基于實驗教學創新提升學生科學探究能力的策略研究

段林奎

摘 要：“科學探究”是高中生物學科四大核心素養之一，探究實驗教學是培養學生科學探究能力的重要途徑。文章通過分析高中生物學科探究實驗教學創新活動實施的背景及必要性，立足學校客觀條件，提出了利用微課、探究性學習以及開展數字化實驗等創新教學形式，從而充分發展學生科學思維，提升學生科學探究能力。

關鍵詞：探究實驗；教學創新；科學探究能力；策略研究

中圖分類號：G623.6?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1673-8918（2024）02-0001-05

2014年新高考綜合改革啟動，目前，全國已有29個省（直轄市）參與其中，2024年甘肅省也將迎來首輪新高考考試。對比新舊教材，不難發現：一是探究性實驗內容所占比例在新教材中大幅上升，強調學生思維品質形成和觀察、分析、應用及合作等實踐能力的培養。二是新教材中探究實驗的載體形式也較為多元化，尤其在三冊選擇性必修教材中，僅課后訓練中的探究實驗占比就高達41%。另外，筆者深入研究2018—2023年全國乙卷生物高考試題的發展變化情況，發現六年內，探究實驗類試題的數量和分值比例分別是5、7、6、6、9、10和48%、64%、52%、55%、81%、82%，呈現穩步上升的態勢，試題情境來源也多與生產實踐及科學研究密切相關。

這些變化，充分體現了新課程、新高考全面發展和考查學生“科學探究”能力的課標理念，組織開展探究實驗教學研究與實踐活動較為重要。

一、 創新高中生物探究實驗教學的基本策略

立足現實條件，圍繞“教學形式”“材料用具”及“教學評價”等方面進行創新研究與實踐，是實現探究實驗教學創新的三個基本途徑，也是打造高效生物課堂的主要突破口。

（一）教學形式創新策略研究

教學形式創新就是立足學校現有的教學資源，對課程設置的探究實驗教學內容進行適當的分類，并采用不同方式開展施教活動。

1. 應用微課輔助探究實驗教學

微課以其內容豐富、畫面生動以及便于展示等特點，成為廣受師生歡迎的輔助教學手段。通過智能黑板，利用微課輔助開展探究實驗教學活動，可以有效解決學校受場地、課時、實驗條件限制等不能開展實驗教學的問題。譬如，由于學校沒有無菌操作平臺，導致難以開展選擇性必修3教材中與微生物培養、分離有關的幾項實驗，課題組就把網絡平臺上的一些精品課程的教學實錄進行有針對性的剪輯處理，制作出主題鮮明、重難點突出且有助于學生思維激發和能力提升的微課短視頻，取得了比較理想的教學實效。同時，借助微課引導學生分析教材“思考·探討”中的“氨基酸怎么構成蛋白質”等實驗時，可以把教材平面靜態的圖片轉換成三維立體動態變化，并配上恰當語音解讀，這能在極大激發學生學習興趣的基礎上，助力學生思維啟迪，深化學生理解。另外，在“細胞學說”等科學史類實驗教學中，適當應用微課再現科學家曾經的研究歷程，有利于學生感受科研工作的艱辛，體會先進技術對科學研究的巨大推動作用。以上這些，都是純文本學習很難實現的教學效果。

要實現以上的教學效果，應用微課輔助教學還需要堅持以下三項原則：

（1）目標明確

微課是為突破教學重難點而采取的一種手段，因此微課的內容及呈現過程應為幫助學生形成思維、提升能力服務。如果微課只是簡單進行知識描述或過程呈現，則無助于學生核心素養發展，也就沒有必要用它來輔助教學。

（2）精心篩選

目前，來自網絡的微課資源十分繁雜，學科教師務必根據課程需要精心選擇，同時，還要學習掌握必要的信息技術手段，按照需要對教學資源進行重新整合，不能只注重形式、不精選內容，在教學活動中隨便應用。

