基于學科核心素養的高中生物進階實驗教學中培養拓展性思維的策略

《普通高中生物學課程標準（2022年版）》提出的科學思維核心素養要求學生尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題。同時，要求學生在認識和理解科學本質的基礎上，學會從客觀事實出發，運用科學的思維方法進行深入思考，得出科學結論。

高中生物學是一門以實驗為基礎的學科，科學實驗的開展能夠幫助學生理解生物學的本質，形成科學思維。而在進階實驗教學中，學生能夠更好地理解生物學知識，培養科學思維和創新能力，提高團隊協作和溝通能力，形成正確的情感態度和價值觀，培養拓展性思維。因此，高中生物教師應重視進階實驗教學在實踐中的作用，不斷優化實驗教學內容和教學方法，為培養具有拓展性思維的高中生提供有力支持。

一、基于學科核心素養的高中生物進階實驗教學模式

核心素養導向下，高中進階實驗教學模式要求以學生為主體，以實驗探究為核心，注重培養學生的拓展性思維。

（一）注重學生自主探究

進階實驗教學模式注重學生的自主探究，要求學生主動參與實驗設計、操作和分析。學生需要自行提出假設、設計實驗方案、實施實驗并收集數據，以便深入理解生物學原理，培養問題解決能力和創新思維。在進階實驗教學過程中，教師需要給予學生適當的指導，確保實驗教學的可行性與安全性。

（二）強調實驗操作

與傳統的理論教學不同，進階實驗教學模式強調實驗操作的重要性。在進階實驗中，學生需要掌握各種實驗儀器的使用方法、實驗材料的處理技巧以及實驗數據的采集與分析等技能，并且能夠將生物學理論與實踐相結合，培養知識遷移能力，通過嚴謹的實驗操作養成嚴謹的科學思維邏輯，為以后的學習和生活打下堅實的基礎。

（三）注重思維拓展

進階實驗教學模式注重培養學生的拓展性思維，鼓勵學生提出創新性的假設和實驗方案。教師需要引導學生進行深入思考，鼓勵學生探索未知領域，激發學生對生物學的興趣和好奇心，培養其創新思維和解決問題的能力。在教學實踐中，教師需要為學生設置開放性的問題，引導其充分發揮自己的想象力和創造力，從多個角度探究生物實驗原理，并鼓勵學生提出自己的解決方案，實現拓展性思維的培育。

二、基于學科核心素養的高中生物進階實驗教學過程

（一）高中生物進階實驗教學流程

高中生物進階實驗教學流程主要包括實驗準備、實驗講解、實驗設計、分組實驗、數據整理與分析、填寫實驗報告、實驗評價等。在進階實驗教學過程中，教師需要注重學生學習主動性與拓展性思維的培養，根據學生的學習需求與實際情況靈活調整教學策略，確保教學質量與學生的學習效果。

實驗準備階段，教師需要準備實驗材料、設備和試劑等，確認實驗場地的安全性和適用性；實驗講解階段，教師需要講解實驗的目的、原理、方法和注意事項，確保學生明確實驗要求和操作流程；實驗設計階段，在教師的指導下，學生需要自行設計實驗方案，實驗設計應包括預期結果，并遵循科學實驗原則；分組實驗階段，學生按照實驗要求進行分組，并進行實驗操作，記錄實驗數據和觀察到的現象；數據整理與分析階段，學生需要整理實驗數據，并進行初步分析，使用科學的方法對數據進行處理和解釋；填寫實驗報告階段，學生需要根據實驗過程和結果填寫詳細的實驗報告；總結反思階段，學生需要在教師的引導下，總結實驗經驗，反思自身的不足之處，教師需要為學生提供反饋，指導學生進行改進，提高實驗技能和科學素養。

（二）進階實驗各階段培養拓展性思維的策略

1.實驗準備階段，利用材料進階。

在高中生物進階實驗中，實驗材料是探究的基礎，而在傳統教學過程中，通常由教師根據教材內容準備相關實驗材料，極大地限制了學生的拓展性思維。為此，教師可以放寬實驗材料的限制，只需要滿足易得、便于觀察、易于操作、經濟性強等要求即可，學生可以根據要求自主準備實驗材料，以激發學生的實驗探究興趣，培養學生的拓展性思維。

