基于科學探究的高中生物實驗教學的設計與評價

孫志妍　石智慧

【摘要】文章以“滲透作用”的實驗設計為例，探索高中生物實驗教學的設計策略和評價路徑，結合概念教學與探究式教學，旨在引導學生通過完成實驗探究活動構建生物學概念。教師通過對實驗器材、實驗試劑以及實驗方案進行改進，將傳統的演示實驗轉變為面向全體學生的探究實驗，突出科學探究和思維訓練，以宏觀現象引導學生進行微觀探究，巧用物理模型探究微觀現象發生的原理，使學生在系列探究活動中理解并掌握滲透作用的概念。

【關鍵詞】高中生物；實驗教學；滲透作用；概念構建

作者簡介：孫志妍（1984—），女，江蘇省淮陰中學教育集團淮安市新淮高級中學。

石智慧（1993—），女，江蘇省淮陰中學教育集團淮安市新淮高級中學。

基于科學探究的高中生物實驗教學，是指立足具體的現實生活情境，挖掘具有探究價值的生物問題，在兼具啟發性和引導性的課堂場景中，鼓勵學生依托自身知識儲備發現問題、分析問題、解決問題，依據生物問題的基本規律與屬性，應用科學方法提出實驗假設，并在論證中找到解決問題的正確策略與方法的實驗模式［1］。本文以“滲透作用”的實驗設計為例，由點及面地探究基于科學探究的高中生物實驗教學設計策略。

一、高中生物實驗教學的設計策略

（一）設計策略探究—實驗教學思想的設計依據

科學探究是生物學學科核心素養的重要內容之一，貫穿了生物學學科的學習、論證和拓展等環節，在高中生物實驗教學中尤為突出。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，教師在設計和組織教學活動時，應該圍繞大概念和重要概念開展教學活動，促進學生對生物學概念的理解和應用［2］。核心概念是位于學科中心的概念性知識，包括對概念、原理、理論等的基本解釋，這些內容能夠展現當代學科圖景，是學科結構的主干部分［3］。由大概念和核心概念延伸出來的一系列生物實驗探究活動，能夠引導學生發現和獲取新的知識，構建對重要概念的認知。

高中生物教材中的實驗內容占比較高，在科學探究的基礎上運用概念構建的方式開展實驗探究活動是教學設計的重點策略之一，如：酵母菌種群數量變化的探究實驗中關于種群的概念，既有定性的描述，也有定量的推理；植物細胞有絲分裂的觀察實驗看似是顯微觀察類實驗，實則是通過探究比較和歸納總結而進行的以染色體的形態、位置、數目為核心的概念教學；綠色植物光合作用速率的測定實驗以定量研究為方法引領，旨在讓學生在科學探究中理解凈光合作用的概念本質，進而實現實驗教學的深度拓展。

（二）設計策略實施—實驗教學思想的設計方法

設計高中生物實驗教學時，教師要基于科學發現史，融入辯證思維，再現經典實驗情境，同時關注學生的實驗過程，以學生的自我學習行為為主線，落實新課程標準中的大概念教學目標。

“滲透作用”這一實驗內容在人教版高中生物必修一的第四章第一節，承接了第二章“組成細胞的分子”和第三章“細胞膜的基本結構”的內容，以水的跨膜運輸為例，深入探究了細胞膜控制物質進出的功能。在大概念的視角下，它是連接多個重要概念的橋梁。該實驗是高中生進入高中生物學習后遇到的第一個探究性實驗，是培養學生生命觀念和探究能力的良好素材。“滲透作用”這個核心概念十分抽象，對于高一學生而言，理解滲透作用的原理并且能較好地運用其規律解決問題并非一件易事。這就要求教師從實例入手，創設情境，引導學生展開自主探究。

在設計“滲透作用”實驗時，筆者將概念構建流程分為感知、初探、再探、構建、內化和應用六個步驟，運用問題驅動法、小組合作探究法、類比推理法等教學法串聯課程內容，具體如下。

概念感知：以趣味小實驗導入本節內容，激發興趣→概念初探：設計實驗，從細胞層面觀察吸水、失水現象→概念再探：利用物理裝置模擬吸水、失水現象，探究其條件→概念構建：根據系列探究實驗，歸納和總結滲透作用的概念→概念內化：類比推理，從動物細胞結構角度分析能否發生滲透作用，尋找實例驗證→概念應用：以袁隆平研發“海水稻”減少土地鹽堿化為例展開探究。

