“三層進階”驅動生物學創新實驗深度培育科學探究素養

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）11-0067-04

科學探究是生物學學科核心素養之一，也是實施生物學教學的重要途徑。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）提到，“科學探究”是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力[115。在科學研究中，觀察現象和提出問題是基本前提，實驗設計和實施是核心環節，對實驗結果精確表達和交流是從事科研工作的關鍵能力。如何在實驗教學中真正落實這些技能的訓練，是培育科學探究素養亟待解決的問題。

培育科學探究素養的終極目標是培養“以知促行，知行合一”的人。在高中生物學實驗教學中，教師常以“講”實驗的方式培養學生的科學探究能力。實驗操作差之毫厘，實驗結果可能謬以千里，學生在實驗過程中動腦、動手、動筆缺一不可。因此，在實驗教學中應強化學生親身體驗、動手操作、探索求知和創新創造等過程。本研究以學習進階理論為基礎，采用“三層進階”實施生物學創新實驗教學，以期有效達成培養學生科學探究素養的目標。

一、從學習進階理論到“三層進階”創新實驗教學

（一）學習進階理論概述

2004年，美國科學學業成就評價委員會的研究報告中稱，學習進階是一系列連續的、更復雜的思考方式，這些思考方式在學生學習中被合理地相繼遵循著[2]。學習進階是一組水平層級（如圖1所示）：初始層級是學生根據經驗所具有的初始水平；最高層級是進階的終點，通常是《課程標準》對學生的學業要求。進階意味著學生從簡單認識到深度理解的發展，它不是一種自發的過程，需要教師精心設計教學活動，促進其發生。

筆者在觀摩實驗課堂時發現，生物學實驗教學存在著一些問題：首先，實驗內容往往脫離真實情景，難以激發學生的學習興趣；其次，大多學生只是單純體驗實驗操作過程，實驗的探究性不強；最后，學生完成實驗后缺少對實驗結果的分析、表達和交流。在這樣的實驗課堂中，學生被動完成實驗，參與的認知水平較低，難以達成培育科學探究素養的目標。科學探究素養的培育不是一蹴而就的，學習進階理論為上述問題的解決提供了思路。教師可有意識地規劃實施進階實驗教學活動，讓學生逐步突破最近發展區進而發展科學探究素養。

（二）“三層進階”創新實驗教學概述

國務院印發的《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》強調，提高全民科學素質需要弘揚科學精神，提高勞動、生產、創新創造的技能[3]。這與高中生物學課程理念“教學過程重實踐”不謀而合，學生在做中學、在做中思，可以全方位提升科學探究素養。南寧市第三中學生物學教研組嘗試將生產生活問題融入生物學實驗教學，基于學習進階理論構建了“三層進階”生物學創新實驗教學模式（如圖2所示），讓學生在系統的學習活動中逐層遞進地發展科學探究素養。

“三層進階”生物學創新實驗教學包括實踐體驗、拓展實驗、課題研究三個階段。在高一年級實踐體驗環節激發學習熱情，讓學生在簡單的實驗中觀察現象，提出感興趣的問題并做出假設；在高二年級開設探究性較強的課本拓展實驗，訓練學生的實驗設計和實施能力；在高三年級課題研究階段引導學生利用所學知識和技能解決真實問題，提升學生的表達交流能力。在此過程中，教師圍繞同一個學習主題，為學生從初始層級到達最高層級“搭建階梯”，由淺入深地突破科學探究的若干困境。

二、“三層進階”創新實驗教學的應用：以\"釀制甜酒\"為例

發酵食品是我國傳統飲食文化的重要組成部分，甜酒是深受人們喜愛的發酵食品，其制作工藝簡單、發酵時間相對較短。學習釀制甜酒，有利于學生掌握發酵知識和技能，同時增強文化認同感。現以“釀制甜酒”為例介紹“三層進階”創新實驗教學的應用。

