指向核心素養(yǎng)的高中生物學實驗教學新路徑

楊月梅

摘 要：結(jié)合高中生物學新課標、具體學情和實際教學環(huán)境，文章以“探究植物細胞的吸水和失水”為例，進行了基于ADI的混合教學模式在高中生物學實驗教學實踐的新探索。以任務驅(qū)動論證學習過程，通過線上線下混合教學模式將科學論證與科學探究有機融合，該教學新路徑提升了學生在實驗探究、綜合分析、科學論證、概念建構(gòu)、寫作應用等方面的能力，逐步培養(yǎng)了其科學探究、科學思維的學科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：ADI；混合教學模式；高中生物學

生物學核心素養(yǎng)中包括“科學探究”和“理性思維”，高中生物學實驗是培養(yǎng)學生生物學核心素養(yǎng)的必要手段[1]。但目前很多高中生物學實驗教學面臨實驗探究時間短，學生討論少，實驗探究深度不足，缺乏科學的實驗數(shù)據(jù)，學生思考不足等問題，表面化的實驗教學不利于培養(yǎng)學生的科學探究和理性思維等核心素養(yǎng)。信息技術(shù)的引入能有效打破時間和空間對生物學實驗教學的限制，將信息技術(shù)與實驗教學有機融合是一種必然的教學趨勢。而ADI教學模式含有“科學探究”和“理性思維”這兩個關(guān)鍵詞，強調(diào)要引導學生模擬科學家進行科學論證的科學探究過程，將科學探究和理性思維的培養(yǎng)深度交織。因此，基于ADI的混合式教學模式符合目前我國高中生物學實驗教學的發(fā)展趨勢[2]。

一、基于ADI的混合教學模式的闡述

（一）ADI教學模式及混合教學模式概述

論證探究教學模式（Argument-Driven Inquiry instructional model，ADI）一般有8個環(huán)節(jié)：提出任務和問題、設計修改探究方案、收集分析數(shù)據(jù)及資料構(gòu)建論據(jù)、論證過程、反思性討論環(huán)節(jié)、撰寫研究報告、組間同行盲審、修改并提交報告[3]。該教學模式將科學探究活動與科學論證活動巧妙整合，在一般探究活動的基礎(chǔ)上融入論證和評價環(huán)節(jié)，是一種新型的科學探究教學模式。混合教學模式是指將面對面線下教學與網(wǎng)絡平臺的線上教學有機融合的一種教學形式[4]。該模式在“互聯(lián)網(wǎng)+”理念引導下，將面對面線下教學與線上智慧網(wǎng)絡課堂相融合，也是目前在教學領(lǐng)域傳播范圍最廣的一種混合教學模式。

（二）基于ADI的混合教學模式

基于ADI的混合式教學模式中突出教師要引導學生模擬科學家的“論證”探索過程，重點在于主張與論據(jù)之間的科學性邏輯推理關(guān)系中；結(jié)合線上網(wǎng)絡平臺和線下課堂活動開展教學活動，將探究論證過程貫穿于課前、課中及課后，突破教學中時空的限制；該模式中教師注重將科學論證活動與科學探究活動相結(jié)合，以提升學生的科學論證、科學探究及科學思維的能力。

二、高中生物學實驗教學應用模式建構(gòu)

基于ADI的混合教學模式分為線上和線下兩部分，其中課前活動和課后點評在線上完成，實驗探究活動在線下完成。線下授課環(huán)節(jié)，以學生為主體，經(jīng)教師引導，以要論證的問題為導向，開展邊探究邊論證的實驗過程。教師在論證中及時給予學生適當?shù)姆答仯膭钜龑W生達成科學論證。

三、高中生物實驗教學中的應用案例剖析

以高中生物學必修1 《分子與細胞》（人教版2019）第4章第1節(jié)中的探究實踐活動“探究植物細胞的吸水和失水”為例，闡述該教學優(yōu)化模式在高中生物學實驗教學中的應用。

（一）確定實驗主題和任務，收集資料

針對高一學生的學情，教師需要在課前通過網(wǎng)絡平臺布置學習任務單：提供實驗資料研讀、熟悉實驗材料、熟悉實驗用具的使用、提出學習任務要求，以降低實驗探究的盲目性和難度，同時有效提升線下課堂的學習效率。教師在課前將學生分組，學生以小組為單位依據(jù)學習任務清單進行查閱資料和討論，教師可以通過網(wǎng)絡平臺與學生互動，與學生探討小組的研究方案，適時引導并修正，以提高后續(xù)線下課堂的實驗效率，便于論證活動的開展。

