基于科學探究的高中生物實驗教學探索

曹冬林

生物學是一門實驗科學，任何生物學結論和規律都是以實驗為基礎而得出的。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）提出科學探究等核心素養很好地體現了生物學科的本質。那么，在高中生物學實驗教學中如何使科學探究核心素養落地？下面就此展開探索。

1 關于科學探究的核心素養

生物學學科核心素養是學生后天習得的終身受益成果，是公民基本素養的重要組成之一，是學生在解決真實情境中的生物學問題時所表現出來的必備品格和關鍵能力。生物學學科核心素養主要包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。科學探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論的能力。生物學實驗是發展學生科學探究素養的最直接、最有效途徑。但現階段的生物學實驗仍習慣以學科知識教學為重心，對科學探究素養不重視，很多實驗只強調一般探究環節，使得實驗教學不能具體而明確地體現科學探究能力，嚴重阻礙了學生科學探究核心素養的發展。科學探究能力是指從科學探究過程中發掘的、以心智技能為中心的特殊技能，也是學生在探究學習過程中必須學習和掌握的基本技能。

2 在高中生物實驗教學中進行科學探究的探索

2.1 精化問題情境，激發科學探究的意識

生物學教師要想提升學生的科學探究核心素養，首先要培養學生的探究意識。只有激發學生的探究潛能和欲望，才能充分發揮學生的主觀能動性。教師在教學的過程中要根據學生的實際學習情況，找到學生的最近發展區，然后按照相關的邏輯結構設計有關聯性的問題情境，以此為載體展開課堂教學，并將其貫穿到教學活動中的各個環節。在實驗教學過程中，教師可將教學目標設計成帶有內在邏輯關聯的、貼近學生認知水平的問題串。教師要巧借問題串，激發學生的求知欲，挖掘學生的探究潛能，讓學生能夠因此產生積極的情感體驗和濃厚的學習興趣。基于這種情感體驗和興趣基礎，學生能在在求知中獲得樂趣，在快樂中收獲新知，促進科學探究素養的形成。

例如，在“觀察葉綠體”實驗教學之前，教師要使學生先弄清楚觀察的內容、觀察胞質環流現象的方式，再進一步探究加強胞質環流現象的措施。這樣可使學生先明確實驗目的的實驗活動，再進行細致地、有目標地去進行觀察活動，并進一步完成探究過程，從而培養觀察和實踐能力。另外，教師還可利用問題串，拓展學生科學探究的深度和廣度，培養學生的創新思維。再根據教學實際情況進行大膽的實踐和創新，驅動學生進行主動探究和主動思考。這樣不僅可以將學生的問題意識激發出來，還拓展學生思維的廣度和深度。

2.2 優化教學方法，誘導學生進行科學探究

實驗教學的方法選取得當的話，將有助于學生獲取科學探究的方法，如果沒有一定的科學探究的方法，科學探究將無從談起。在實驗教學過程中，教師選擇適宜的教學方法，如角色扮演教學法、互動游戲式教學法、構建物理模型教學法等，不僅可以活躍課堂氣氛，突出學生的主體地位，還能優化學生的科學探究方法，增強學生的科學探究素養。

首先，教師要指導學生了解和掌握探究方法。讓學生能夠了解和掌握科學探究的一般方法是探究性學習實施的一個重要目標。一般來說，科學探究主的方法主要包括綜合、分析、判斷、推理等和獲取信息、收集證據、調查、實驗、觀察等思維方法。教師只有先讓學生掌握探究學習的方法，才能調動學生的學習積極性，讓學生的學習態度由要我學轉變為我要學，從學會轉變為會學。

例如，在“酶”一節課的教學中，通過設計實驗方案并探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用、探究pH對過氧化氫酶的影響、探究溫度對唾液淀粉酶的影響，從而提出確定酶的最適溫度和最適pH的方法。在對已有實驗結果和結論的進行歸納總結基礎上，學生進一步開展實驗設計并進行實驗探究，使自己的科學探究方法在科學探究過程中得到進一步提升和改善。