（一）明確《課程標準》要求

《課程標準》是教材編寫、教學實施、學業評價的重要依據，它根據學科核心素養的內涵，結合課程內容，刻畫不同學段學生學業成就的具體表現，形成了學業質量水平的評價標準，為教師的“教”和學生的“學\"提供指導。對《課程標準》進行整體解讀，不僅能使教師深刻理解相應的教學理念，還能幫助教師構建系統的教學框架，提升教學效果與育人成效。教師在對某一主題進行教學設計時，需要從內容要求、學業要求、教學提示、學業質量等四個方面對《課程標準》進行解讀[4]。

《課程標準》中與“釀制甜酒”相關的內容要求有“舉例說明日常生活中的某些食品是運用傳統發酵技術生產的[1128”。相應的學業要求是說出發酵工程的基本原理，選取恰當的技術和方法，進行簡單的設計和制作，對生活中有關發酵的話題，基于證據表明自己的觀點并展開討論[1131；教學提示是教師指導學生設計并實施實驗或安排學生收集資料并撰寫報告[1130，側重操作實踐，適于科學探究素養的培育；對科學探究素養的學業質量水平評價標準描述為針對特定情境提出可探究的問題，設計并實施探究實驗，主動合作推進探究方案的實施，運用科學術語報告結果[1]75

（二）分析學生初始水平

學生是教學活動的主體，教學的最終目的是促進學生發展。為達成教學目的，教師除了明確學業質量的潛在水平，還應關注學生的現有水平。學生在日常生活中積累的經驗、在以往的學習中獲取的知識、在實踐活動中形成的能力都會影響教學的效果。教師在設計教學活動時應尊重學生的認知發展規律，認識到學生是主動的知識建構者，同時學生的認知又具有階段性和限制性[5]。在指向科學探究素養培育的實驗教學設計中，除了分析學生原有知識和經驗，還應分析學生的初始探究能力。

學生在日常生活中經常食用發酵食品，對發酵技術有一定的了解。生物學教材也多次提及傳統發酵食品的制作，例如：人教版初中生物學教科書八年級上冊介紹了利用酒曲中的微生物制作米酒；人教版高中生物學教科書必修第一冊介紹了發酵食品的制作與微生物的細胞呼吸有關，選擇性必修第三冊以“制作泡菜”“制作果酒和果醋”為例介紹了傳統發酵技術；初中教材還編入了“制作米酒”實驗，由于一節實驗課不能完成米酒的制作，教師通常建議學生在家長的協助下完成實驗。而調查發現，極少學生課后能親自動手操作，由于學生缺乏實踐體驗，真實的動手實踐將給學生帶來一定的挑戰。

（三）明確“三層進階”內容

教師根據《課程標準》要求和學生初始水平，即挖掘學生的最近發展區，刻畫出學生的潛在水平。根據“三層進階”創新實驗教學理念，教師圍繞某一特定教學主題，設計不同學段的進階水平以及能支持學生素養發展的教學活動，使學生逐步提升至《課程標準》要求的學業質量水平。甜酒是深受人們喜愛的食品，其制作工藝簡單，故以“釀制甜酒”為主題在三個年級統籌設計“三層進階”實驗教學，具體內容如表1所示。

（四）實施“三層進階\"教學

1.實踐體驗一一利用不同的糧食釀制甜酒

真實的體驗才能引發真實的問題，進而激發學生尋求答案的熱情。教師為學生設置真實的情境，學生親自動手實驗，進行科學觀察，才能提出可探究的問題。進行實驗觀察時，僅通過自身感官直接觀察是不夠的，還應借助儀器有目的、有計劃地觀察，以獲得有價值的科學事實。在提出問題、做出假設環節，教師需引導學生區分不同類型的問題，特別是明確哪些問題具有研究價值且可通過實驗檢驗，并可用清晰的術語界定。學生分析問題，探討其中的因果關系，通過查閱資料等方式對提出的問題進行暫時性的解釋。

以“釀制甜酒”教學為例，在生活中人們通常選用糯米制作甜酒，實際上含淀粉的糧食都能釀制甜酒，如大米、黑米等。教師給學生提供三種實驗材料一一糯米、大米、黑米，學生選擇其中一種完成實驗并展示。在展示評價環節，除品嘗外，學生用濁度計、酒精計、糖度計等儀器測量發現，不同材料制作的甜酒的澄清度、酒味和甜味不相同。學生查閱資料發現，不同糧食的直鏈淀粉和支鏈淀粉含量不同，這影響甜酒發酵的結果。教師引導學生進一步提出可探究的問題，如酒曲種類和用量、發酵溫度和時間是否影響甜酒風味等。