設計意圖：通過課前學習任務驅(qū)動，讓學生明確學習目標，通過查閱、搜集、分析資料，促進其主動探究性學習，掌握正確的實驗操作便于后續(xù)探究實驗的開展，既節(jié)約了課堂時間又明確了學習任務，符合混合式學習的理念。

（二）確定實驗方案，開展探究活動

教師首先引導學生設計實驗實施方案，利用實驗結(jié)果論證主張的合理性。各小組對要探究的問題做出解釋并提出主張。如：主張1：當成熟植物細胞在高濃度溶液中如高濃度蔗糖溶液中時，會出現(xiàn)細胞失水現(xiàn)象；主張2：當成熟植物細胞在低濃度溶液中如清水中時，會出現(xiàn)細胞失水現(xiàn)象；主張3：當成熟植物細胞液濃度小于外界濃度時，會出現(xiàn)細胞質(zhì)壁分離現(xiàn)象，隨后當外界濃度變低時，細胞會出現(xiàn)質(zhì)壁分離復原現(xiàn)象。其次，為利于探究和論證的順利開展，教師需設立系列問題支架幫助學生確定合理的實驗方案，如：合適的實驗材料選擇的原則是什么？本探究實驗的自變量是什么？因變量是什么，如何觀察（比如中央液泡的大小還是顏色深淺變化）？收集的數(shù)據(jù)類型是什么（時間數(shù)據(jù)還是原生質(zhì)層的位置變化）？對照組和實驗組如何設置？如何記錄數(shù)據(jù)（畫圖還是拍照）？實驗操作步驟注意事項有哪些？如何分析數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)圖的類型）？最后，小組討論思考上述問題后需繼續(xù)完善實驗設計方案，教師注意觀察并適時指導學生。

設計意圖：本環(huán)節(jié)收集證據(jù)是能否進行科學論證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但基于學生是初次論證，教師可通過問題支架和探究方案模板，引導學生完成科學方案的設計，避免了非必要錯誤，提升了課堂時效和學生實驗探究能力，為后續(xù)科學論證做好鋪墊。

（三）收集、分析數(shù)據(jù)、質(zhì)疑、辯駁，構(gòu)建初步論證形成主張

每個小組積極探究實驗，收集實驗數(shù)據(jù)為自己的主張做辯論。如洋蔥細胞進行質(zhì)壁分離的現(xiàn)象是什么？在何濃度下會出現(xiàn)細胞吸水和失水現(xiàn)象？學生收集、分析數(shù)據(jù)，依據(jù)教師提供的論證過程模板在紙上構(gòu)建合理的初步論證過程，包括小組主張、論據(jù)支持、二者的邏輯推理關(guān)系。如在選材方面：有學生主張選擇洋蔥外表皮，有學生主張選擇洋蔥內(nèi)表皮。再如關(guān)于實驗試劑處理實驗材料操作部分：

學生A：主張用清水處理洋蔥外表皮細胞，觀察細胞吸水現(xiàn)象（裝片1）；主張用一定濃度蔗糖濃液處理洋蔥外表皮細胞，觀察細胞失水現(xiàn)象（裝片2）。

學生B：主張先用清水處理洋蔥外表皮細胞，觀察細胞吸水現(xiàn)象；再用一定濃度蔗糖濃液處理同一裝片的洋蔥外表皮細胞，觀察細胞失水現(xiàn)象。

學生C：主張先用一定濃度蔗糖濃液處理洋蔥外表皮細胞，觀察細胞吸水現(xiàn)象；再用清水處理同一裝片的洋蔥外表皮細胞，觀察細胞失水現(xiàn)象。

學生在實驗過程中對上述主張進行討論、辯駁、修正及完善，最終統(tǒng)一主張為：選擇洋蔥外表皮細胞為實驗材料（內(nèi)含紫色大液泡，便于實驗快速觀察），選擇學生C的主張為實驗操作步驟（參考植物細胞的細胞壁的結(jié)構(gòu)及實驗中單一變量原則）。

設計意圖：學生通過探究實驗過程獲取真實的數(shù)據(jù)，不斷試錯，利用論證框架，尋找主張與論據(jù)之間的邏輯關(guān)聯(lián)，初步完成論證過程，促進學生邏輯思維的培養(yǎng)和論證意識的建立。