2.3 深化實驗內容，拓展科學探究的渠道

在實際實驗教學過程中，生物學教師可以根據教學內容開展一些拓展式的探究性實驗，給學生提供一個能夠合作、交流、動腦思考以及探究創新的平臺和空間，進一步激發學生的科學探究欲，促進學生的主動地進行科學探究。更重要的是，生物實驗教學具有較強的實踐性，學生在實驗的過程中不僅要動腦還要動手，在動手的過程中可以加強對一些理論知識的認識，而且實踐能力也因此得到有效的提升。

在進行“觀察洋蔥表皮細胞質壁分離以及質壁分離復原”實驗內容的教學時，筆者先帶領學生做一個演示性的實驗。在達到教學目標以后，教師可以根據教學內容和學生的實際情況，引導學生向探究的方向逐步邁進：①實驗操作方法是否有可以進一步簡化，以實現實驗效率的提高？②除了蔗糖溶液，是否可以使用其他的試劑？③實驗是否只能用洋蔥的紫色外表皮細胞？換做其他的植物細胞能否可以？學生帶著這些問題，設計和探索實驗。學生經過探討、實踐和思考之后，得出如下的結論：①可以進一步簡化實驗操作，如直接掀開蓋玻片，滴加蔗糖溶液。這樣既可以省略幾次重復滴加試劑以及利用吸水吸紙吸引的步驟，縮短操作時間，又可以防止實驗操作者因為操作不當而對顯微鏡造成污染。②蔗糖溶液有較強的黏性，容易對顯微鏡造成污染。該實驗可以使用其他的試劑如KN03代替。KN03使用過程中還省略了給植物細胞滴加清水的步驟而發生自動質壁分離復原。③除了使用洋蔥外表皮細胞作為實驗對象，還可以使用其他的植物細胞。這種基于課本實驗、適度拓展實驗、提出新的實驗問題、讓學生進行新的實驗設計和實施的探究過程使學生的科學探究能力得到了培養和提升。

2.4 細化實驗目標，落實科學探究素養

《新課標》對學生生物實驗技能方面只給出了描述性的指導原則，沒有根據學生的認知水平和規律進行具體化。目前還未有太多研究對學生實驗技能訓練和發展的目標進行全面提煉和整理，并形成相應的目標體系。筆者以“基于方法觀傳授知識、基于過程觀培養能力、基于綜合性提高創新意識”為實驗教學理念，構建了“一條主線、三個層次”的實驗教學目標新體系，以能力培養為主線，從基本技能訓練、綜合探究實驗和創新設計實驗三個層次實施實驗教學，從而提高學生實踐能力和創新能力。

只有細化實驗教學的目標，才能科學地進行生物實驗教學的設計。因此根據《新課標》，結合生物實驗教學的實際，教師全面地整理和細化了實驗教學目標，形成我校生物實驗教學的三維目標體系。知識目標強調的是知識的基礎性、綜合性、應用性;能力目標著重培養學生的提出問題的能力、獲取信息的能力、探究能力和創新能力;情感領域目標則注重科學價值、科學態度等的培養。

2.5 量化實驗評價，保障科學探究的落地

實驗探究的目的并不在于全班得到統一的實驗結果，而重在使學生真正參與探究過程，讓學生懂得科學的探究方法，讓他們的創新意識得到發揮。在“交流評價”環節比普通的實驗多一個交流模塊，一般有2個交流模塊：一個模塊放在實驗前，交流個人提出探究問題及設計的實驗方案，重點評價學生能否提出值得探究的問題，并進行猜想和假設;另一個則放在實驗操作之后，對實驗結果的分析交流以及對實驗中的各種特異情況作進一步的探究。評價以激勵性評價為主，重點評價學生：能否獨立正確地完成實驗操作方法：能否科學地觀察實驗現象，如實地記錄實驗的數據：能否對實驗現象或收集到的實驗數據進行分析、歸納或概括出實驗的結論;能否與他人交流成果且有所獲益等。另外還設置了成果展示欄，對學生的優秀實驗報告、課外實驗探究、創新實驗設計、研究性成果進行展示匯報，讓學生感受和分享成功的快樂，更激發他們參與實驗的熱情和參與實驗探究的激情。