二、高中生物實驗教學的案例實施

“滲透作用”實驗教學的目標是：引導學生從現象探究到實驗模擬，了解生物膜的跨膜運輸原理，使其形成結構與功能觀，初步體會生物膜的選擇性對生命的意義；通過提出問題、獲取信息、設計實驗、實施實驗等過程發展學生的科學思維；使學生真正理解滲透作用的原理；讓學生通過體驗探究活動，掌握科學探究的基本思路和方法，提高科學探究的實踐能力；使學生能夠運用生物學知識解決現實生活中的問題，并關注農業生產等社會問題。

筆者以生物學概念構建為課程實施的核心策略，通過多維度的情境創設，設計“滲透作用”實驗，具體如下。

（一）概念感知

情境一：將剪開的等量的蔥段分別放置在清水和蔗糖溶液中，觀察實驗現象（小蔥跳舞）。

問題：為什么將蔥段放置在不同溶液中會出現不同的形態？（補充：蔥段外側細胞有蠟質物質，限制了細胞的吸水功能）

設計意圖：激發學生的學習興趣，引導學生提出假設—在清水中，蔥葉內表皮細胞吸水；在蔗糖中，蔥葉內表皮細胞失水。

（二）概念初探

情境二：撕取蔥段內的表皮細胞，利用顯微鏡進行觀察，發現細胞無色透明。

問題：如何在微觀層面觀察到植物細胞的吸水和失水現象？

設計意圖：通過引導學生觀察實驗現象，記錄實驗結果，培養學生的科學探究思維和自主探究能力。

（三）概念再探

情境三：由于細胞很小，學生無法直接觀察到其吸水和失水情況，因此，筆者讓學生利用物理裝置模擬和探究細胞的吸水和失水現象。

問題：（1）如何利用U型管裝置模擬細胞的吸水和失水現象？（2）根據什么現象可以判斷細胞吸水和失水現象的發生？

設計意圖：引導學生完成實驗裝置的組裝，模擬細胞的吸水和失水現象，并解決裝置組裝過程中出現的問題，讓學生體驗科學探究的過程，培養科學探究能力。

情境四：觀察實驗現象（用半透膜分隔U型管，一側放入清水，一側放入紅糖溶液）。

問題：（1）蔗糖分子和水分子可以通過半透膜嗎？（2）從濃度高低層面考慮，水分子總的移動方向是？（3）右側液面能否無限升高？（4）當液面高度不再變化時，兩側溶液的濃度是否相等？

設計意圖：通過設計問題串一步一步引出滲透作用的概念，引導學生初步構建“水分子的跨膜運輸即滲透作用”的概念。

問題：（1）遵循實驗探究的一般步驟，利用此裝置探究滲透作用發生的條件；（2）結合物質鑒定實驗，探究半透膜允許哪些分子通過，不允許哪些分子通過。

設計意圖：利用該物理模型讓學生親自體驗滲透作用的實驗探究過程，進一步認識“滲透作用”這一概念；通過實驗探究膜的通透性，對半透膜的選擇透過性形成基本認識。

（四）概念構建

情境五：通過完成以上實驗，引導學生自主構建滲透作用的概念。

設計意圖：培養學生的分析、歸納、總結能力，使學生加深對相關概念的認知。

（五）概念內化

問題：（1）植物細胞和動物細胞能夠發生滲透作用的結構基礎是？（2）列舉動物細胞發生滲透作用的實例。

設計意圖：引導學生運用類比推理的方法，回顧細胞的微觀結構；通過對半透膜的實驗探究，引導學生理解“原生質層和細胞膜相當于半透膜”，在類比推理中實現概念的內化。

（六）概念應用

情境六：展示袁隆平研發“海水稻”的相關圖片。

設計意圖：補充“海水稻”的相關知識點，引導學生關注農業生產問題，培養學生的社會責任感。

三、高中生物實驗教學的評價路徑

（一）評價路徑探究—實驗教學評價量表的設計與構建

筆者運用德爾菲法和層次分析法，構建了指向核心素養的高中生物教學評價指標體系，該體系包含一個教學設計評價總量表和四個評價分量表，分別是教學過程評價量表、思維構建評價量表、探究能力評價量表和目標達成評價量表。

