高中生物教學中科學思維培養的教學案例研究

摘 要：高中生物實驗教學的實施是培養學生科學思維的有效途徑。基于此分析了高中生物實驗教學中培養學生科學思維的有效策略，以“探究植物細胞的失水與吸水”實驗為例，從教材、學情分析，教學目標、重難點、學法，實驗過程三個方面探究了具體的教學案例。其中詳細分享了實驗過程的細節設計，可以為高中生物實驗教學中如何培養學生科學思維提供教學參考。

關鍵詞： 高中生物；科學思維；實驗教學

《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）強調了科學思維在學生核心素養發展中的重要性。高中是學生認知發展的關鍵階段，學生已經具備了抽象邏輯思維的能力，能夠進行演繹推理[1]。因此，科學思維的培養可以顯著推動學生批判性和創新性思維能力的發展。高中生物實驗教學是培養科學思維的有效途徑之一。通過具體的生物實驗，學生可以直觀地觀察生命現象，設計實驗，提出假設，并通過實驗驗證，加深對生物學知識的理解，培養問題解決能力和科學探究能力。

一、高中生物實驗教學中科學思維培養的策略

（一）結合實際改進實驗材料

高中生物實驗教學中，科學思維能力的培養需要結合實際情況，靈活選擇實驗材料。在選擇實驗材料時，要考慮材料是否便于觀察、無毒無害、價格低廉且易于獲取。同時，教師應充分利用本地資源，使實驗更加貼近學生生活和實際情況。結合實際情況選擇實驗材料有助于激發學生的創造性思維和批判性思維。

（二）結合定性和定量開展實驗

在高中生物實驗中，定性實驗主要用于研究事物的性質、成分等，而定量實驗則側重量的關系的研究。然而，目前生物實驗大多為定性研究，不利于學生科學思維能力的培養。為培養學生的科學思維能力，教師應該逐步培養學生定量實驗的思維方式。具體可以通過培養學生的變量意識來實現，例如，在定性實驗中要求學生清楚自變量、因變量和無關變量等，并注意控制變量。同時，教師可以根據實驗內容和性質進行拓展探究，通過設置問題引導學生進行定量思維[2]。

（三）開展探究性實驗改進實驗內容

通過開展探究性實驗，教師可以給予學生更多的自主探究和思考空間。相較于傳統的驗證實驗，探究性實驗側重讓學生提出問題、做出假設、設計實驗、進行實驗、得出結論，并進行表達與交流。這種實驗過程對學生開放思維和創造性思維的培養具有積極促進作用，但教師也需要根據學生的認知特點進行情境創設和教學設計，適當給予引導，同時不能過多干預學生的設計思路。

二、高中生物教學中科學思維培養的教學案例

為進一步探究高中生物教學中如何有效鍛煉學生的科學思維能力，以高中生物“植物細胞的吸水和失水”實驗為例進行教學設計與實施。

（一）教材和學情分析

本部分內容來自人教版高中生物學必修一的第四章第1節，主要探討動植物細胞在吸水與失水過程中的滲透作用。該實驗作為高中生物學課程中的首個探究實驗，目的在于激發學生對滲透現象的興趣，并通過問題驅動的方法逐步深入理解相關生物學原理。針對高中生在此發展階段已具備的抽象邏輯思維能力和一定生活經驗基礎，本實驗不僅有助于學生建立感性認識到理性認識的橋梁，也旨在通過實踐活動使學生掌握科學探究方法和科學思維方式。教師在此過程中扮演關鍵角色，需引導學生深入體驗科學實驗的流程，并通過有效的教學策略提升學生的科學探究能力。

（二）教學目標、重難點與方法

本實驗的教學目標主要包括三個方面：首先是幫助學生深入理解植物細胞吸水與失水的生物學機制，同時培養他們關于生命結構與功能相適應的科學觀念；其次是提升學生的科學探究能力和科學思維水平；最后通過實驗活動解決實際生物學問題，提高學生的實際操作能力和問題解決能力。在教學中，重點是引導學生掌握實驗探究的基本過程和注意事項，并深入理解植物細胞的水分調節原理。教學的難點則集中在如何有效地組織和實施實驗探究活動。為了實現這些目標，教學方法包括講授法、探究法、小組討論和自主學習。學生將通過課前導學案的預習、課上的小組合作探究以及課后的實驗報告編寫來加強知識的理解和應用。教師需在實驗開始前做好充分的教學準備，并確保學生對實驗內容有預先的了解和準備。

