆的一端，打开后，观察气室的大小，卵壳膜的颜色、厚度；倒入培养皿中后，再观察卵白、卵黄、系带、胚盘的形状、大小、颜色、位置等特点，进而达到全面认识鸡卵结构的目的。又如对一朵花的观察，从外到内依次观察花萼、花冠、雄蕊、雌蕊。时间发展顺序：由于生物体各种生命活动的变化是一个动态、连续地过程，不可能在一定的单位时间内完成。因此，要观察某种生命现象的全过程，进行不间断的连续观察，并及时做好观察记录，以便巩固和发展观察成果。如种子的萌发、家蚕的生活史、青蛙的发育等实验。另外，观察要有主次之分：如在观察花的结构时，学生都能将花的各部分结构一一摘下并进行观察，但在花的结构中，与生殖有关的雄蕊和雌蕊是需要重点观察的。如果教师在学生观察之前不加以引导，很多学生便分不出主次来，既耽误了时间，也影响了观察的效果。教师在指导学生观察之前应以问题引导：“花的结构哪一部分是最主要的？它的形态特点如何？”这样，就使得学生能够将主要的特征和次要的特征区分开来，然后侧重于对主要特征的观察。长此以往的训练，也可以培养学生在处理问题时能迅速区分出主次、抓住事物的主要矛盾的能力。3．观察的深入思考科学发现起始于观察，在观察中发现问题。观察不是为了记忆知识，也不仅仅是学会技巧，而是为了理解科学的概念及其形成过程。因此要实现观察的最终目标，就要重视思维活动的广泛参与。没有思维参与的观察活动是毫无意义的活动。只有当观察者将观察到的事实与自己已有的知识经验联系起来，经过思维的加工提炼，观察才具有真正的意义。然而学生在观察活动开始时，往往带有强烈的兴趣和好奇心，但注意力往往不够集中，而不注意观察的全过程及其本质。因此教学必须在其的观察活动中，把学生的观察活动引向正确的轨道。懂得要观察什么，怎样观察，将注意力集中到所要观察的主要方面。推理观察：教师一定要指导学生不仅用感官和工具去“观”，更要用脑去“察”，要将观察到的现象进行分析、比较、判断，通过思维得到正确的结论，要使“直观性观察”升华为“逻辑性观察”。在指导学生观察时不只停留在“看到什么”、“是什么”等验证教材内容的水平上，而要多问几个“为什么”，使调查研究活动具有探索性。如“骨骼肌的收缩特性”中，学生观察演示实验时，为了使观察有的放矢，观察前提出明确具体的观察内容：如用针和电流直接刺激肌肉本身时，有什么反应？停止刺激，肌肉怎样？用电流刺激与肌肉相连的神经，有什么反应？停止刺激，肌肉怎样？思考：骨骼肌具有什么特性？当学生观看演示实验或录像后先汇报观察结果，以培养学生的观察能力。在学生获得感性认识的基础上，根据每步实验的结果，指导学生进行分析、综合、推理，得出科学的结论：即肌肉具有收缩的特性。然后进一步启发学生思考：人体内引起骨骼肌收缩的刺激是从何而来自呢？这可以让学生再配合做一个屈肘动作，在实践中感受骨骼肌是在神经系统支配下收缩，牵引所附着的骨产生动作，从而理解人体内骨骼肌所受的刺激都来自神经传来的兴奋。对比观察：是指运用纵横比较进行观察，同中求异或异中求同。对事物进行对比，可以更好地掌握事物的特征，而在对事物的观察对比过程中，学生若能迅速地把握相近的事物的异同，对容易混淆的事物能敏锐地分清实质，就能从相似的事物中找出差异以及从差异中找出共同点或因果关系，能增强观察的敏锐性，也能培养分析问题的能力。如在组织学生观察花的形态和解剖花的结构实验中，首先观察水稻花与桃花的形态，提出问题：为什么桃花盛开的时候会招引许多蜜蜂前来传粉？为什么水稻花盛开的时候却很少见到蜜蜂及其他昆虫前来传粉？从而使学生认识和掌握风媒花与虫媒花的形态特征上的区别。紧接着老师指导学生进行两种类型花的解剖，仔细观察桃花子房基部的突起结构桃花的蜜腺，弄清花蜜产生的原因。而观察水稻花结构时却没有这种蜜腺结构，使学生弄清虫媒花与风媒花的结构差异。通过解剖观察使学生认识了两种不同类型的花在本质属性方面的区别。如观察菜豆种子和玉米种子的结构时，教师要引导学生进行对比：共同具有的结构是胚和种皮；再从胚乳的有无、子叶的数目、营养物质的储存、种皮与果皮的是否结合等进行对比。这样通过对比观察，学生识记了种子的结构及各个部分结构的主要功能，明确了双子叶和单子叶植物的概念。如：在观察单子叶植物与双子叶植物形态、结构时，首先向学生强调两种植物显著区别，一是叶脉的结构：平行脉与网状脉；二是茎的结构：有无形成层；三是种子胚的结构：一片子叶与两片子叶。另一方面单子叶与双子叶植物在叶序上讲也有许多相似之处，这是因为它们都属于绿色植物，叶序相似之处是因为光合作用的缘故。4．重复观察为了保证观察结果的可靠性和培养学生的求实态度，在实验中，往往要要求学生多次观察，观察次数不多，就难以区分偶然发生的现象和一贯现象。如“观察和测量蚯蚓在粗糙的纸板和光滑的玻璃板上的运动”这一实验中，如果只观察测量一次，获得的数据一般不科学，甚至还会出现蚯蚓在光滑的玻璃板上运动速度比在粗糙的纸板上运动速度快的可能。因此，在实验中必须经过3到5次的反复实验、观察及测量和计算，才能认识到事物的本质属性。5．观察的准确描述、记录及反思科学观察的意义在于观察结果的分享和观察资料的积累。科学观察一个很重要的内容就是对“观察”进行客观真实的记录，不但要如实记录“观察”到了什么、“观察”到的东西什么样，还要说明观察者是采用什么方式进