基于發展科學過程技能的高中生物學實驗單元教學實踐

摘" "要：文章探討了高中生物學教學中科學過程技能培養的重要性，并提出了以單元教學理念設計的實驗課程來促進科學過程技能培養的方法。以“酵母菌的培養及觀察種群數量的變化”為例，通過將教材中相關實驗教學內容包括實驗室無菌技術、酵母菌純化培養、酵母菌計數、培養液中酵母菌生長曲線繪制等技術原理與實踐操作有機融合，有助于學生自主建構重要概念、培養科學思維、掌握科學過程技能。

關鍵詞：高中生物；科學過程技能；單元教學；實驗課程

科學過程技能是高中生物學課程的重要目標，《普通高中生物學課程標準（2017年版2022年修訂）》提出的課程理念之一是教學過程重實踐[ 1 ]。強調引導學生在自主探索過程中不斷認識自然界，構建科學概念，同時掌握基本的科學研究方法和技能，這些技能被稱為“科學過程技能”[ 2 ]。

1" 高中生物學教學中需要重視科學過程技能的培養

科學過程技能是科學教育的重要內容。高中生物學實驗中蘊含著許多技能方法，如基本技能（觀察、推理、測量、交流、分類和預測）和綜合技能（控制變量、形成假設、解釋數據、進行實驗和構建模型），這些技能不僅對于生物學學習至關重要，對于學生未來的科學研究和職業發展也有很大的幫助[ 1 ]。培養學生的科學過程技能也是是高中生物學教學的重要任務之一。通過培養學生的觀察、實驗、推理和分析能力，可以幫助學生更好地理解生物學知識，掌握科學方法和技術，發展科學思維和創新能力。

第一，高中生物學教學需要重視培養學生的觀察和實驗的能力。觀察是科學研究的起點，也是科學探究的基本方法之一。在生物學教學中，教師需要引導學生通過觀察生物的形態、結構和功能，發現生物學現象，提出問題，進一步開展科學探究。實驗是生物學教學的重要手段之一，實驗可以幫助學生理解生物學現象的原理和規律，掌握科學方法和科學技術。教師還需要指導學生進行實驗設計、操作、數據記錄和分析等環節，提高學生的整體實驗能力。

第二，高中生物學教學需要重視培養學生的推理、分析能力。推理是科學探究的基本方法之一，也是科學過程技能的重要組成部分。在生物學教學中，教師需要引導學生通過歸納、演繹、類比等方法進行推理，幫助學生理解生物學原理和規律，發現新的科學問題；需要引導學生通過分析實驗數據、圖表等形式呈現的信息，得出科學結論，發展學生的分析能力。

因此，教師在生物學教學中需要重視學生的科學過程技能的培養，為學生未來的發展奠定堅實的基礎。通過引導學生參與較為完整的科學實踐過程，有助于其更好地理解科學知識，自主建構重要概念，培養科學思維，掌握科學過程技能。

2" 單元教學在培養科學過程技能中的作用

2.1" 單元教學的特點

單元教學以一個中心主題為核心，將相關的內容、技能、概念整合在一起，有助于學生將不同模塊的內容聯系起來，形成更完整的認知圖景，并且有助于提高學生自主學習能力和發展解決問題的技能。在由“解題”到“解決問題”的新高考要求轉變形式下，應更加注重學生對概念的深度學習，提高對所學知識和方法靈活運用的能力及解決實際問題的能力。通過制定適當的單元主題，創設真實的“解決問題”的情境，激發學生求知的欲望，有助于發展其生物學的核心素養和關鍵能力。

2.2" 單元教學有助于培養科學過程技能

科學過程技能包括觀察、實驗、推理、分析和解釋數據等。單元教學強調課程內容結構化，通過將教學內容按照一定的邏輯結構進行組織，特別是實驗課程的整合，有助于學生在單元主題下開展一系列實驗[ 3 ]。這些活動需要他們運用多種科學過程技能來探究和解決問題，從而加深對概念和原理的理解，也有利于整體概念體系和實驗方法體系的構建。圍繞“酵母菌的培養及觀察種群數量的變化”開展實驗單元教學，將教材中相關的實驗教學內容進行整合，包含實驗室無菌技術、酵母菌或者細菌的數量計數、搜集相關數據進行分析整理并進行酵母菌生長曲線繪制等技術原理與實踐操作有機融合，有助于學生在整個科學實踐過程中自主建構科學概念、培養科學思維、掌握科學過程技能。

