结合科学史料 激发认知冲突

人教版高中生物学教材选入了大量的科学史料，这些史料蕴含着培养学生生命观念、科学思维、科学探究、社会责任等核心素养的教育价值。教师可以合理利用教材中的科学史料激发学生的认知冲突，如在介绍历史事件时引导学生从不同角度思考该事件的意义和价值，在介绍历史人物或理论时让学生了解不同观点形成的过程和原理等，以更好地发挥科学史料的教育价值，提升学生的生物学核心素养。笔者以《降低化学反应活化能的酶》教学为例，探讨结合科学史料激发学生认知冲突、促进学生深度学习的教学策略。一、结合史料再现情景，激发认知冲突教师可以运用视频、图片等多种媒介再现科学史料所描述的情景，有针对性地制造认知冲突，激发学生的探究欲望，推进课堂教学。课堂上，教师先用多媒体再现了这样一段科学情景。18世纪，意大利生物学家斯帕兰扎尼开展了一个有趣的实验：在一个用金属丝做成的小笼子里放入一块肉，让老鹰吞下笼子，一段时间以后再从老鹰的身体里取出笼子，观察笼内情况。然后，教师让学生结合问题“一段时间后，笼内会出现什么情况”“肉块还在吗”，大胆预测实验结果。对于学生预测的结果，教师不做评判，而是直接展示斯帕兰扎尼的实验结果——肉块消失了。这个实验结果立即吸引了学生的注意，制造了认知冲突——为什么要将肉块放在金属笼内？是什么物质使肉块消失了？由此，学生迫不及待地想要一探究竟。二、结合史料设置问题串，激发认知冲突教学中，教师可以借助科学史料所蕴含的科学原理发现、发展的逻辑，层层递进地设置多个问题，以“问题串”不断激发学生产生认知冲突，为学生搭建认知提升的阶梯，让他们在新旧认知交替印证的过程中循序渐进地理解所学内容。课堂上，教师逐步呈现科学家探究酶的历程，并通过不断追问持续激发学生思考新问题，引导学生由浅入深地探寻酶的本质。教师先呈现材料1“19世纪，欧洲经济快速发展，酿酒业占据重要地位，但酿出的葡萄酒经常莫名其妙地出现发酸的情况，很多科学家试图探究原因”，并提出“酿出的葡萄酒为什么会发酸”的问题；接着，呈现材料2“在那时，人们已经知道酿酒过程是让糖类不断发酵生成酒精并释放二氧化碳的过程。不少科学家都视其为一个纯粹的化学反应过程，与生命活动无关”，并提出“这一过程是否与生命活动有关”“生命活动的基本单位是什么”“如何判定该过程是否与生命活动有关”的问题；然后，呈现材料3“1857年，法国化学家、生物学家巴斯德使用显微镜进行观察，提出酵母菌细胞是酿酒中引起发酵的物质，他认为若无活细胞作用，糖类不会生成酒精。同时期的德国化学家李比希却有不同的看法，他认为酵母菌细胞内的某些物质导致了发酵，并且只有在酵母菌细胞死亡裂解后，这些物质才会发挥效用”，同时设计问题“对比巴斯德和李比希的观点，分析两人产生不同认知的关键是什么”“如何设计实验证明你的猜想”，并提示学生从发酵是否依靠活细胞的角度展开思考；最后，呈现材料4“德国化学家毕希纳用石英砂充分研磨酵母菌细胞后添水搅拌，通过加压过滤，最终获得不含酵母菌细胞的提取液。他在提取液中添加葡萄糖，一段时间后糖液中出现气泡，糖液变成了酒。基于此，他把酵母菌细胞中造成发酵的物质命名为‘酿酶”，并设置了3个问题“毕希纳的实验结果和糖液中含活酵母菌细胞所形成的实验结果是一样的，这说明了什么”“‘酿酶究竟是什么物质”“如何设计实验进一步探究酶的化学本质”。以上教学以问题串为驱动任务，先通过对比巴斯德的实验和之后的科学家关于发酵是否与生命活动有关的实验，使学生理清酶的来源——与活细胞有关；接着抛出巴斯德和李比希的不同观点，引导学生进一步辨析发酵原因；然后通过毕希纳的实验，加深学生对酶本质的认知；最后得出“酶”是由活细胞产生的可以被纯化提取的能在体内外发挥作用的一类物质。三、结合史料设计发散性问题，激发认知冲突教师要结合科学史料和学生的已有认知设计发散性问题，让学生形成认知冲突，提出要进一步探究的问题，进而深刻理解新事物。课堂上，教师引导学生借助科学史料初步认识了酶以后，组织学生以小组为单位开展“酶的科研课题模拟申报”交流活动。“科研课题申报”的活动形式旨在鼓励学生基于对酶的已有认知进一步思考有关酶的问题。在教师引导下，学生围绕“酶”各抒己见，最终师生共同梳理出如下有教学价值的问题：酶是怎样发挥催化作用的？酶和无机催化剂比较，催化效果如何？影响酶活性的条件有哪些？酶在生活中有哪些应用？教师引导学生以小组为单位自主探究上述问题。考虑到学生认知的局限性，教师提供了相关的学习资源，包括不同催化剂条件下化学反应活化能变化的数学模型、立白加酶洗衣液使用说明书、塞在牙缝里的肉丝两天后还没有被消化的生活实例等。通过自主学习和小组交流，学生的思路被打开，逐渐突破了对酶的刻板印象，在初步明白“酶是什么”的基础上，理清了酶的催化机理、酶的特性及酶的应用，完善了对核心概念“酶”的内涵和外延的认识。四、结合史料设置思维陷阱，激发认知冲突“思维陷阱”指人为设置的干扰信息、迷惑条件或思维障碍、思维歧路等。教师设置思维陷阱有利于学生进行反思性學习，深刻领悟所学内容。课堂上，教师介绍如下关于酶本质的史料：“美国科学家萨姆纳从1917年到1926年，历时9年，以挟剑豆种子为材料萃取出高纯度的脲酶，并通过可靠的实验路径证明了脲酶是蛋白质。他因此获得诺贝尔化学奖。”出于对权威科学家的崇拜，学生下意识地认可了“酶的化学本质是蛋白质”，所以教师提问“酶的化学本质是什么”时，学生不假思索地说“蛋白质”。学生完全掉入了教师精心设计的“陷阱”。于是，教师呈现另一则史料“1989年，美国科学家托马斯·切赫和西德尼·奥尔特曼通过实验证实少量的RNA具备生物催化作用”，并提问：“酶的化学本质就是蛋白质吗？”学生犹豫了，沉默不言。显然，前后两则科学史料是矛盾的，学生由此产生了强烈的认