指向科學思維的高中生物實驗教學策略

摘 要：生物實驗是認識生物概念、探究生物本質內涵，培養學生整體性科學思維的重要途徑之一。在生物實驗教學中，教師要堅持以生為本理念，啟發學生參與問題探究，幫助學生獲得真實經歷，知其然，亦知其所以然。以科學思維為導向來設計生物實驗，從實驗條件準備、實驗情境創設、實驗定量分析、實驗模型構建等方面，促進學生證據意識、邏輯推理、批判質疑等科學思維的養成。

關鍵詞：高中生物；實驗教學；科學思維

《普通高中生物學課程標準（2022年版）》強調，通過學習生物課程，讓學生初步掌握科學思維方法，具有一定的科學思維習慣和能力。科學思維是構成生物學科核心素養的必備能力之一，也是充分體現生物課程學科特點與育人價值的重要方向。生物實驗是以實踐為載體的課程，但長期以來，中學教師多側重于考試技巧的講授，忽視了生物實驗在學科素養和創新思維領域的積極作用[1]。因此，圍繞生物實驗過程，教師要帶領學生通過分析、猜想、假設、概括、創新等思維方法，設計、優化、改進實驗方案，在推理、建模、驗證實驗結論體驗中，深入探究生物學知識，鍛煉和培養學生的科學思維能力。

一、生物學科中科學思維的內涵

科學思維是一種思考方式，是人類認識世界、參與科學探究活動中所遵循的路徑、規律和方法等[2]。在生物學科中，科學思維的內涵包括以下幾個方面：

（一）歸納與概括能力

在生物實驗教學中，對于科學思維歸納與概括能力的培養，主要是通過觀察、分析生物實驗現象，從中歸納具有本質性、規律性的實驗結論。

比如：在學習“細胞的多樣性和統一性”相關知識點時，圍繞原核細胞與真核細胞的異同點展開實驗探究。從實驗觀察中歸納原核細胞的特點如下：體形較小，無成形的細胞核，無染色體（質），以細菌、藍藻、衣原體、支原體等為主要存在方式。相比而言，真核細胞特點如下：體型較大，有成形的細胞核，有染色體（質），以真菌、植物、動物為主要存在方式。可見，通過對原核細胞、真核細胞特點的歸納，幫助學生認識細胞的多樣性。同樣，除了細胞在大小、細胞核、細胞質、生物類群等方面存在差異外，原核細胞和真核細胞都具有DNA，都含有細胞膜、核糖體等結構，兩者又具有統一性。以生物實驗為媒介，教師要幫助學生深化對生物學知識點的理解和記憶，從中領悟科學思維。

（二）演繹與推理能力

在生物學實驗中，“假說演繹法”是最為常用的實驗方法。結合實驗活動，組織學生參與實驗觀察，分析實驗現象，通過對比后給出解釋現象的假設，然后通過實驗來檢驗、驗證假設，最終得出結論。

比如：在學習《孟德爾的豌豆雜交實驗》一課時，通過模擬實驗記錄豌豆雜交結果，對結果進行統計分析總結分離定律。在過程中，強調學生推理能力的獲得。同樣，結合“龍生九子各有不同”的現象展開分析，引出問題：為什么同一個母親，所生的孩子都會長得不一樣？用遺傳學相關知識解釋，為什么要用豌豆來做實驗？通過拓展課外知識，探究孟德爾也曾對山柳菊、玉米等進行雜交實驗，但結果失敗的原因。嘗試讓學生推理分析豌豆成功的原因：豌豆花的傳粉是閉花傳粉，可以規避外來花粉的干擾，確保豌豆進行純種雜交，另外，豌豆的遺傳性穩定，花頭大，易進行人工雜交等。在對孟德爾豌豆雜交實驗學習中，讓學生了解遺傳性狀的觀測、統計方法，從假設、推理中驗證實驗結論，理解遺傳定律的科學性。

（三）模型與建模能力

在生物實驗中，模型設計是一種直觀有效的方法。教師通過建模過程，幫助學生直觀、形象地認識事物的本質及關系[3]。在高中階段，生物學實驗多采用表格、曲線圖等來記錄分析，以構建基本的實驗模型。

比如：在認識“DNA分子結構”實驗中，該節內容較為抽象，重點是構建DNA分子物理模型，難點是探究DNA分子的結構特點。在概念模型設計中，從元素、組成物質、組成單位、單鏈、雙鏈、空間結構等方面，來指導學生逐步熟悉DNA分子結構層次，得出DNA雙鏈是以反向平行方式進行折疊而成的雙螺旋空間結構。模型思維實現抽象、微觀、零散性生物知識點變得具象、直觀、系統性，幫助學生深刻理解生物概念的本質，也從中發展學生的科學思維。

（四）批判與創造能力

在科學探究中，批評性思維體現為質疑精神與反思意識。對于生物實驗，要引領學生保持質疑的品質，圍繞實驗中出現的問題，鼓勵學生大膽質疑，提出自己的觀點和想法。針對學生的問題，教師要與學生共同討論，從中找出解決問題的答案。生物實驗課程，在引領學生自主實驗中，還要強調學生創新精神的培養。