（3）問題引領

任何時候，微課都只是一種教學的輔助手段，不能完全替代師生的教學活動。因此，高質量的微課教學往往和問題驅動策略協同使用，從而借助主題鮮明、層次清晰、情境真實、貼近生活及簡明新穎問題串的引領，實現教師對學生的思維訓練和能力培養。

2. 通過研究性學習開展探究實驗教學

相較于傳統的接受性學習，研究性學習更強調學生的自主設計與合作探究，許多難以在短時間內全員開展的探究實驗教學內容，可以成為研究性學習小組的研究主題。在老師的輔導下，學習小組可擬定可行的研究方案，利用充足的課余時間，借助學校的圖書室、校園網或實驗室，達成比較理想的研究結果。在此基礎上，通過班級答辯會或年級組的生物學科研究成果交流活動，分享給其他同學，提升學生群體的整體思維與能力。

課題類的研究適用于那些用時較長或需要走出校園的探究實驗。輔導員老師需要就申報程序及安全性問題等注意事項，給學生作出清晰的指導與說明，強調課題研究制度與紀律要求，要和研究小組的負責人經常保持緊密聯系，還要注意對研究資料進行檔案管理，對有價值的研究成果要做好分享與推介工作。如近年來，我校學科組指導學生完成8項市級高中生研究性學習課題研究。其中《探究不同光質對金魚藻光合速率影響的研究》和《涇川一中校園苔蘚植物生長狀況調查及室內人工栽培研究》這兩項課題的研究，是學習小組立足“光合作用影響因素”的課程學習，利用學校生物實驗室的探究實驗包所開展的研究性學習活動；《關于環頸雉（野雞）數量激增對當地農民生產生活影響的調查研究》是學生在“種群密度調查”與“生態系統”等課程內容學習的基礎上，圍繞選擇性必修2教材探究實驗“調查當地的環境狀況，提出保護環境的建議或行動計劃”所進行的研究性學習。大多數課題研究都取得了較好的研究成果，其中，《涇川一中校園苔蘚植物生長狀況調查及室內人工栽培研究》還被評為市級優秀課題。

活動類研究性學習適合部分人參與、短期內可以完成的探究性實驗。譬如，必修2教材中的“調查人群中的遺傳病”等多項探究性實驗，均可作為校級活動類研究性學習的研究內容。其中，《涇川一中植物種類調查及懸牌活動》《學校餐廳所用抹布細菌數量調查和使用建議》及《教室花卉選擇和管護研究》等多項研究成果獲得了學校的表彰獎勵。

3. 數字化虛擬仿真實驗的嘗試和展望

數字化虛擬仿真實驗是指把現實的實驗室設備儀器、實驗材料及實驗過程等信息，通過數字化處理轉移到虛擬的網絡中，再借助三維仿真、VR技術及計算機數據處理軟件，引導學生開展的數字化實驗教學活動。

目前，我校的仿真實驗室建設雖然還處在起步階段，但學科組對一些數字化探究實驗的教學活動已經有了初步嘗試。學科教師指導學生利用“PL-401探究實驗包”中的光合作用實驗箱、二氧化碳及溶解氧傳感器等設備，采集有關金魚藻在不同光質條件下的光合作用數據，之后，通過“PL-401探究式分析及實驗管理軟件”在電腦終端生成研究數據表和曲線圖，從而快捷準確生成實驗結果，得出研究結論。在使用PL-226智能生物培育系統及其控制管理軟件探究“黃瓜幼苗缺素條件下的生長狀況”及“草履蟲人工培養的溫度控制”的活動中，既利用電腦終端進行數據分析處理，還利用軟件自帶的圖庫，對比不同條件下生物的生長狀態，使結論更加可靠。在線上教學期間，高一年級備課組還利用智慧云平臺提供的虛擬實驗室，指導學生開展“細胞有機物檢測”等5項數字化探究實驗，深受學生歡迎。學科組全體成員還積極參加“央館虛擬實驗”的網絡教學培訓活動，對數字化實驗的特點、范圍及應用有了更加深入的學習與理解。