（四）提出新問題，再次實驗探究進行論證

經(jīng)上述實驗，學生已觀察到植物細胞在高濃度環(huán)境中出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象，在清水中細胞的質(zhì)壁分離現(xiàn)象會逐漸消失直至恢復到原來狀態(tài)。教師設問：如何從宏觀角度解釋植物細胞失水現(xiàn)象？教師請兩位學生上講臺制作特質(zhì)的雞蛋殼并演示如下實驗（經(jīng)同屏技術(shù)將實時操作投影在電子白板上）：雞蛋殼的鈍端去外殼保留蛋殼內(nèi)膜，雞蛋殼的尖端敲小口后將蛋黃蛋清去除，后往蛋殼內(nèi)注入含有紅色墨水的清水溶液，用吸水紙在雞蛋殼鈍端處的蛋殼膜外側(cè)吸引溶液，發(fā)現(xiàn)吸水紙上是無色的，請學生從物質(zhì)擴散角度理解半透膜的概念。教師繼續(xù)同屏演示如下實驗：裝置1、2的蛋殼內(nèi)部均裝等量的清水，裝置1、2的燒杯中分別裝等量的高濃度蔗糖溶液和清水。實驗開始前，2個裝置中蛋殼內(nèi)部的毛細吸管的紅色液滴位置是等平的，請學生思考：過一段時間，2個裝置中的紅色液體如何移動？之后教師展示的實驗結(jié)果與學生預設的結(jié)果是一樣的：裝置1中紅色液滴向下移動，裝置2中紅色液滴不動。在此實驗結(jié)果和半透膜特性的基礎(chǔ)上，教師引導學生再次對農(nóng)業(yè)栽培上的燒苗產(chǎn)生的原因進行討論、辨析，最終得出結(jié)論：燒苗是成熟植物細胞處于高濃度環(huán)境中經(jīng)滲透作用發(fā)生細胞失水的現(xiàn)象。

設計意圖：通過跨學科思維、類比推理思維、模式構(gòu)建等方面發(fā)展創(chuàng)新能力，學生享受到實驗結(jié)果和邏輯推理相符合的喜悅之感，從宏觀層面理解滲透作用的原理，發(fā)現(xiàn)生活之美、科學來自生活。同時在實驗方法和數(shù)據(jù)共享的過程中，對出現(xiàn)的問題共同討論并提出解決方案，這些都有利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力

（五）完善主張，得出結(jié)論

基于理論研究解決實踐問題的目的，教師問：如何避免農(nóng)業(yè)栽培上的燒苗？學生答：及時大量澆水。教師展示之前學生做的植物細胞質(zhì)壁分離復原的實驗結(jié)果圖，問：及時大量澆水能否有效避免燒苗？學生質(zhì)疑：大量澆水或在低營養(yǎng)液濃度中，植物無法獲取足量礦質(zhì)元素，植物不能正常生長發(fā)育，不能提高農(nóng)作物產(chǎn)量。教師問：適合植物細胞生長的培養(yǎng)液濃度是多少？學生結(jié)合本節(jié)獲得的實驗結(jié)果討論分析得出結(jié)論：適合植物細胞生長的培養(yǎng)液濃度是接近植物細胞液的濃度。教師繼續(xù)提出問題：利用本次實驗的試劑和用具如何確定洋蔥外表皮細胞的細胞液濃度？學生展開探究實驗。在教師引導下學生利用蔗糖溶液模擬外界培養(yǎng)環(huán)境，并分析自變量及因變量。為了提高實驗課堂的效率，教師將全班學生劃分為6大組，每一個大組做同一個濃度的蔗糖處理，每個大組分為3個小組分別取3個實驗數(shù)據(jù)作為重復實驗組，再匯總?cè)鄶?shù)據(jù)進行分析，引導學生分析如何確定較合適的洋蔥外表皮細胞的細胞液濃度范圍。學生經(jīng)討論認為：需進一步縮小蔗糖濃度范圍，再設置系列蔗糖濃度梯度，以便確定更精確的洋蔥外表皮細胞的細胞液濃度范圍。在小組辯論反思中，教師提問：植物細胞、動物細胞發(fā)生吸水和失水過程差異？滲透作用發(fā)生條件是什么？植物細胞發(fā)生滲透作用吸水的基礎(chǔ)是什么？植物細胞半透膜兩側(cè)在哪？教師引導學生改進數(shù)據(jù)收集方法、科學分析數(shù)據(jù)，重新探究實驗得到新論據(jù)完善主張，得出科學結(jié)論。