比如：在探究“酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中，酵母菌是兼性厭氧單細胞真核生物，可以設計有氧、無氧兩種實驗環境來探究其產物。通過引入對比實驗，在有氧條件下，酵母菌會生成CO2，在無氧條件下，酵母菌會生成CO2和酒精。學生在分組探究中，需要探究實驗中的自變量為有、無氧氣，因變量為有無CO2和酒精產生，無關變量為環境溫度、酵母液的濃度等條件。在了解完實驗的基本原理后，教師可以著重引導學生利用廢舊物品對教材實驗裝置進行改進設計，對實驗現象、實驗結論進行分析和總結，促進學生創造精神的養成。

二、生物實驗中學生科學思維的培養路徑

在高中生物實驗教學中，除了指導學生認識、掌握實驗條件、實驗方法外，更要依托真實實驗，啟發學生的科學思維，增強學生對生物實驗的學習興趣，在親歷實驗中獲得學科核心素養。

（一）加強實驗準備，從預實驗中滲透科學思維

生物實驗在實施前，通常需要做好實驗前期準備工作。對相關實驗器材、實驗材料，以及實驗方案進行設定，確保實驗教學順利實施。在預實驗中，教師要指導學生參與實驗準備，了解實驗條件，認識實驗器材，引導學生去發現是否存在實驗缺陷，對實驗科學性、可行性進行評析，增強學生的科學思維[4]。

比如：在學習“生長素的生理作用”實驗中，對生長素的認識，生長素具有高效、微量特點，要調控好生長素的分量，避免使用量過大，導致實驗結果對比不明顯。在正式實驗前，對預實驗方案進行準備。組織學生整理相關儀器、試劑，初步了解實驗的主要過程及環節，對于生長素的應用，分析生長素的適宜用量、適宜濃度及使用要求。先通過預實驗，讓學生認識、理解生長素最佳濃度范圍。準備的材料有生根粉、帶根綠蘿、天平、燒杯及量筒等，結合預實驗目標，對學生分成兩組，一組提前展開預實驗，另一組結合預實驗結果，來實施正式實驗。在預實驗環節，介紹不同生根粉的性狀、特點，分別稀釋為不同的倍液。剪切帶根的綠蘿，分別置于不同倍液的容器中，設置對照組進行實驗對比。一周后，觀察各組溶液綠蘿的生長態勢，對生長素的最佳濃度進行確定。通過實驗數據分析可知，800倍液的生根粉稀釋溶液，濃度為1.25×10-3g/mL時，綠蘿的生根效果最佳，實驗對比效果最明顯。相比而言，對于300倍液的生根粉稀釋溶液，因濃度過高，綠蘿的根生長過速，變成球形，不利于實驗對比與分析。可見，從預實驗準備中，讓學生認識到生物實驗是建立在科學的分析基礎上，也讓學生從中明白科學思維對生物實驗的重要性。

（二）善于引入問題，以問題來啟發學生深入思考

生物實驗教學中，教師要善于引入問題，用問題來啟發學生深入思考，通過問題來強化學生的科學思維，在問題探究中增長生物學科素養。問題的選擇，要與生物知識關聯起來，指導學生運用生物知識來解決問題。

比如：在學習《細胞的物質輸入和輸出》一課時，教師組織學生開展“植物細胞吸水、失水”實驗活動。在實驗前，就“吸水、失水”問題，創設問題情境，引出問題：選擇白菜，用刀剁碎，在菜葉上放些鹽，觀察并思考，為什么有水滲出？顯然，白菜出現失水問題，與鹽有關。拓展思考，細胞會不會也有吸水、失水現象？對于細胞內的水分是如何進出的？同時，在準備實驗材料時，引出問題：為什么要選擇洋蔥鱗片葉外表皮？內層表皮不行嗎？有沒有其他合適材料來進行吸水、失水實驗？一系列問題的設計，為學生探究“吸水、失水”問題營造了良好氛圍，激發學生主動去探究實驗，通過實驗來解決上述問題。認識了細胞吸水、失水后，教師再引出物質跨膜運輸實例，利用滲透實驗，讓學生了解半透膜的特性。對于水分子，可以通過半透膜，而對于蔗糖等大分子，則不能通過半透膜。對于滲透作用的條件，一個是要有半透膜，另一個是半透膜兩側的溶液存在濃度差。生物實驗中，依托問題引領，拓寬學生思維視野，學生在問題思考與探索中，逐步理解生物學知識，懂得運用生物學理論來解決實際問題。

（三）引入定量實驗，數據分析中強化科學意識

生物實驗教學，離不開對實驗數據的記錄、計算和分析。教師要重視科學實驗數據的統計與分析，指導學生通過定性、定量計算，在量變過程中體會事物的本質規律，增強學生的科學意識。生物實驗在教學中，要深入分析教材，結合實驗條件，確保實驗的科學性、準確性和嚴謹性。

