高中生物實驗教學中培養學生科學素養的路徑分析

生物學是以實驗為基礎的自然科學，生物學的發展離不開實驗的觀察和驗證。對高中生物學科教學而言，實驗教學法將完整的生物學知識推導過程展現在學生面前，對學生深入理解生物學知識起到了積極的促進作用。科學素養是科學知識、科學技能、科學方法、科學思維品質、科學精神、情感態度和價值觀念的集合，在高中生物實驗教學中培養學生的科學素養，有助于學生科學研究能力和科學思維能力的形成。基于此，文章闡述了實驗教學法對學生科學素養發展的促進作用，堅持以學生為主體原則開展生物實驗活動，以期為新型高中生物實驗教學模式的構建提供一定的參考。

一、實驗教學法對學生科學素養的促進作用

（一）開展實驗活動，鞏固生物學知識記憶印象

生物學是一門實踐性較強的學科，生物實驗的應用讓學生有機會重新體驗生物學知識的推導過程，或是借助驗證性實驗證明自身猜想，無論是哪種類型的實驗，都能加深學生對生物科學原理的領悟，并鞏固他們所學的理論知識。

（二）參與實驗活動，掌握科學方法

生物實驗具有精密性，實驗過程中任何一環出現問題都會影響實驗結果，因此在高中教學中引入實驗教學法，讓學生親身參與實驗活動，根據需求自行設計實驗方案，能夠提升學生的實驗技能和科學素養。

（三）觀察實驗活動，培養觀察和歸納能力

在生物實驗教學中，學生不可避免地會接觸各類實驗觀察案例，有序梳理實驗流程、總結實驗結果是保證實驗教學有效性的關鍵。學生在生物實驗活動中自行學習觀察方法，從實驗案例中分析設計思路，從實驗結果中推導生物概念，能有效促進觀察能力和歸納總結能力的發展。

（四）自主操作實驗，培養思維能力

實驗的最終目的是驗證猜想，這要求學生在親自動手開展實驗活動時不能只進行觀察，更要思考“為什么”“如何做”的問題，運用高階思維活動分析實驗操作中的表面現象，深入理解實驗原理，從而提高思維能力。

（五）優化實驗設計，培養創新能力

創新能力是科學素養的重要組成部分，也是保證生物科學持續發展的關鍵。教師利用實驗教學法開展生物教學活動，要求學生自行設計實驗方案驗證猜想，學生結合設計原理、實驗方案、實驗步驟、結果分析等多個要素共同思考，根據需求創新實驗方案，在實踐中提升創新能力。

（六）克服實驗困難，培養科學態度和挑戰精神

在實驗中，學生不可避免地會遇到一些困難，必須利用以往所學知識來解決，在不斷嘗試變換思路、解決困難的過程中培養挑戰精神，謹慎運用實驗活動驗證科學成果，保證實驗結論的嚴謹性，形成嚴謹求實的科學態度。

（七）實驗聯系生活，深入理解科技與社會發展關系

將實驗融入高中生物教學，有利于學生親身體驗實驗結果對現實生活的指導作用，感受科學技術對社會發展的影響，從而認識到科學、技術、社會三者之間相互聯系、相互促進的關系，增強學生參與生物學習的內在動力，助力學生成長。

二、高中生物實驗教學培養學生科學素養的策略

（一）鼓勵學生自主設計實驗，掌握科學的研究方法

知識的學習過程可以分為接觸、理解、運用三個階段，學生對知識的理解越深入，教學質量便越能得到保障。生物概念和規律的形成是一個漸進的過程，作為教師，不僅要讓學生掌握生物概念或規律的運用方法，還要讓學生理解推動生物概念或規律形成的思路，使學生形成自主獲取生物概念或規律的能力。為此，教師應改變實驗教學方法，引導學生根據探究目的自主設計實驗，運用實驗獲取知識、探索未知，在實驗中推導生物概念，了解生物概念的形成過程，并通過對探究過程的歸納和總結了解科學研究方法，為今后利用實驗活動探索未知、驗證猜想奠定堅實的基礎。

以人教版高一生物必修1第五章第四節《探究環境因素對光合作用強度的影響》為例，該實驗活動的目的是讓學生深入理解光合作用的原理，掌握科學的研究方法，培養學生的科學素養。教師結合實驗活動說明科學實驗中涉及的各類方法，如利用不同功率的燈光來設置光照強度，以探究光照強度對光合作用的影響，運用的就是控制變量法；使用光合測定儀測量不同條件下植物光合作用速率則運用到了測量法，梳理常見的各類科學研究方法，有利于為后續教學做好準備。