3" 基于發展科學過程技能的單元教學主題的確定

3.1" 從解決學生的認知難點出發

“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”是人教版教科書生物學選必2（2019版，以下同）第一章第2節的內容。學生在學習了種群數量的變化后的“探究.實踐”活動，已經理解了“取樣調查”的思想，學習了種群數量變化有增長、波動甚至下降，掌握了通過數學模型表現事物發展的規律。但筆者在教學實踐中發現學生理解這部分內容時出現了認知難點，主要原因是這部分內容需要學生從宏觀角度解釋生命現象。在這之前學習選必1時，要求學生對個體水平的生命現象的理解，內容較貼近生活，教師講解時可以舉許多生活的實例幫助學生理解，而本實驗的內容既是微觀的微生物的生命現象又是種群水平的宏觀現象，對學生的科學思維能力要求提高了不少。對于這部分內容創設真實的情境有一定難度，筆者認為可以通過對“酵母菌實驗”相關內容進行整合的基礎上開展一系列的實驗，讓學生邊動手邊思考，逐漸由對酵母菌個體水平的認識轉化為對群體水平現象的理解，在獲得真實體驗的同時理解概念，由感性認識上升到理性的科學思維，從而理解宏觀層次的生命系統。

3.2" 從教學內容的內在邏輯出發

實驗教學在高中的生物學教學中的地位舉足輕重，對培養學生的科學思維和科學探究素養十分重要，但教材中實驗內容往往分布于不同模塊不同章節中，雖然遵循了學生循序漸進的學習規律，但在具體實驗中學生往往需要完整的實驗相關知識和技能，才能更好地完成實驗和理解實驗中的規律。否則，學生在實驗中只能被動地跟隨教師講解的實驗步驟進行，無法發揮實驗課程真正的作用，更無法實現學生在實驗中發現真理、理解概念的作用。例如在探究酵母菌種群數量變化實驗中，學生往往會提出培養液中是否有其他菌體存在而影響計數的準確性，如何使酵母菌純化？而相關知識需要選必3模塊才接觸到。教師往往困于課時限制，無法對學生深入講解，不利于學生對實驗的整體理解，甚至這樣的知識“倒裝”會降低學生的積極性。如必修2模塊中“探究抗生素對細菌的選擇作用”，已經涉及微生物的培養和利用培養基中的特殊成分對微生物進行篩選，但學生此時還未接觸培養基的配制知識，容易產生疑問。到選必3模塊的相關探究實驗中，學生需重新花時間學習微生物的培養和通過選擇培養基對特定微生物的篩選，在知識上出現重復現象。而通過單元教學將教材內容按照學生的認知需求重新整合，符合學生的認知規律且避免不必要的重復，有助于學生完善概念體系的構建。

4" 單元任務的設定

布魯納的發現教學法認為：向學生傳授現成的知識不能成為教師的主要任務，而是要為學生的發現活動創造條件、提供支持。以往本實驗由教師準備材料、配制培養基、準備菌種、接種培養等，再由學生取樣計數，學生的活動簡單、機械，最終通過數據進行分析“種群數量的變化”的體驗感不強。筆者嘗試打破教材不同模塊的界限，將與本單元相關的內容加以整合，達到“用教材教”而非僅是“教教材”。因此，依據課標要求及發展學生核心素養的目標，制定本單元教學任務如表1所示。

通過設置單元任務，達到培養學生科學過程技能，為學生的探究活動創造條件、提供支持，讓學生在真實的情境中體驗科學過程、掌握科學技能、團結協作、充分表達與交流、獲得探索樂趣，以達到發展生命觀念、科學思維和科學探究能力的目標，同時也能提升學生的社會責任感。