比如：在學習《酶的作用和本質》一課時，與本節知識相關的生物實驗有“不同條件下過氧化氫分解比較”。該實驗主要通過對過氧化氫分解實驗，來揭示有機、無機兩種催化劑對實驗催化效果的異同分析。教材實驗是通過觀察衛生香的燃燒，在不同催化劑下，燃燒的劇烈程度不同，以此來區分酶、氯化鐵等對催化反應的影響效果。根據實驗現象，讓學生從中得出不同催化劑條件下，化學反應程度存在不同，但據此只能得出定性結論。在組織學生展開實驗操作中，考慮到過氧化氫在發生劇烈分解時，將產生大量水蒸氣，水蒸氣可能會對衛生香的燃燒情況帶來干擾，阻止復燃。僅僅依靠衛生香的燃燒程度來推測酶的催化效果，有失科學性。實驗結論的推導是建立在科學分析基礎上的，在沒有相關數據的處理和驗證下，對酶的高效性特點，學生會產生片面性理解，也不利于科學思維的內化。在本實驗中，教師將定性與定量實驗進行融合。先通過自主實驗，鼓勵學生尋找適宜的酶，接著參照教材實驗，利用自制酶溶液進行過氧化氫分解實驗，讓學生初步感知酶在實驗中的催化作用。然后，借助生物、化學等實驗器材、試劑，引領學生從定量實驗分析中，對實驗數據進行科學、準確的計算，得出實驗結論。可見，學生在生物實驗過程中，通過數據分析，加深對生物學相關概念及理論知識的深入理解，特別是從定量實驗驗證中，發展學生的發散思維、批判精神。

（四）引入實驗模型建構，促進學生科學思辨能力

生物實驗既要加強學生對學科知識的學習，還要從實驗反思和總結中，增強合作互助意識，提升學科探究精神和科學思辨力。模型是現代科學研究的重要思維方法，在生物學科，模型思維為認識生物學知識提供了科學的思維方法。在生物模型中，反映了研究對象的結構特點，反映某一生理過程的具體流程，反映某幾個要素之間的相互關系等。教師要重視學生建模能力的培養，幫助學生體認生物學概念，把握生物學特征，促進有意義的學習。

比如：學習“細胞的基本結構”相關知識點時，對于細胞的結構探究，無論是植物細胞，還是動物細胞，利用建模思維，幫助學生深入探究細胞的結構及功能。在實驗前，引出問題：細胞是如何完成的？分析細胞的結構，各部位有何功能？為了更直觀地揭示細胞的結構，指導學生以合作方式來構建細胞模型。如此一來，生物課堂變成了動手制作活動。將學生分成若干組，各組負責制作細胞某一部位。各組內，由組長協調，分派具體任務。選擇不同的黏土材料，通過查閱書籍、資料，了解和繪制細胞不同部位的具體結構草圖，對細胞各部位功能進行闡釋。整個制作活動，學生既動手、又動腦，在合作交流中完成細胞模型的制作。接下來，對各組的細胞模型，可以在后續生物課程教學中直接應用，如細胞膜鑲嵌流動模型、細胞器功能和結構、細胞核結構、細胞膜顯微結構、光合作用及呼吸作用等實驗。生物實驗建模過程，讓學生有機會細致觀察模型的結構、特點及功能，圍繞模型探究各部分的關系，提升學生建模能力和科學思辨力。

（五）引導參與實驗設計，內化學生科學創造力

生物實驗教學，不能停留于實驗展示，還要借助實驗活動，引領學生參與實驗設計與探究。教師要轉變觀念，鼓勵學生自主設計實驗方案，從實驗設計中發展學生的創造思維。

比如：在探究“植物細胞吸水、失水”實驗中，很多學生從實驗中發現，滲透壓變化是引發質壁分離的主要原因，但忽視了半透膜的作用。這一機械記憶方法，在面對不同題型時，學生無法做出正確的應對。圍繞“質壁分離”問題，組織學生參與實驗設計，讓學生能夠從實驗現象、實驗條件分析中，理解“原生質層”的內涵。在探究“原生質層”構成及成分時，深入理解和掌握“質壁分離”的原理。學生在實驗設計中，體會到生物實驗的科學性、縝密性、創新性，對于培養學生思維創造力大有裨益。

結束語

總之，生物實驗教學要摒棄過去“傳遞—接受”式教學模式，要依托實驗活動，關注學生科學思維的培養。教師要以生物實驗為抓手，從實驗前準備、實驗中問題啟思、定量實驗分析、實驗模型構建，以及實驗設計中，聚焦學生科學意識、科學思維、科學精神的內化，讓學生能夠運用生物學知識，在生物實驗中養成實事求是的科學態度，獲得勤于思考的合作創新精神。

參考文獻

[1]趙鵬程.高中生物實驗課教學的有效性研究[J].學苑教育，2023，380（8）：52-53+56.

[2]黃小葵.指向學科核心素養的高中生物實驗教學[J].新教育，2023，561（8）：18-20.

[3]張曼玲.高中生物實驗教學培養學生科學思維能力的實踐探究[J].數理化解題研究，2023，568（3）：140-142.

[4]劉蘭蘭.基于高中生物實驗教學培養學生科學思維的實踐研究[D].海口：海南師范大學，2022.