結合實驗目的，教師引導學生自主選擇實驗器材、設計實驗流程。學生選擇LED燈、白熾燈和實驗架等作為實驗器材，教師立足實驗研究方法的合理性進行提問：“大家指出光照是影響光合作用強度的重要因素，在實驗中應當運用怎樣的方式驗證光照對光合作用強度的影響呢？”學生在教師的引導下展開討論，有的提出應當運用控制變量法設計兩組實驗，一組提供光照，另一組減少光照，觀察植物的生長速度，了解光照因素對光合作用的影響。其他學生提出不同的觀點，認為光照并非一個可控變量，光照帶來的不僅有光，還有熱量，因此控制變量法并不適用于這一實驗，并由此提出應用比較法。學生在討論中分析實驗適用的科學研究方法，深化對科學研究方法的了解。

（二）自主分析實驗問題，培養嚴謹的科學態度

隨著教育改革的深入落實，很多教師逐漸認識到構建以學生為主體的探究型課堂對學生綜合素養發展的促進作用。為此，在運用實驗教學法開展高中生物教學的過程中，教師可以讓學生作為主體參與實驗活動，保證實驗教學的有效性。嚴謹的科學態度能夠保證實驗理念、實驗方法、實驗結果的有效性，也是科學素養的重要組成部分。為了培養學生嚴謹的科學態度，教師將失敗的生物實驗經歷作為教學資源引入課堂，讓學生尋找實驗設計、實驗方法、實驗細節中存在的問題，分析失敗的原因，從而認識到保持嚴謹的科學態度是實驗成功的必要條件，為學生嚴謹科學態度的形成夯實基礎。

以人教版高二生物選擇性必修1第五章《植物生長素》為例，首先，教師提出問題：“為了確定生長素類似物促進扦插枝條生根的適宜濃度，操作者改變了生長素類似物的濃度，并將這些不同濃度的溶液分別倒在三根扦插枝條上，同時設立了使用蒸餾水處理的對照組，結果顯示，三根扦插枝條生根情況并未出現明顯差異。那么這個實驗是成功還是失敗了，原因何在？”學生經過分析，一致判定實驗失敗。其次，教師將學生分為多個小組，以小組為單位分析實驗失敗的原因。學生相互討論，指出實驗失敗與操作者未能掌握生長素促進植物生長的相關條件有關，即生長素僅在一定的濃度范圍內才能有效促進扦插枝條生根。因此，雖然設計了兩組不同濃度的實驗，但這兩組濃度可能都未能涵蓋最佳生根濃度，導致實驗結果無法明確顯示出最佳濃度。此外，學生們還指出，實驗中扦插枝條的處理方式也可能對實驗結果產生了影響。最后，教師引導學生思考問題的處理方法，學生經討論提出“調整實驗設計，按照濃度梯度設計實驗”和“修剪扦插枝條葉片，保持扦插環境濕度”等優化措施，從而認識到重視實驗細節對保證實驗成功的重要性，有利于形成嚴謹的科學態度。

（三）重點關注實驗錯誤，提高科學技能

科學方法和科學技能是科學素養的重要組成部分，由實驗技能、實驗方法等多個部分共同組成。傳統實驗教學方法以觀察性實驗為主，學生容易走入“輕實驗技能，重實驗設計”的誤區。為了提高學生的實驗水平，教師應以學生為主體設計實驗活動，要求學生自主完成實驗操作，驗證所學知識，同時密切觀察學生的實驗操作過程，并用電子設備記錄各小組的實驗流程，從失敗的實驗結果入手，引導學生回顧實驗流程，反思實驗中出現的錯誤，從而讓學生認識到掌握實驗技能的必要性，并自發地練習實驗技能，為今后的實驗活動做好準備。

以人教版高一生物必修1第一章第二節《使用高倍顯微鏡觀察幾種細胞》為例，實驗要求學生使用高倍顯微鏡觀察裝片上的細胞，分析動物和植物細胞的不同點，實驗所需材料種類較少，實驗過程較為簡單，結果直觀，可以作為培養學生實驗技能的素材。首先，教師將學生分成多個小組，以小組為單位進行實驗，并在各小組的實驗臺旁放置錄像設備，錄制學生的實驗過程。實驗活動共分兩個部分進行，第一部分為洋蔥表皮細胞觀察，第二部分為口腔上皮細胞觀察。教師按照順序組織實驗，引導各小組發現問題，如有的學生發現顯微鏡視野中未出現目標，于是小組內部調查實驗錯誤原因，認識到必須先用低倍鏡確定物象，再用高倍鏡詳細觀察，從而明確顯微鏡操作流程。有的學生指出觀察效果不佳，教師回顧影像資料發現，該小組在實驗中未提前擦拭載玻片和蓋玻片，從顯微鏡圖像來看存在較多氣泡，證明學生操作蓋玻片的動作也存在問題。教師指出問題所在后，學生自行探索處理方案，清理蓋玻片和載玻片后重復實驗步驟，調整操作蓋玻片的細節，保證觀察結果的同時，在糾錯中深化了對顯微鏡操作要點的記憶，提升了科學技能。