展望未來，在信息技術迅猛發展的當下，虛擬網絡與實際教學活動的高度融合日趨完善，低消耗、低成本、無污染、可重復、過程安全可靠、成果易于分享的數字化虛擬仿真實驗，將成為未來高中生物探究實驗教學的重要輔助手段。

（二）材料教具創新策略研究

生物探究實驗通常以某些生產生活或科學研究作為學習情境，實驗過程需要使用相應生物材料或研究用具。課題組在近兩年的研究活動中，針對這些材料和用具所開展的創新活動也取得了一定成果。

1. 實驗材料創新

（1）創新依據

一方面，本地域的許多生物材料既價廉物美，也容易獲得，可以替代教材探究實驗的一些不常見材料。另一方面，實驗中針對一些實驗材料的處理方法，教材也只是提出來一般性建議，在教學實踐中還有可能被繼續優化。要充分發揮師生在教學活動中關注生活、勤于思考、勇于創新的能動作用。對教學實踐中應用效果良好且易于獲得的本土實驗材料，以及被優化的實驗方法和措施，學科教師要及時總結、積極分享。

（2）材料創新實踐

在必修1教材實驗“綠葉中色素的提取和分離”的教學活動中，我們用來自河灣的干凈細沙替代二氧化硅、用92#汽油替代做層析液（使用中強調用量，并保持通風系統正常運轉），在降低成本、提高安全性的基礎上，也取得了較為滿意的實驗結果。同時，針對提取液的處理方法，在教材介紹的移液管劃線的基礎上，還推薦學生使用“利用蓋玻片一側邊緣摁線”，以及“在圓形濾紙中央滴加濾液和層析液”等多種方法，在激發學生學習興趣的基礎上，也極大豐富了學生的科學思維。

近年來，從超市購買的洋蔥和大蒜，在實驗室水培時往往很難正常生根。在開展“觀察根尖分生區組織細胞的有絲分裂”的實驗教學時，我們將從農村集市購買的農家土蒜作為實驗材料，且把小燒杯水培改變成在鋪有吸水海綿的培養皿或水槽里培養，短時間內就獲得了又多又大的根尖材料。

教材必修2的“性狀分離比的模擬實驗”，通過用手隨機抓取小桶中的不同顏色的乒乓球，模擬不同種類的配子，再借助手動統計獲得受精卵中基因型的種類及其比例。通過多年的摸索和實踐，課題組創新運用純凈水瓶替代小桶，用藍、紅玻璃彈球替代黃、白乒乓球，用智能黑板上的Excel統計替代手動統計，這些方法占地少、易操作、成本低、配子更易混合均勻、數據統計快捷而準確。

2. 教學用具創新

（1）創新依據

學科教師在長期工作中，形成了自己對教材知識原理的獨到理解，在此基礎上，可以通過制作易于觀察和操作，有助于開發學生科學思維，培養學生探究能力的教具模型輔助開展教學活動。在一些思維含量較高的探究實驗中，自制教具往往可以取得事半功倍的效果。另外，也指導學生利用課余時間，使用生活中的常見材料和影像素材，自行制作一些簡易模型、標本或視頻作品，以此來深化學生對知識原理的理解，提升學生的科學探究能力。

（2）教學用具創新實踐

在學生完成必修1“探究植物細胞的吸水和失水”實驗操作后，課題組教師利用“摘果子”的自制教具模型，對“物質跨膜運輸方式”這一課程內容進行系統復習總結，既豐富了課堂教學內容，也訓練了學生的邏輯思維和辨析表述能力。近年來，在原先“旋轉密碼”（自制教具）的基礎上，課題組教師又制作出升級版的“遺傳魔盒”，用它模擬“密碼子表”“中心法則”等教學內容，化靜態為動態、變抽象為直觀，很好地解決了必修2教材“思考·探討”中“分析密碼子特點”“DNA復制模擬”以及“基因表達過程”等教學難點。由于實際使用效果良好，該教具還被學校推薦參加全市自制教具評比大賽并獲獎。