（三）實驗過程

1.情境導入

教師活動：以涼拌蘿卜為例，引導學生觀察并思考加鹽后蘿卜失水萎蔫，再放入清水后恢復堅挺的現象。提問學生這一現象背后的原因，并鼓勵學生聯想生活中的其他相關實例。

學生活動：學生根據已有知識，推測這是植物細胞的失水和吸水現象，并舉例腌制咸菜時蔬菜的萎縮、農田植物因施肥過多而“燒苗”等生活實例。

設計意圖：通過情境導入，利用生活中的常見現象激發學生的興趣，使學生從感性認識向理性認識轉變，激發學生的探究欲望。

2.實驗探究

（1）提出問題

教師活動：聯系生活中植物細胞吸水和失水的實例，如腌制咸菜時蔬菜的變化、給植物澆水后的飽滿狀態等，結合植物細胞的結構特點，引導學生提出問題。在此之前，需要回顧植物細胞的基本構造，特別是細胞壁、細胞膜、液泡等關鍵部分，并探討這些結構如何與吸水和失水現象相關聯。

學生活動：學生積極思考，并基于這些生活實例和細胞結構知識，提出了一系列問題。例如，有學生問：植物細胞和動物細胞在吸水和失水原理上是否相同？植物細胞為什么會吸水和失水？更有學生對細胞結構的理解提出疑問：“原生質層是否相當于一層半透膜？”

設計意圖：這一環節旨在鼓勵學生基于已有的知識經驗，自主提出問題，培養他們的科學探究能力和批判性思維。通過引導學生從生活中的實例出發，結合植物細胞的結構特點，讓他們自主構建問題，為后續的實驗設計和探究奠定基礎。

（2）提出假設

教師活動：組織學生進行小組討論，探討前面提出的問題中哪一個更具研究價值。通過引導學生討論和分析，我們將聚焦于“原生質層是否相當于一層半透膜”這一問題。在確定研究問題后，鼓勵學生根據已有知識和生活經驗，做出合理的假設——原生質層相當于一層半透膜。

學生活動：學生積極參與小組討論，思考并評估各個問題的研究價值。在教師的引導下，選定“原生質層是否相當于一層半透膜”作為本次實驗探究的核心問題。隨后，學生結合自己的知識和經驗，大膽地做出假設：原生質層的作用類似于一層半透膜。

設計意圖：這個環節旨在培養學生的科學探究能力和批判性思維。通過讓學生自主選擇研究問題并做出假設，可以激發他們的探究欲望，提高他們的思維活躍度。同時，在推翻或驗證自己猜想的過程中，學生的批判性思維也會得到鍛煉和提升。

（3）設計實驗

教師活動：教師首先提出一個關鍵問題：“如果我們的假設是正確的，那么植物細胞分別被放入不同濃度的溶液中，可能會出現哪些情況呢？”這個問題旨在引導學生思考細胞在不同溶液濃度下的反應。接著，教師展示了幾種試劑：0.3g/ml的蔗糖溶液、葡萄糖溶液、清水、硝酸鉀溶液和尿素，并詢問學生哪些可以作為實驗試劑。教師引導學生通過演繹和推理的方法，考慮到多種可能的實驗情況，設計出完善的實驗方案。在討論實驗材料時，教師展示紫色洋蔥鱗片葉外表皮、紫色洋蔥鱗片葉內表皮、洋蔥根尖和金魚藻等材料，讓學生選擇最適合的實驗材料并說明理由。最后，教師引導學生確定實驗的觀察工具和觀察次數，明確實驗中的自變量和因變量，以及實驗中的對照組設置。

學生活動：學生積極參與討論，根據之前的假設和所學知識，推斷出細胞在不同濃度溶液中的變化。提出三種可能的情況：細胞失水、水分子進出平衡和細胞吸水。在選擇實驗試劑時，學生通過討論和查閱資料，認為可以選擇0.3g/ml的蔗糖溶液和清水作為實驗試劑，但對于其他幾種溶液的不確定性表示了疑慮。在選擇實驗材料時，大部分學生傾向于選擇紫色洋蔥鱗片葉外表皮，因為它具有紫色的大液泡，便于觀察。也有部分學生認為金魚藻也是一個不錯的選擇，因為它的綠色大液泡也能產生明顯的實驗現象。學生確定使用顯微鏡作為觀察工具，并計劃觀察三次：正常細胞、失水細胞和吸水復原細胞。他們明確了實驗中的自變量和因變量，并設計了合理的對照組。

設計意圖：這個環節旨在培養學生的科學探究能力和創造性思維。通過引導學生自主設計實驗方案，讓他們深入理解科學探究的過程和方法。同時，通過討論和選擇實驗試劑和材料，鍛煉學生的批判性思維和歸納概括能力。最終，通過制訂和完善實驗方案，培養學生的創造性思維和解決問題的能力。

（4）進行實驗，記錄結果

教師活動：教師將學生分為兩人一組，并詳細講解實驗步驟和注意事項，強調實驗過程中的安全規范。隨后，教師要求學生以小組為單位進行探究實驗，觀察植物細胞在不同溶液中的反應，并在10分鐘內完成臨時裝片的制作與觀察。在實驗過程中，教師進行巡視，及時解答學生在實驗中遇到的問題，確保實驗順利進行。

