基于科學探究培養的高中生物學實驗教學研究

摘 要：文章以“探究互花米草的入侵機制”為例，立足生物學核心素養培養要求，應用科學進展創設情境，通過模擬答辯等角色扮演活動，引導學生進行科學探究，培養實驗設計、解讀數據和社會議題評估等能力，促進學生的全面發展。

關鍵詞：科學探究；情境；實驗教學；角色扮演；高中生物學

中圖分類號：G633.91"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1673-8918（2025）04-0096-04

一、 基于科學探究培養的生物學實驗教學模式構建

科學探究作為生物學學科核心素養的重要組成部分，是課堂教學及考試評價的重點。科學探究是一種綜合的能力，包括觀察能力、提出問題的能力、制訂并實施方案的能力、獲取證據或數據的能力、表達和交流的能力等素養水平。

生物學實驗教學是培養學生科學探究的重要途徑。實驗教學作為生物學課程的特點，既可以是動手、觀察類的實驗活動，也可以是以問題解決為特點的探究活動。在全國各省市生物學試題中，實驗題的考查趨于綜合化，融合了農業生產、醫藥等不同領域的情境，要求學生設計可行的實驗方案，寫出預期實驗結果，或是根據圖表給出合理的實驗現象解釋，對學生的科學探究能力有更高的要求。而此類題型一直是學生學習的難點。通過研究調查，實驗課課時不足、內容局限于教材、教學模式單一和評價方式以紙筆測驗為主等問題的存在大大削弱了學生的學習積極性，無法充分落實科學探究的培養。基于此，文章在傳統教材實驗以及科學史實驗的基礎上，結合科學前沿進展，整合情境資料，創設一個操作性高的探究性實驗教學模式（圖1），希望對學生以及一線生物學教師的教學工作提供一些幫助。

圖1 基于科學探究培養的生物學實驗教學模式

二、 基于科學探究培養的生物學實驗教學案例

（一）創設情境 引入課題

組織學生觀看2023年國際生物多樣性日宣傳視頻，了解“從協議到協力：復原生物多樣性”等內容，引導學生思考生物多樣性喪失的原因，創設生物入侵情境。

資料1：崇明東灘是世界著名的河口灘涂濕地。由于受到淹水以及鹽度脅迫等的影響，生長于東灘的植物主要有兩種，分別是蘆葦和海三棱藨草。然而，為了快速促淤，獲取更多的土地資源，相關部門在沒有進行有效安全評估的情況下，將互花米草大面積種植在東灘。互花米草的分布面積擴張很快。它的入侵使海三棱藨草面積迅速減小，也給蘆葦造成了一定的影響。

學生結合資料提出如下疑問：互花米草快速入侵崇明東灘的原因？如何治理互花米草？

設計意圖：大膽啟用科學情境，激發學生的學習興趣，訓練學生觀察和獲取信息的能力，促進學生積極地參與新知學習。

（二）基于問題 作出假設

學生進行小組合作討論后，提出互花米草的入侵機制，如圖2所示。

圖2 互花米草入侵機制（改自鄧自發）

設計意圖：立足學生的“最近發展區”，搭好問題“支架”，幫助學生在原有知識水平上進行提高。

（三）小組合作 設計實驗

教師展示趙廣琦等人的《蘆葦與入侵植物互花米草的光合特性比較》研究成果，引導學生分析實驗的自變量、因變量、因變量檢測指標、因變量檢測方法和無關變量。

學生進行交流討論，回答問題：①自變量：植物的種類；②因變量：光合特性；③因變量檢測指標：凈光合速率、光補償點、光飽和點和胞間二氧化碳濃度等；④高中階段常用檢測方法：利用傳感器或液滴移動法檢測二氧化碳的消耗速率、氧氣的釋放速率和半葉法檢測有機物的產生量等；研究人員常用檢測方法：便攜式光合作用測定儀等；⑤無關變量：溫度、幼苗長勢和測定部位等。

考慮到高中階段實際學情，教師對實驗目的進行簡化設計——探究互花米草與蘆葦的凈光合速率日變化進程（實驗1），并要求學生在學習任務單上書寫實驗思路。在教學過程中，教師引導學生鞏固實驗思路的書寫原則，如取材分組、實驗組和對照組的處理和因變量檢測等。最后，教師利用希沃展臺，展示高質量的以及具有代表性錯誤的實驗思路，與學生一起分析、評價（表1）。

教師展示實驗2：鹽度是沿海地區最為普遍的環境脅迫因子，對植物的存活、生長和分布都有重要影響。海三棱藨草和互花米草對不同鹽分的適應差異，導致二者不同的分布格局。學生以海三棱藨草和互花米草幼苗為例，設計實驗驗證以上入侵機制，寫出實驗思路（表1）。

設計意圖：將課堂還給學生，讓其獨立在新情境中進行實驗思路的設計，訓練學生獲取信息、表達交流的能力。在遷移訓練中，持續加深學生對實驗思路書寫流程的理解和掌握，培養科學思維，提高實驗設計能力。

（四）實施實驗 構建模型

根據上述兩個實驗思路，學生嘗試設計表格記錄“互花米草與蘆葦的凈光合速率日變化進程”和“不同鹽度對互花米草和海三棱藨草幼苗的株均生物量和株高的影響”兩個實驗的原始數據（表2、表3）。

