基于生物學探究性實驗發展學生的學科核心素養

摘 要：本文通過設計探究性實驗，高度關注學生在學習過程中的實踐經歷，引導學生在動手、動腦、討論、交流、反思和總結過程中構建生物學概念，培養學生的創新精神和實踐能力，進而落實生物學學科核心素養。

關鍵詞：探究性實驗；科學探究；科學思維；學科核心素養

文章編號：1003-7586（2024）08-0042-02 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

探究性實驗是指實驗者在不知道實驗結果的前提下，通過實驗、探索、分析、研究等流程逐步得出結論，從而形成科學概念的一種認知活動。教師在生物學學科的探究性實驗教學中，通常以實驗為載體，闡明科學家的思維方法、科學態度及其科學知識的形成過程，這對提高學生的動手實踐、實驗探究和創新思維等能力具有重要作用，進而逐步實現學生生物學學科核心素養的發展。

1 創設情境，激發科學探究熱情

創新通常起源于對現有理論或實踐的質疑。教師在教學過程中，通常會采用創設情境的方式設計教學環節，包括真實的生活情境、科學實驗情境、科學史情境等，讓學生能夠身臨其境地體會科學問題，從而激發學生自主探究的熱情。

例如，在探究植物細胞的吸水和失水的實驗教學中，教師讓學生在課前將切好的黃瓜、韭菜用食鹽攪拌，并在課堂中對比拌鹽前后植物的變化。學生能夠觀察到盤子里出現了多余的水，黃瓜片和韭菜開始皺縮。教師就此現象提出問題串：為什么盤子中會出現水？什么原因導致植物細胞失水？能否設計實驗證明觀點？以此引導學生發表自己的觀點，并著手設計實驗進行探究。

2 準備實驗材料，創設實驗探究條件

教師在探究性實驗教學中需要提供多種的實驗材料，為學生進行多樣化的實驗設計奠定基礎。［1］如何挑選最合適的實驗材料并最終達到實驗目的，是學生科學思維能力最直觀的體現。例如，在探究植物細胞吸水與失水的實驗中，教師提供的植物材料應包括紫色洋蔥鱗片的內外表皮、菠菜葉片、黑藻葉片等；提供的試劑應包括濃度分別為0.1g/mL、0.3g/mL、0.5g/mL的蔗糖溶液，質量分數分別為3%、5%的氯化鈉溶液，質量分數分別為3%、5%的硝酸鉀溶液、質量分數10%的鹽酸溶液，以及紅墨水和清水等。教學過程中，教師鼓勵學生根據實驗原理，嘗試使用不同的實驗材料及試劑探索植物細胞的吸水和失水現象，為進一步設計多元化的探究性實驗創設條件，同時為深化學生的科學探究能力奠定基礎。

3 注重過程教學，滲透科學探究思維方法

在生物學探究性實驗的教學中，教師需要鼓勵學生在觀察、思考、提問和提出假設的基礎上，設計并實施實驗方案，從而與傳統的驗證性實驗流程產生區別。例如，在探究植物細胞的吸水和失水實驗中，一組學生選擇了洋蔥外表皮和濃度分別為0.1 g/mL、0.3 g/mL、0.5 g/mL的蔗糖溶液，并設置一組滴加清水的對照組。該小組利用相同環境條件下細胞液濃度的一致性原理，采用四組并行的實驗方案，極大地節約了實驗時間。

另一個小組選擇了洋蔥的內表皮以及不同濃度的氯化鈉溶液作為實驗材料。實驗過程中學生將紅墨水滴入氯化鈉溶液，以便清楚地在顯微鏡下觀察到細胞的吸水或失水現象。不同小組在選用不同實驗材料的基礎上均能夠設計不同的實驗方案，充分體現了學生運用探究性思維和創新性思維解決實際問題的能力，滲透科學探究的思維方法。