（四）問題引入觀察實驗，培養觀察分析能力

傳統高中生物實驗教學以觀察性的實驗教學為主，學生觀察實驗，了解實驗原理和生物概念，但是在實踐中，學生的參與度較低，導致實驗活動質量難以得到保證。為了踐行科學素養培養目標，教師改進觀察性實驗活動設計，引入問題導學法，在觀察實驗中適度留白，引導學生分析實驗原理以及實驗結果背后的含義，充分參與到生物實驗中。為了保證活動的有效性，教師在問題的設計上應擺脫傳統的“是不是”“對不對”等是否性的問題，引導學生結合已有知識分析實驗，思考實驗結果所反映的事物之間的聯系。適時提問有利于學生有目的地觀察實驗，讓思維活動在實驗中發生，促進學生觀察分析能力的發展。

以人教版高一生物必修2第六章第三節《探究抗生素對細菌的選擇作用》為例，為了培養學生的觀察分析能力，教師首先闡述實驗原理：“大家了解一定濃度的抗生素能夠殺滅細菌，那么從進化論視角來看，存活下來的細菌是否可能因此獲得耐藥性，進而使得抗生素失效呢？”接著，教師演示實驗步驟，并適時提問：“為何需要將培養皿置于恒溫箱中培養一段時間？如果不這樣做，可能會產生什么后果？”學生依據所學知識解釋，培養皿的恒溫培養是為了觀察細菌的生長繁殖狀況。隨后，教師利用多媒體技術展示實驗結果，并繼續引導學生思考：“培養皿中紙片周邊所發生的變化，你認為代表了什么？”學生結合實驗流程解析實驗結果，推測紙片變黑是細菌死亡的表現，而“圈”作為實驗結果中的關鍵觀測點，具體指的是在培養皿上紙片周圍由于抗生素的作用而形成的抑菌圈。圈的大小直接反映了抗生素的效果：圈越大，表明抗生素的效力越強；圈越小，則抗生素的效力越弱。最后，教師深入提問：“我們如何驗證自己的推斷呢？”學生提出通過觀察實驗中圈內外細菌數量的對比來驗證推斷的正確性，即如果圈內細菌數量遠低于圈外，甚至完全無菌，則實驗結果正確；反之，則說明實驗結果可能存在問題。在這一問一答的過程中，學生不僅加深了對“自然選擇決定生物進化方向”的理解，還顯著提升了觀察能力與分析能力。

（五）生活元素融入實驗，提升科學探究能力

生物學科與實際生活息息相關，為了培養學生的科學素養，促使學生積極主動地投入科學探究之中，教師應立足現實生活開展實驗教學活動，創設生活情境，利用實驗結果指導現實生活，以此讓學生認識到生物實驗與現實生活之間的內在聯系。學生親身參與實驗，積極主動地按照教師的要求完成既定的實驗目標，為科學探究素養的培養提供有力支持。

以人教版高一生物必修1第五章第三節《探究酵母菌細胞呼吸的方式》為例，酵母菌普遍應用于制作發酵類面食和釀酒過程中，與現實生活有著緊密聯系，為此，教師聯系現實生活創設教學情境：“同學們，釀酒過程中會產生酒精，酒精的多少決定了酒的度數高低，而酒精的產生與酵母菌息息相關，我們能否在不經蒸餾的情況下釀出酒精度數足夠高的酒呢？”利用生活化情境激發學生的探究欲望，讓學生自主投入“探究酵母菌細胞呼吸方式”的實驗過程中。學生觀察酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸的產物，發現酵母菌有氧呼吸時會生成二氧化碳和水，無氧呼吸時會生成酒精和二氧化碳，并根據實驗結果制作米酒，在制作過程中盡可能密封，創造無氧呼吸的條件，但是所制米酒的酒精度數未能達到預期目標。學生自發進行實驗，探究酒精度數未能按照預期上升的原因，在不斷的探究過程中分析問題、驗證猜想，從而獲得全面成長。

三、結語

綜上所述，在高中生物實驗教學中培養學生的科學素養，要求教師認識到實驗教學法的重要性，將學生從傳統的課堂模式下解放出來，以學生為主體重構生物實驗教學框架，讓學生親身參與實驗活動，在自主設計實驗、優化實驗、找出問題、用實驗成果指導現實生活的過程中吸收知識、掌握技能、提升觀察分析能力，形成嚴謹的科學態度，從而獲得科學素養的提升。