5" 單元教學的實施

5.1" 課前準備

教師通過微課推送的形式，學生自主學習：①酵母菌的特點、代謝類型、出芽生殖和有性生殖等相關知識；②高壓蒸汽滅菌鍋和干熱滅菌箱的使用方法；③數碼顯微鏡的構造和使用方法，學生完成相關學習任務單提交，教師評價（表2）。由于實驗室容量有限，課前分小組，7-8人為一組，選出小組長，利用課余時間由各小組長共同進行酵母菌培養液的配制，由實驗教師為小組長示范高壓蒸汽滅菌鍋的使用方法與注意事項，學生邊操作邊討論、交流，共同完成培養液的配制和滅菌以及將要用到的器皿的干熱滅菌、培養液定容等。

5.2" 實施課程

[課時1] 學生以小組為單位共同設計實驗、寫出實驗思路、預期實驗結果，對實驗方案進行交流、相互評價。學生提出若按照教材中每日取樣計數的方法，不僅耗時長，而且容易造成雜菌污染，通過查閱資料和進一步討論，兩個教學班學生決定分別采取不同實驗方案：其中一個班采取1-7日每日由不同小組分工接種酵母菌于培養瓶后，放置恒溫培養箱中培養，以期能在同一時間對分別培養1-7日樣品的取樣、計數；另一個教學班采用與教材一致的方法做7組實驗，每日進行計數、分析，其中遇到周末時間則將酵母菌培養液放置4 ℃冰箱保存（經查閱資料，酵母菌在4 ℃時繁殖緩慢，幾乎不影響種群數量計數）。通過學生小組合作制定實驗方案，培養合作精神。

[課時2] 酵母菌的純化培養采取稀釋涂布平板法，學生利用課余時間到實驗室完成倒平板，課上學習涂布平板和無菌操作后，對已經活化的酵母菌進行稀釋涂布平板并做好標記。期間學習并實施對培養液中微生物的稀釋方法，學生依實驗方案進行實驗，在實驗中依據實際情況對實驗方案做出合理修正，培養了勇于克服困難、敢于質疑、鍥而不舍的科學精神。

學生利用課余時間對純化的酵母菌取樣接種到已配制好的培養液中，根據不同實驗設計采取不同接種方式。

[課時3] 教學班1采取集中對培養不同時間的培養液中酵母菌進行取樣、稀釋、計數，因采用數碼顯微鏡計數，效率較高，學生能自行設計統計表格，課后對數據進行整理、繪制生長曲線。教學班2采取小組接力計數法，每天由一個小組利用課余時間對酵母菌計數、記錄數據，期間要特別注意無菌操作，最后匯總數據、繪制生長曲線。學生經歷了完整的實驗過程，培養了科學過程技能，科學過程“藍圖”在學生腦海中更加清晰。

[課時4] 選取小組代表匯報整個實驗過程、呈現原始數據和建模結果，期間其他小組成員對該小組的實驗實施過程進行評價，通過討論交流和相互評價，提高了學生的辯證思維能力，同時發展了科學思維和科學探究的生物學核心素養。

6" 反思

在實驗課程教學設計過程中，教師需明確每個單元的教學目標，并精心策劃富有探索性的學習活動，這不僅讓學生親自動手實踐，觀察科學現象，還能培養他們分析和總結的能力，從而真正掌握科學過程技能。此外，教師也可利用小組討論、團隊合作等方式，激發學生的互動和合作精神，促進彼此間的交流與共同進步；充分利用現代科技工具，如數碼顯微鏡、在線數據庫等，幫助學生更深入地理解和掌握科學知識。在教學過程中，教師應時刻關注學生的反饋，根據反饋及時調整教學方法和策略，確保達到預期的教學效果，做到“備-教-學-評”一致性；在實驗課程教學中教師還應該鼓勵、發展學生的批判性思維，引導他們對科學現象和結論提出質疑，以促進深層次的學習和理解；通過設計有趣的教學活動和實驗，激發學生的科學興趣，使其更加主動地參與到科學學習中來。

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.

［2］ 王健，姚舒，周有祥，等.中學生物學科學過程技能的培養研究[M].南寧：廣西教育出版社，2021：25-26.

［3］ 崔允漷.指向學科核心素養的大單元設計[J].北京教育（普教版），2019（2）：11-15.