4 創設交流氛圍，培養科學創新精神

在探究性實驗過程中，討論與交流對學生科學思維的培養具有重要意義。學生能夠在交流中，通過溝通、傾聽、反思、啟發等思維過程，發展自身的批判性思維能力。例如，在探究植物細胞的吸水和失水實驗中，小組成員做完實驗后積極分享實驗現象和結論，其中A組分享：植物細胞處于0.1 g/mL的蔗糖溶液中不發生質壁分離，處于0.3 g/mL、0.5 g/mL的蔗糖溶液中則會發生質壁分離，其中0.5 g/mL的蔗糖溶液使細胞質壁分離更快。學生在0.3 g/mL的蔗糖溶液中滴加清水后發現細胞可以復原，而在0.5 g/mL的蔗糖溶液中滴加清水細胞不能復原。說明植物細胞的原生質層相當于一層半透膜，細胞液與外界溶液存在濃度差是植物細胞發生滲透作用并產生吸水和失水現象的主要原因。B組分享：植物在3%的氯化鈉溶液中細胞質壁分離時間比在5%的氯化鈉溶液中所需時間更長，并且滴加清水后兩組細胞都不能復原。同時還觀察到原生質層和細胞壁之間顏色是紅色的，但細胞液仍然是無色的，說明細胞壁具有全透性，而原生質層具有選擇透過性。因此，分子較大的紅墨水可以穿過細胞壁，但無法穿過原生質層。在學生分享與討論的過程中，教師適時點評小組成員的實驗設計，對學生在實驗中對實驗方法的大膽創新及改進給予肯定，對積極提出問題的精神給予認同。針對學生無法獨立解決的問題，教師可以引導學生通過課后查閱資料進行再探究。分享交流過程中，學生能夠對自己的實驗內容進行總結反思，對其他小組的實驗現象和實驗問題進行分析，進而培養學生的科學創新精神。

5 設計高質量問題串，發展科學思維能力

探究性實驗通常以問題為引導進行，因此教師對探究問題的設置應該具有啟發性和挑戰性，使其能夠激發學生的探究欲望，同時問題的設置還要考慮到學生當前的認知水平和已有的生活經驗，讓學生能夠通過自身的努力解決。

例如，在探究植物細胞的吸水和失水實驗教學時，教師在實驗現象和結果分享結束后提出問題串：探究植物細胞吸水或失水實驗時，對材料的選擇有什么要求？選擇的溶液濃度過高或過低會怎么樣？將濃度為0.3 g/mL的蔗糖溶液換成碳酸鉀、甘油、尿素等小分子溶液，會發生什么現象？觀察并解釋質壁分離現象的時間為什么不宜過長？小組針對以上問題展開討論，分享討論結果，在問題的引領下明確深層次的實驗原理，有利于發展學生的探究性思維、批判性思維和創造性思維，進一步培養學生的科學思維能力。

6 自學活動與課堂相結合，培養學生創新思維

在高中階段由于課堂時間有限，教師不能充分開展探究性實驗，因此教師可以引導學生課前查閱實驗的相關資料。例如，教師在探究植物細胞吸水和失水的實驗過程中，提前布置學生小組查閱蔗糖溶液、碳酸鉀溶液、鹽酸溶液、氯化鈉溶液對不同植物材料的影響，為課堂正式開展節約了時間，增加了實驗順利進行的可行性，豐富了課堂情境，進而發展學生創造性思維，增強其創新思維能力。

7 知識遷移解決社會問題，培養學生社會責任意識

教師在教學過程中以生活情境為背景，引發學生一系列的探究性學習，將最終的落腳點聚焦于解決生活中的實際問題。例如，在探究植物細胞吸水和失水實驗的討論結束后，教師引導學生闡釋課前切好的黃瓜和韭菜用鹽攪拌之后，盤子里出現了多余水分的原因，將生物學知識應用在生活中，使用課堂知識解決實際問題，培養學生的社會責任意識。

8 注重課堂小結，深化生物學學科核心素養

課堂小結是課堂教學過程中容易被忽視的重要環節。課堂小結不僅能夠幫助學生厘清知識結構，還可以引導學生回顧研究方法，提升解決問題的能力。例如，教師在探究植物細胞吸水和失水的實驗過程中，引導學生以植物細胞發生滲透作用為主線，總結探究性實驗的一般研究思路，同時鼓勵學生在實驗操作過程中發現問題并設計改進。從而讓學生在學科知識上有所收獲，在科學探究實踐的過程中掌握思路和方法，提高學生對生物學實驗的探究熱情，進而發展學生的生物學學科核心素養。

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）［M］.北京：人民教育出版社，2020.