例如，在高中生物必修一“觀察植物細胞的質壁分離及復原”實驗教學中，根據教材內容，實驗過程所選用的材料為洋蔥鱗片葉外表皮細胞，選擇該材料的主要原因是，洋蔥鱗片葉外表皮細胞中存在紫色大液泡，更加便于學生進行觀察與探究。為了培養學生的拓展性思維，教師不必囿于教材中的實驗材料，可以為學生額外提供黑藻葉片、紅色花瓣等。經學生觀察，紅色花瓣與洋蔥鱗片葉外表皮細胞均有帶顏色的大液泡，同樣便于實驗探究，而黑藻葉片內部沒有大液泡。當發現這一不同點后，教師可以引導學生轉換思路，該實驗的本質是觀察植物細胞質壁分離的過程，雖然黑藻葉片沒有帶顏色的大液泡，但是從其葉綠體出發，可以發現其原生質層帶有顏色，也能用于后續的實驗觀察。基于此，教師引導學生探究無色植物細胞質壁分離及復原現象。在討論的過程中，結合上述觀察結果，學生自然會想到使用顏料浸染無色植物細胞壁與原生質層，便能夠實現輕松觀察的目的。利用材料完成進階實驗教學，使學生不再囿于教材內容，對相關知識有了更深刻的理解，同時形成了拓展性思維。

2.實驗講解階段，利用實驗目的進階。

實驗講解階段，教師需要為學生講解本次實驗的目的，以便學生能夠根據實驗目的，考慮實驗過程中的變量，設計實驗方案。而基于教材基礎實驗對實驗目的進行進階，可以幫助學生打開思路，脫離教材實驗的桎梏，為學生提供更廣闊的創新空間，進而培養學生的知識遷移能力與實踐應用能力。

例如，在“觀察植物細胞的質壁分離及復原”實驗教學中，實驗目的是讓學生通過觀察了解植物細胞在水分流失的情況下，原生質層逐漸與細胞壁分離的現象，從而深入理解質壁分離的原理及其在植物生理中的意義。教師可以基于這一目的轉換思路，引導學生從不同角度探究質壁分離現象及其原理。如，教師可以以“判斷成熟植物細胞是否有生物活性”為例，引導學生進行實驗探究，學生根據已學的植物細胞相關知識聯想到，可以將植物細胞浸泡在特定濃度的蔗糖溶液中，若發生質壁分離，則說明細胞具有活性；若無變化，則說明細胞失去活性。

在學生得出這一結論后，教師繼續提出問題：“如何測定成熟植物細胞的細胞液濃度范圍？”以此實驗目的為出發點，學生通過小組討論探究實驗過程，使用不同濃度的蔗糖浸泡植物細胞，并進行對比分析，完成進階實驗探究。在學生完成進階實驗探究后，教師繼續深化實驗目的，提出“比較不同成熟植物細胞的細胞液濃度”這一問題，學生在小組討論中確定最終實驗方案，將不同植物細胞浸泡在同一濃度的蔗糖溶液中，并得出結論：質壁分離時間越長，細胞液濃度越大，反之，則細胞液濃度越小。在教師不斷引導學生拓展實驗目的的過程中，學生能夠由淺入深、從不同角度探究生物實驗原理，對拓展性思維的培養能夠起到促進作用。

3.實驗設計階段，利用實驗變量進階。

進階實驗教學的目的是探究生物學原理，而為了確保實驗探究結果的準確性，需要對實驗過程中的自變量與因變量進行控制，同時要求實驗中的自變量保持單一，但并不是唯一，而是利用材料、器材、環境等控制因變量，降低因變量對實驗結果的影響。因此，在高中進階實驗中，變量的控制直接關系實驗探究的教學成效。教師利用變量進階，能夠促使學生了解實驗中不同變量之間的關系，進而將其引申到實際應用中，合理控制變量，幫助學生完善思維邏輯，為后續的學習與生活打下堅實的基礎。

以人教版必修一“酶的專一性”實驗探究為例，教師為學生提供斐林試劑、碘液、蔗糖溶液、蔗糖酶溶液、淀粉溶液、淀粉酶溶液等實驗材料，讓學生以小組為單位，自由選擇實驗材料，設計實驗方案。大多數學生以教材實驗為準，選用碘液、淀粉溶液、淀粉酶溶液作為主要材料，完成實驗設計與探究，而部分學生選擇斐林試劑、蔗糖溶液、蔗糖酶溶液、淀粉酶溶液等作為實驗材料。在這一過程中，教師適時給予學生引導：自變量是否只能以酶的種類為主？底物的種類是否可以作為自變量？在教師的引導下，學生能夠組合不同的酶與底物，思考除了酶的種類，底物的種類是否也會影響酶的催化效果。進階實驗結束后，教師組織學生進行交流，分享彼此的實驗結果。在討論過程中，學生可以發現新問題、提出新想法，從而進一步完善自己的實驗探究。在該進階實驗中，教師通過進階實驗變量引導學生嘗試不同組合下的實驗設計，并通過實驗探究幫助學生理清思路，使其更深刻地理解“酶的專一性”。