學生的創新制作，除了全體學生按照教材要求，利用廢舊物品制作生物膜模型、生態缸等物理模型外，還以研究性學習小組為單位，指導部分學生開展特殊項目的研究制作活動。譬如，利用生物實驗室的數碼顯微鏡的拍攝與儲存功能，制作出苔蘚植物顯微觀察以及草履蟲運動、攝食等微視頻作品。去年，學習小組還利用一只飛撞到教學樓窗玻璃而意外致死的雌性環頸雉，制作出了栩栩如生的鳥類標本，彌補了學校標本室十多年來只有雄性環頸雉而沒有雌性標本的缺憾。這些創新活動，在開拓學生知識視野，豐富學生學習生活的同時，也極大促進了學生科學探究能力的培養。

（三）教學評價創新

教學評價是教師了解教學過程、評價教與學行為、提高教學質量的重要手段。學科教師主導的教學評價主要包括日常教學評價和階段性教學評價兩個過程，進行適當教學評價創新研究與實踐，既可以激勵學生提高學習熱情，促進學生學科核心素養的發展，也可幫助學科教師積累經驗。

1. 以“淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用”為例的日常教學評價創新

這項實驗是依據單一對照原則以及斐林試劑在加熱條件下可以檢測還原糖的原理，通過探究淀粉酶對淀粉和蔗糖水解過程中催化作用的差異，最終幫助學生認識酶的專一性。課題組的創新評價貫穿整個學習環節，較好地規范了學生的學習與探究過程，對學生的實驗思想與技能都有不同程度的提升。

（1）準備階段的評價創新

創立實驗方案“建檔立卡”制度，即在課前預習環節，以學習小組為單位，由“輪值學生”先提出設計方案并陳述理由（相當于自我評價），其余學生參與討論、提出疑問或補充意見（相當于小組評價），組長負責填寫實驗方案卡片并上報學科教師。老師及時評價方案并作分類記載，對設計有缺陷的方案要指明問題、限時修改。針對本次實驗設計，教師在布置預習任務時就明確指出該實驗系探究實驗，教材的實驗設計僅供參考，鼓勵學生根據自己的學習所得，參考教材內容獨立設計實驗方案。學生上報的方案卡中，有一小部分方案注意到了“酶促反應需要適宜溫度”，在酶和底物混合之前，對淀粉酶也單獨做了60℃處理，這些方案被分到A類，個別方案為了簡便省事，在酶促反應之前就加入斐林試劑，被分到C類，更多的方案照抄課本設計，被歸到B類。

（2）實施階段的評價創新

開課后，教師首先重申“組長負責制”下的團隊合作實驗準則，要求學生做好明確分工、嚴格執行學習小組課前設計的實驗方案。在實驗過程中，教師對各小組的實際操作全程關注，尤其注意檢查A、C類方案是否嚴格執行，并針對實驗現象及進程進行有選擇地拍照和錄像取證。及時評價各小組實驗實施中的過程性問題，對操作規范、進展迅速、現象明顯的小組及時肯定和表揚；對存在明顯錯誤的實驗操作，及時制止和糾正，并提出補救建議。

（3）總結階段的評價創新

①學生學習效果評價

首先，下課前使用投影展示A、C類實驗設計方案，同步利用智能黑板投屏前期拍到的照片或短視頻，并呈現不同方案所對應的實驗結果。強調A類方案中，淀粉酶在反應之初就已經達到最適溫度，由于酶活性最強、導致催化效率最高，實驗現象就出現得最早。而在C類方案中，由于斐林試劑的加入過早，其堿性環境會影響淀粉酶的活性，導致催化效率下降，使得實驗現象出現得晚且不明顯。其次，要求各實驗小組成員在填寫實驗報告冊時，認真分析總結本次實驗從設計到實施，再到結果的收獲與教訓，通過自評反思環節增強對實驗的理解和認識。