通過分析上述高中生物實驗教學策略可知，教學設計評價總量表和探究能力評價分量表與實驗課型的評價契合度更高。教學設計評價總量表包含五個指標，探究能力評價分量表包含四個指標，具體內容和指標權重如下。教學設計評價總量表從教學目標預設、教學內容整合、課堂結構規劃、教學方法選擇、教學效果評價五個方面考量，指標權重對應分值分別為（括號內分值范圍對應優秀、良好和合格三個等級）：25（18-25，9-17，0-8）、20（14-20、7-13、0-6）、26（18-26、9-17、0-8）、13（10-13、5-9、0-4）、16（12-16、6-11、0-5）。探究能力評價分量表主要從探究問題適切性、實驗設計與實施、實驗數據收集、實驗推理與創新四個方面考量，指標權重對應分值分別為（括號內分值范圍對應優秀、良好和合格三個等級）：29（20-29，10-19，0-9）、32（21-32、11-21、0-10）、17（12-17、6-11、0-5）、22（16-22、8-15、0-7）。

基于科學探究的高中生物實驗教學評價量表是課堂教學的重要評價載體之一，具有科學的指導意義，能夠讓實驗教學有改進的依據，使生物教學更有方向性，以評促教，從定性到定量，為教師的教學行為把脈，使教學與育人相統一。

（二）評價路徑實踐—實驗教學評價量表的應用與分析

以“滲透作用”實驗教學為評價課例，依據上述評價量表，進行課堂教學實踐現場評分，共有七位教師評分，教學設計評價總量表平均分為90分，探究能力評價分量表平均分為92分。由此可見，基于科學探究和概念構建的實驗課教學設計獲得了聽課教師的認可。

另外，通過對評價量表的數據進行統計分析以及意見收集，筆者得出以下評價結論。

1.“滲透作用”實驗教學設計中的創新

創新點主要集中在簡化實驗裝置、改進實驗方案、改進實驗試劑三個方面，具體如下。

（1）簡化實驗裝置。簡潔的裝置能夠使實驗操作簡便、實驗現象明顯。實驗對該裝置的改進更多集中在半透膜的選材上，采用了“廢物利用”的材料自主組裝設計，將實驗裝置改造為U型管。

（2）改進實驗方案。基于裝置可操作性強的特點，對教材中的實驗方案進行了改進，將演示實驗轉變為探究性實驗，旨在讓學生在問題驅動和合作交流中提升核心素養。

（3）改進實驗試劑。用紅糖代替蔗糖，色差的存在使得實驗現象更明顯，并且可說明蔗糖分子無法通過半透膜。

2.“滲透作用”實驗教學實施中的優點

在課堂教學實施過程中，U型管的合理使用是實驗成功的關鍵，與倒置的長頸漏斗相比，其優點明顯，具體如下。

（1）裝置簡單，實用性強，可重復使用，方便教師進行演示實驗，且方便全體學生使用。

（2）兩邊均為敞口的試管，實驗操作過程中方便加液和倒液。

（3）裝置中的半透膜可重復使用，替換方便。

（4）U型管兩側帶有精確刻度，使實驗結果更為直觀，利于將實驗結果轉定性為定量，更具科學性。

結語

實驗教學是高中生物教學的重要組成部分。高中生物實驗教學的設計應具有普適性，遵循教學設計的一般原則，突出重難點，策略應用得當；具有探究性，以自主探究和小組合作探究相結合的方式，培養學生的科學品質和合作精神；具有科學性，設計關于實驗教學的特定評價量表，突出學生探究能力的培養。教師要以概念構建為經，科學探究為緯，教學評價為軸，創設教學情境，以大概念和核心概念引導教學，以評價反饋教學，以不斷促進高中生生物學科核心素養的提升。

【參考文獻】

［1］周麗云.核心素養視域下高中生物探究性實驗教學設計策略研究［J］.教學管理與教育研究，2022（21）：92-94.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］張穎之，劉恩山.核心概念在理科教學中的地位和作用：從記憶事實向理解概念的轉變［J］.教育學報，2010，6（1）：57-61.