設計意圖：教師通過設置問題支架、辯論、反思，有助于幫助學生構(gòu)建科學的論證方法及對科學本質(zhì)的理解，促進其深入思考提升科學探究能力。同時，教師能及時收集課堂教學反饋，改善教學策略。

（六）撰寫實驗研究報告，線上師生及生生點評

首先，教師可提供實驗研究報告的模板供需要的學生參照撰寫，并提示學生研究報告中需要闡述以下內(nèi)容：實驗探究的內(nèi)容是什么？為什么要探究這個內(nèi)容？具體的實驗探究步驟是什么？實驗數(shù)據(jù)是什么？實驗結(jié)果是什么？實驗結(jié)論是什么？具體的論證過程要表述清楚。然后，教師將各小組寫好的報告隱去姓名分發(fā)給其他小組盲審，評審標準參考涉及：是否清晰表述要探究的問題、是否合理解釋了探究該問題的原因、是否說明探究實驗的具體過程、是否用正確科學術(shù)語呈現(xiàn)實驗結(jié)果、是否清晰表述本組的主張、對要研究問題的主張解釋是否合理、支持本組主張的證據(jù)是否科學、證據(jù)與主張之間的推理是否合理、報告寫作的格式是否規(guī)范且表達是否通暢、是否清晰闡明本組觀點。最后，小組提出具體待改進之處及可行性建議，匯總給教師，由教師進行線上生生或師生點評，各小組繼續(xù)修改完善實驗報告內(nèi)容。

設計意圖：本環(huán)節(jié)是基于ADI的混合式教學模式的實驗教學的最后一步，學生經(jīng)審閱他人的實驗報告內(nèi)容，反思修正自身的論證過程，再與團隊共同修改完善本組實驗報告。在這個合作探究實驗論證的過程中，樹立了良好的團隊意識，提升了語言表達、信息分析綜合、報告撰寫、科學探究、論證思維等能力。

四、基于ADI的混合式實驗教學模式在高中生物學實驗教學中的應用建議

第一，遵循啟發(fā)性原則：基于ADI的混合式實驗教學模式強調(diào)學生為主的科學論證過程，教師需在學習活動中提供啟發(fā)性課題，創(chuàng)造論證性氛圍。鑒于學生初期的論證活動，教師可以提供必要的支架引導，如支架性問題、論證模板、補充材料等，引導學生將主張、論據(jù)、邏輯推理關(guān)系串聯(lián)，便于學生進行推理過程，循序漸進完成論證活動。第二，遵循因材施教原則：學生學習能力有異同，教師在論證教學活動前，需要通過線上線下多渠道了解實際學情，進而采取多種教學策略引導學生主動完成論證過程。教師在選擇論證內(nèi)容時，注意量力而為原則，要符合學生就近發(fā)展區(qū)原理：若論證內(nèi)容過于簡單流于表面，則無法激發(fā)學生探索欲望；若論證內(nèi)容過于深奧，超過學生現(xiàn)有認知水平和思維能力，則學生有畏難感不愿繼續(xù)探究論證。第三，注重科學性原則：為論證過程提供論據(jù)的準確性至關(guān)重要，包括實驗數(shù)據(jù)、資料真實性和科學性，教師選擇教學內(nèi)容應該符合論證教學模式，即實驗現(xiàn)象明顯、實驗數(shù)據(jù)真實可靠，實驗現(xiàn)象爭議性大等，使得論據(jù)可視化，便于后續(xù)學生順利完成科學論證過程。

結(jié)束語

綜上所述，基于ADI的混合式實驗教學模式通過引導學生經(jīng)歷提出問題、設計完善實驗內(nèi)容、分析實驗數(shù)據(jù)并以此構(gòu)建論據(jù)開展深入論證、反思修正觀點、報告撰寫及評審修改的過程，對培養(yǎng)高中生的科學論證能力、實驗探究設計能力、實驗研究報告的撰寫以及提升高中生科學思維方面優(yōu)勢顯著。該教學模式將論證活動和實驗探究有機結(jié)合為教學主線，利用線上網(wǎng)絡平臺為教學輔助部分的重要補充渠道，以解決高中生物學實驗教學面臨的課時少內(nèi)容多的問題，使得高中生物學實驗教學內(nèi)容縱深開展，有利于拓寬學生的生物學視野，能有效達成高中生物學科核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]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）[S].北京：人民教育出版社，2020：2.

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[4]Launer R，康文霞.混合式學習獲得成功的重要因素：五種假設[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2011（1）：57-60.