2.拓展實驗 探究影響甜酒風味的因素

實驗設計是科學研究中重要且難度較大的一個環節，只有設計邏輯嚴密、合理的實驗方案，才能確保實驗結果是可信的。由于課本實驗以操作性實驗或驗證性實驗為主，學生缺乏自主設計探究實驗的訓練和指導。通過高一年級的實踐體驗，學生掌握了基本的發酵知識與技能，在高二年級可進一步開展相關的拓展實驗教學。教師教會學生像科學家一樣有條理地思考和行動，解讀實驗設計、實驗實施的內涵，列出清晰的拓展實驗教學任務（如表2所示），從識別和控制變量、設計對照實驗、開展重復實驗等三個環節進行拓展實驗教學。

3.課題研究——如何提高自釀甜酒的經濟效益

科學探究是具有創造性的工作，對某些社會問題進行課題研究，可以鍛煉學生基于證據表明自己的觀點并展開討論的能力，為解決社會問題做出科學的決策。科學探究還具有公開性和精確性，教師應引導學生基于數據深入思考，以符合邏輯的方式呈現資料，用清晰的科學術語展開交流。在課題研究環節，教師指導學生制訂調查計劃、撰寫實驗報告等，并組織開展學術報告會為學生提供交流分享的平臺，讓學生模擬科學家開展科學探究，從而發展學生的科學探究素養。

以“釀制甜酒”教學為例，經過高一年級和高二年級的學習，學生熟練掌握了甜酒的釀制方法，弄清了各種因素對甜酒風味的影響。如何將這些實驗成果轉化為經濟效益呢？教師借助學校“美食一條街”的活動，指導高三生物學興趣小組開展課題研究，調研消費者的口味偏好，利用實驗室研發各種風味的甜酒。在保證食品安全的前提下，綜合考慮消費者的需求、原料的價格及市場環境等因素，開發符合大眾口味的甜酒飲品，并在“美食一條街\"活動中售賣。之后小組成員分享課題研究過程的收獲和不足，總結提高自釀甜酒經濟效益的方法。

三、“三層進階”創新實驗教學的成效與展望

2021年進入新一輪高中課程改革后，南寧市第三中學生物學教研組依托學校生物學實驗室、生態勞動教育基地、校外研學基地等，探索形成了“三層進階”生物學創新實驗教學，建立了系統的科學探究素養培育路徑。目前，已取得了一定的成效：學生在自治區科普創新實驗比賽中獲獎3項，在全國青少年創新挑戰賽中獲獎1項，申請設計專利1項；學校教師實驗教學專業化水平獲得提升，教師參加自治區中小學實驗說課活動獲獎5人次。

不過，在實施“三層進階”創新實驗教學的過程中也面臨一些問題，如學生在定量測量、數據處理及用數學方法分析數據等方面表現欠佳，綜合性實驗的設計思路和研究方法較為局限等。今后實施“三層進階”創新實驗教學時，教研團隊將整合不同學科的教學資源，引導學生優化實驗裝置，加強定量測量的教學；將信息技術與實驗教學深度融合，發展學生的數據處理、模型建構等能力；開展跨學科項目式學習，促進學生綜合發展，為學生未來學習奠定堅實的基礎。

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.

[2]張詠梅，田一，李美娟.學習進階研究的國際進展及本土啟示[J].教育科學研究，2024（07）：68-76.

[3]國務院.全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）[EB/OL].（2021-06-03）[2024-12-10].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2021/content_5623051.htm.

[4徐冬青.基于課程標準的學業質量評價探索[J].中小學管理，2024（12）：52-55.

[5]王艷芝，張春莉.學習支架何以促學：基于皮亞杰與維果茨基思想的綜合視角［J].教育科學研究，2024（11）：76-82.

注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2024年度專項課題\"高中生物學‘雙導三創'實驗教學培育科學家精神的實踐研究\"（2024ZJY997）的研究成果。

（責編 劉小璦）