4.實驗評價階段，利用實驗難度進階。

高中生物進階教學的核心目標是培養學生的科學思維等核心素養。為了實現這一目標，教師需要轉變傳統的教學模式，創新教學方法，根據教材實驗內容，有意識地增加實驗難度，以逐步提高學生的獨立思考能力和科學探究能力。在實驗難度進階的過程中，教師要為學生搭建自由討論的平臺，學生不再是知識的被動接受者，而是實驗設計的主動參與者，能夠有效激發學習興趣與探究欲望。在該模式下，教師可以根據學生的實際情況，結合實驗內容設計不同難度的實驗問題。以酶活性相關的實驗為例，教師可以設計三個難度的實驗任務。

難度一：探究唾液淀粉酶的最適pH值，旨在讓學生了解酶活性受pH值影響這一知識點。在實驗過程中，學生根據教材內容，以小組的形式進行討論，并設計實驗方案，教師對學生實驗方案的可行性、實驗操作的規范性、實驗設計的創新性等方面進行點評。在點評過程中，教師需要指出實驗方案中的錯誤和不足之處，指導學生進行改進，以幫助學生更好地理解生物進階實驗原理，掌握實驗技能，進而培養其科學邏輯思維。

難度二：探究溫度對唾液淀粉酶活性的影響，該實驗是基于難度一的進階實驗，旨在讓學生了解酶活性受溫度影響這一知識點。在完成難度一實驗步驟后，教師可以引導學生進行難度二的實驗，學生需要編寫實驗步驟模板，明確實驗設計中自變量設定、因變量與無關變量的控制，從而進一步強化科學邏輯思維，形成嚴謹、務實的拓展性思維。在學生完成實驗步驟的編寫后，教師可以引導學生進行難度三實驗教學任務。

難度三：這一部分教學以實驗方案評價為主，旨在強化學生對進階實驗的理解，培養其拓展性思維。在該階段，學生利用前兩個實驗所學知識對實驗步驟進行評價，教師引導學生對實驗方案進行深入分析，發現其中的問題，并提出改進意見。同時，教師可以引導學生轉換思路，從不同的角度思考問題，培養其拓展性思維。通過難度三的實驗教學，學生能夠更深入地理解實驗原理，提高自身的科學探究能力。

三、利用多元評價，強化拓展思維

為了實現學生拓展思維的量化評價，教師需要采用多元評價方法，對學生進階實驗過程中的表現與思維發展，以及實驗結果進行評價，以便更好地了解學生的學習進度和思維發展情況，從而在后續的教學活動中針對性地調整教學策略。具體而言，可以從以下幾個方面開展多元評價：

第一，觀察與記錄。在實驗過程中，教師應注意觀察學生的操作技能、實驗態度和團隊合作能力。同時，記錄學生在實驗過程中的表現，以便及時進行反饋和總結。通過觀察與記錄，教師能夠了解學生在實驗過程中的不足之處，并給予其相應的指導。第二，小組討論與匯報。在小組討論中，學生分享彼此的實驗結果和心得體會，相互學習、相互啟發。在匯報環節，學生需要梳理實驗過程和實驗結果，并與同學進行交流，有利于培養學生語言表達能力和邏輯思維能力。第三，反思與總結。實驗結束后，教師組織學生進行反思與總結，回顧整個實驗過程、分析實驗結果、總結經驗教訓。同時，還應引導學生深入思考實驗原理與實際應用之間的聯系，促進學生思維的拓展。第四，制定評價量表與標準。為了確保多元評價的客觀性和公正性，教師應制定相應的評價量表，包括實驗操作技能、實驗態度、團隊合作能力、語言表達能力和邏輯思維能力等方面的評價指標。

四、結語

高中生物進階實驗對學生科學邏輯思維、實踐探究能力等核心素養的培養具有推動作用。在教學實踐中，為了培養學生的拓展性思維，教師需要根據進階實驗流程，從實驗材料、實驗目的、實驗變量以及實驗難度等方面進階，依托教材內容，跳出教材框架，采用開放性的材料選擇、目的選擇等手段，引導學生在實驗過程中發揮主觀能動性，積極參與進階實驗設計、操作與評價，從而實現拓展性思維能力的提升。

注：本文系江蘇省教學研究重點自籌課題“基于學科核心素養的高中生物實驗進階教學的實踐研究”（課題編號：2021JY14-ZB41）研究成果。