②教師教學效果評價

結合教學實際，通過備課組會議，學科教師交流與分享針對探究實驗教學的自我反思，確定今后教學改進的方向與措施。就本次實驗而言，老師們對課題組創新出來的“實驗方案建檔立卡制度”的試行效果都比較認可，對利用投影、投屏開展實驗效果評價等創新措施也十分滿意，同時提出通過創建學校實驗教學電子資源庫，收集整理探究實驗教學活動中的研究成果，從而形成這些教學創新策略的傳承和長效機制。

2. 階段性教學評價創新實踐

（1）圍繞階段性考試檢測效果的評價創新

針對階段性考試，往往需要開展圍繞特定探究實驗主題的階段性教學評價。而和課后訓練題一樣，階段性考試中經常會出現一些科學探究類試題，旨在考查學生的科學思維及科學探究能力。這些試題往往以真實的生產實踐或科學研究為情境材料，通過文本、圖表等形式把研究者質疑、設計、觀察、分析及探究結果等重要信息隱藏在題干中，考查學生科學探究素養及獲取信息、應用信息解決實際問題的綜合能力。許多學生因為對試題情境陌生、實驗能力低下、解題策略不足等原因，在此類題應試中失分較多。針對這種情況，課題組提出“教師評價重疏導，學生自評重反思”的基本策略。從平時課后訓練到階段性考試，對探究類疑難題型進行講評，首先借助PPT圖文或視頻資源，拓展豐富學生對生產實踐和科學實驗的認知和積累，幫助學生理清實驗設計脈絡，教會學生分析、提取有用信息并運用信息做題的方法與技巧。同時，還可以借助投影展示學生做題中暴露出的普遍性問題，引導學生發現問題，找到出錯原因，并形成正確認識，避免下次遇到同類型題時重蹈覆轍。另外，要求學生借助錯題本的糾錯環節，認真自評和反思，尤其要加強特定探究實驗設計原則及方法的梳理和總結，以期舉一反三，提升自身的綜合能力。

（2）圍繞研究性學習活動的評價創新

有一些學習小組的研究性活動，所涉及的研究內容與生產生活實際緊密聯系，研究的問題具有普遍性，研究過程中方法新穎、周期較長，研究成果也有較高的推廣應用價值，針對此類活動成果評價與推介創新尤為重要。譬如，在完成雌性環頸雉標本制作以后，課題組老師又指導學生對過程性視頻資料進行剪輯整理，制作出“天賜良‘雞”的微視頻作品，借助校園大屏幕對制作過程進行科教展示。同時，學校還在生物標本室內專柜陳設學生制作的動植物標本及其他物理模型，在高一新生入學教育或對外開放時展出。在學生完成《高中生物實驗教學活動中安全性問題研究》及《涇川縣域內主要河流水質調查研究》這兩項課題以后，學校吸納課題組的研究成果，在實驗室張貼“涇川一中生物實驗室安全管理十五條”，印制以“節約用水，保護水資源”為主題的宣傳單，在學生家庭及社區進行科普宣傳。針對每期有價值的研究性學習成果，學科還設置科普專欄，在學校內進行展出宣傳。這些評價活動，對學生群體的學習積極性提升以及學科核心素養發展都具有重要意義。

二、 結論

綜上所述，立足探究實驗教學創新培養學生科學探究能力的課題研究，既是在踐行新課標理念，也順應新高考發展趨勢。課題組的研究與實踐活動，以充分發揮學科教師能動作用、全面開拓學生認知方式的教學形式創新為主線，以積極發掘本土教學資源與教師潛能的材料用具創新為兩翼，以旨在推動教學活動持續發展的教學評價創新為終端，形成了一條完整的探究實驗教學活動創新鏈。研究過程創造性地利用學校現有條件，幫助學生發展以科學探究能力為代表的學科核心素養，雖歷經曲折卻堅持不懈。由于研究的問題在當下具有一定的普遍性，研究所產生的成果在一段時間內、一定區域內具有一定的示范意義。

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