學生活動：學生按照分組進行實驗，互相協作，共同完成臨時裝片的制作與觀察任務。他們仔細觀察細胞在不同溶液中的變化，并及時記錄實驗數據和現象。在實驗過程中，學生嚴格遵守實驗規范，確保實驗結果的準確性。實驗結束后，學生整理實驗數據，完成相關實驗報告。

設計意圖：本環節的主要目的是培養學生的實際操作能力與團隊協作精神。通過組織學生進行分組實驗，不僅鼓勵他們相互學習和支持，還能共同解決實驗中的問題，完成共同的實驗任務。實驗過程中，學生需親自操作、仔細觀察并記錄相關數據，這樣的活動有助于培養他們的科學素質和實驗態度。同時，教師在實驗中的巡視和指導將使學生能夠及時獲得必要的幫助和反饋，進一步培養他們的實驗技巧和解決問題的能力。

（5）分析現象，得出結論

教師活動：在本環節中，教師將隨機選取兩個小組前來向全班展示其實驗現象和分享實驗結果。通過指導學生觀察和分析實驗數據，教師幫助他們驗證實驗假設的準確性，并協助學生一起總結實驗結論。特別強調學生需要注意觀察液泡的大小變化、原生質層位置的變化以及細胞液顏色的變化，通過這些觀察點，學生可以更深入地理解原生質層的功能。這種教學活動不僅深化學生對實驗內容的理解，也促進了批判性思維和科學分析能力的發展。

學生活動：在本環節中，學生積極參與到實驗結果的分享與討論中。通過對實驗現象的仔細觀察和數據記錄，學生進一步分析了這些數據與原生質層功能的關聯。他們觀察到，在0.3g/ml的蔗糖溶液中，洋蔥鱗片葉外表皮細胞和金魚藻細胞均出現了質壁分離現象；此外，當將發生質壁分離的洋蔥鱗片葉外表皮細胞移至清水中后，觀察到了質壁分離的復原。這些實驗觀察結果有效支持了他們的假設，即原生質層具有半透膜的功能。這一活動不僅加深了學生對生物學概念的理解，也鍛煉了他們的觀察和分析能力。

設計意圖：這個環節旨在培養學生的分析能力和批判性思維。通過分析實驗現象和數據，學生不僅驗證了之前的假設，還學會了如何從實驗中提取關鍵信息，并通過歸納概括得出結論。此外，通過使用不同的實驗材料進行探究，學生發現不同植物細胞發生質壁分離和質壁分離復原的時間、條件是有所區別的，這有助于培養他們的批判性思維和科學探究能力。

3.拓展應用

教師活動：在本教學環節中，教師引導學生通過探究葡萄糖溶液、硝酸鉀溶液和尿素等溶質是否能誘導植物細胞的質壁分離與復原現象，學生設計實驗以測定細胞液的濃度。教師在實驗過程中不僅要指導學生正確觀察實驗現象和精確記錄數據，還要鼓勵學生主動分析和解釋所得實驗結果。通過這種教學方法，學生能夠更深刻地理解細胞生理過程，同時提升他們的科學探究能力和實驗設計技巧。

學生活動：學生積極參與實驗，利用不同溶液進行探究，并仔細觀察實驗現象。他們通過預實驗確定蔗糖濃度范圍，再精確設計實驗方案來測定花朵細胞液濃度。學生在實驗中不僅鍛煉了操作能力，還加深了對質壁分離原理的理解。此外，教師還可以設計多種拓展實驗，例如，花卉種植。花卉在缺水時，細胞內水分減少，導致細胞失水，表現為葉片萎蔫。適時地澆水可以使植物細胞重新吸水，恢復細胞壓力，使葉片重新挺拔。農作物灌溉：在盆栽中種植作物，當缺水會導致作物細胞失水，影響光合作用和營養物質的運輸，減少產量。適量灌溉可以保證作物的正常生長發育，避免細胞過度失水。蘿卜干制作：晾曬使蘿卜失去水分，細胞因失水而收縮，而將蘿卜干放入水中，又逐漸恢復堅挺。

設計意圖：通過拓展實驗，讓學生更深刻地理解植物細胞質壁分離的原理，并培養他們的實驗操作和數據分析能力。同時，通過自主探究和設計實驗，逐漸提升學生的創造性思維和科學素養。

結束語

教學設計是教師教學思路的體現，也是教師教學經驗、教學理念的反映。科學思維是高中學生必須培養的核心素養之一，對學生長期發展意義重大。高中生物實驗教學作為培養學生科學思維的有效途徑，必須重視實驗教學的設計與實施，將科學思維培養融入其中，潛移默化地培養學生的科學思維。

參考文獻

[1]謝丹紅.淺談高中生物教學中如何培養學生的科學思維：以“遺傳因子的發現”為例[J].試題與研究，2024（2）：60-62.

[2]陳梁興.深度學習視域下高中生物科學思維的培養策略[J].學苑教育，2024（2）：85-87.