實驗中有很多現象并不象預設的一樣。對新生成的實驗問題，學生不能根據現象作出結論判斷。教師通過交流評價環節，引導學生展開激烈的討論。每一個學生都參與實驗分析，通過層層分析、步步推進，逐步深入對問題的認識，然后提出新問題，并且自主設計新的實驗進一步探究解決，作出合理解釋。例如，有一組學生在探究用淀粉酶探究pH對酶活性影響時，觀察到淀粉酶在堿性條件下溶液遇碘不變藍。實驗出現的“意外”是否說明“淀粉酶在堿性條件下活性很高”呢？該組學生為了找出原因，積極展開了進一步的探究。首先，學生根據實驗結果溶液不變藍，提出第一個新的設想：“試管中的淀粉被完全分解了嗎？”他們改用斐林試劑檢測，并沒有觀察到磚紅色沉淀，得出結論：“淀粉沒有被分解”。那么，什么原因阻止了淀粉和碘液的顯色反應呢？考慮到加HCI與加NaOH實驗組之間唯一區別在于pH不同，該組學生提出第二個設想：“碘液在堿性條件下可以和淀粉反應？”他們先往該試管的溶液中加入1 mL的HCl溶液用以中和NaOH溶液，再滴加碘液，此時溶液變為深藍色。于是，實驗出現“意外”的原因終于大白了，是檢測的試劑選擇不當，碘液會與NaOH反應，本實驗應該選擇斐林試劑進行檢測比較合適。

又如，在進行“光合色素的提取與分離”實驗教學時，除了按教材中的學生分組實驗展開教學外，還在生物學科教室中讓學生分組自行選擇實驗課題和設計實驗方案，進行深度評價。實驗課題有：光合作用真的離不開葉綠素嗎？植物葉片在生長過程中色素種類和含量會變化嗎？不同植物葉片所含色素種類和含量有區別嗎、綠葉為什么變黃？……在學生實驗的過程中，教師用攝像機或手機拍攝和采集學生創新或不當的實驗方法和操作過程，作為分析評價的內容。通過電腦和投影儀向全班學生展示所拍攝的實驗過程錄像，組織評價和探討下列實驗操作是否恰當：在充分研磨葉片之后，立即加入CaCO3;把10 mL無水乙醇一次性加入研缽進行研磨;沿鉛筆線連續多次畫濾液細線;用100 mL量筒而未用10 mL量筒量取無水乙醇;層析時讓層析液沒及濾紙條上的濾液細線，等等。

這種評價比單純通過紙筆測試更能反映學生在實驗過程中的問題，并通過評價有效地促進學生的反思，以進一步提升學生的實驗探究能力。大量研究表明，學生學習的重要收獲來源于經常向學生提供有關他們學習的反饋，尤其是當反饋包含了可以引導學生不斷努力的具體意見時，而不僅僅是學習結果。當評價關注學生的學習過程而非最終成果時，評價就會極大地促進學生的學習。在科學探究過程中發揮評價的“牛鼻子”作用，對探究過程進行引導，使評價從“對學習的評價”轉向“為學習的評價”引導學生自主學習，促進提升學生的反思。在科學探究過程中，設計好評價量規是使得科學探究落到實處的絕佳選擇。

3 反思

作為生物學學科核心素養的內容之一的科學探究素養的培養對教師和課堂教學提出了新挑戰。生物學教師需要改變固有的實驗教學認知和教學行為，承載科學探究素養培養的任務與目標。這個調整需要有一個較長的過程。教師需要通過轉變課堂教學方式，充分挖掘學生在科學探究素養方面的潛能，使科學探究素養的培養過程更多地轉變為挖掘、培養與提升三位一體的綜合過程。這種過程的完成對教師提出了更高要求。高中生物學教師要心懷核心素養的理念，在實驗教學中不斷探索，腳踏實地，立足課堂。

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