教師展示科研人員對原始數據處理后獲得的數學模型：

設計意圖：設計實驗數據記錄表是高中階段比較常見的考查形式。學生在設計和繪制表格的過程中，分析、綜合和概括的思維能力得到提升，獲取和分析數據的能力得以發展。同時，學生結合已有的科研成果，理解構建數學模型對表征數據變化的重要性。

（五）角色扮演 數據分析

教師介紹答辯委員會組成和答辯流程，將學生分為A、B兩組，A組分析圖3，B組分析圖4。每組派1名學生上臺進行匯報，報告內容包括：描述實驗數據、解釋實驗現象和得出實驗結論。匯報結束之后，由另外一組的答辯委員會對該組匯報結果進行提問，如實驗數據的描述是否正確、實驗結果和實驗結論的表述是否嚴謹等，并完成“模擬答辯”評價量表（表4）。

A組學生分析圖3后發現，蘆葦在9：59—15：10 的凈光合速率明顯小于互花米草。互花米草的凈光合速率從早上開始逐漸增加，在中午時達到高峰，之后開始緩慢下降，而蘆葦表現出明顯的“午休”現象。由此可見，互花米草具有較高的光能利用率，能迅速積累生物量，更容易在競爭中勝出。活動中，B組“答辯委員會”成員提出疑問：為什么蘆葦的凈光合速率明顯小于互花米草？該問題超出A組學生的知識范圍，教師進行資料補充：蘆葦和海三棱藨草均為C3植物，而互花米草是一種C4植物。一般來說，C4植物的光合速率、光飽和點和光補償點都比C3植物高。

B組學生結合圖4發現，海三棱藨草在0和 0.4%鹽度下生長良好，3.2%鹽度下死亡，而互花米草在4種鹽度下都能正常生長，株生物量以及株高在3.2%鹽度下顯著降低。該結果表明，互花米草能適應更廣范圍的土壤鹽度，有利于其迅速入侵崇明東灘。

優點：

需改進之處：

設計意圖：新課程改革要求評價方式要客觀化和多元化，要改變以往書面測試為主的單一測評方式。角色扮演活動訓練了學生表達與交流的能力，在評價學生對實驗掌握情況的同時，又能幫助學生體驗科研工作情景，學會合理地評價他人實驗成果，促進對科研領域的認知。

（六）總結評價 拓展延伸

教師提出問題：通過對上述2個實驗結果的分析，能否提出一個新的研究課題？

學生踴躍發言，例如探究互花米草入侵對崇明東灘鳥類多樣性的影響、探究淹水對互花米草和海三棱藨草幼苗的影響、探究崇明東灘互花米草的天敵分布情況和探究互花米草的繁殖能力等。

資料2：上海崇明東灘鳥類國家級自然保護區互花米草生態控制與鳥類棲息地優化工程案例：工程于2013年9月正式開工，投資總額達11億元，工程主體于2017年年底完工。目前，在東灘保護區范圍內，鳥類物種數和種群數量顯著增加，互花米草入侵態勢得到了根本性扭轉，土著植被群落重建的效果明顯。2017年11月，在第三屆國際生物入侵大會上，本工程的相關成果作為全球入侵物種防控工作中中國的國家性行動方案代表成果之一，在大會主展區進行重點推薦。

提出問題：為防止互花米草的過度入侵，應采取哪些方法加以處理防治？

學生結合實驗結果，提出自己的主張，如拔除、火燒、噴灑農藥和釋放天敵等。

設計意圖：與2023年國際生物多樣性日主題相呼應，要將協議轉化為恢復生物多樣性的實際行動中來。多則情境性資料層層深入，逐步進行STS教育，幫助學生解決實際生產生活中遇到的生物學問題，學會提出具備探究價值的研究課題，提升社會責任感。

三、 思考與建議

文章研究針對當前高中生物學實驗教學中的薄弱環節，創設主線化情境，挖掘和整合科研進展中培養學生科學探究的素材，設計角色扮演等學生活動，讓學生成為課堂的主體，促進觀察、實驗設計和分析數據等能力的提高。在模擬答辯環節，發現部分同學能根據數學模型提出超出高中知識范圍的問題。這對教師的知識水平和教學機制提出了較高的要求，需要教師不斷精進業務能力，保持終身學習。

參考文獻：

［1］吳成軍.基于生物學核心素養的高考命題研究［J］.中國考試，2016（10）：25-31.

［2］陳中義.互花米草入侵國際重要濕地崇明東灘的生態后果［D］.上海：復旦大學，2004.

［3］鄧自發，安樹青，智穎飆，等.外來種互花米草入侵模式與爆發機制［J］.生態學報，2006（8）：2678-2686.

［4］趙廣琦，張利權，梁霞.蘆葦與入侵植物互花米草的光合特性比較［J］.生態學報，2005（7）：1604-1611.

［5］陳中義，李博，陳家寬.長江口崇明東灘土壤鹽度和潮間帶高程對外來種互花米草生長的影響［J］.長江大學學報（自科版），2005（2）：6-9，103-104.

［6］李博，馬志軍，吳紀華，等.植物入侵生態學：互花米草案例研究［M］.北京：高等教育出版社，2022：230-233.