優(yōu)化高中生物實驗教學(xué)進行實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)研究

【中圖分類號】G633.91 【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】2095-3089（2025）11-0151-03

高中生物實驗教學(xué)在學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)中占據(jù)關(guān)鍵位置，屬于理論知識和實踐技能相互融合的重要渠道。伴隨教育觀念的更新，提高學(xué)生實驗設(shè)計能力變成生物教學(xué)的核心任務(wù)。在當(dāng)下的高中生物實驗教學(xué)里，實驗設(shè)計能力培養(yǎng)存在教學(xué)模式單調(diào)、學(xué)生參與程度不高、缺少系統(tǒng)性思維訓(xùn)練等問題，急需通過創(chuàng)新教學(xué)策略予以改善。

一、高中生物實驗設(shè)計能力培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)

（一）相關(guān)教育理論

建構(gòu)主義理論：建構(gòu)主義著重突出學(xué)生的主動構(gòu)建效能，認定學(xué)生憑借自身既有的知識經(jīng)驗，經(jīng)由與環(huán)境的交互來構(gòu)建新的知識

多元智能理論：多元智能理論指出個體存在多種智能類別，如邏輯-數(shù)理智能、空間智能、身體-動覺智能等等。在生物實驗設(shè)計中，不同的智能類別發(fā)揮著各自的作用。邏輯-數(shù)理智能較強的學(xué)生在數(shù)據(jù)處理與分析方面展現(xiàn)出卓越水平。

（二）實驗設(shè)計要求

科學(xué)性：實驗設(shè)計以科學(xué)的生物學(xué)原理作為基礎(chǔ)，實驗步驟、數(shù)據(jù)采集以及分析方式應(yīng)當(dāng)契合科學(xué)規(guī)范。在“探究不同光照條件對植物光合作用效率的影響\"實驗里，實驗原理是依據(jù)光合作用的光反應(yīng)與暗反應(yīng)機制，實驗操作以及數(shù)據(jù)處理手段需要保證結(jié)果的精確性與可信性

可行性：實驗規(guī)劃應(yīng)當(dāng)考量學(xué)校的實驗條件、時間以及成本等要素。選取常見并且容易培養(yǎng)的實驗材料，運用學(xué)校實驗室所配備的常規(guī)儀器，合理規(guī)劃實驗時間，保證實驗?zāi)軌蝽樌M行。

二、“探究不同光照條件對植物光合作用效率的影響\"實驗分析

（一）實驗?zāi)康呐c原理

1.實驗?zāi)康摹１緦嶒炛铝τ谏疃忍骄抗庹諒姸取⒐庹諘r長以及光質(zhì)等各類光照條件對植物光合作用效率的影響機理，厘清各光照要素和光合作用效率之間的定量關(guān)聯(lián)，為優(yōu)化植物生長環(huán)境提供科學(xué)根據(jù)。與此同時，培育學(xué)生的實驗設(shè)計、操作以及數(shù)據(jù)分析的能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.實驗原理。光合作用指的是植物借助光能把二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C物并釋放出氧氣的過程，涵蓋光反應(yīng)和暗反應(yīng)這兩個階段。光反應(yīng)依靠光照，光合色素吸收光能，推動水的光解以及ATP、NADPH的合成;暗反應(yīng)運用光反應(yīng)的產(chǎn)物。不一樣的光照條件對光反應(yīng)的速率造成影響，進而作用于暗反應(yīng)，最終對光合作用效率帶來影響。

（二）實驗材料與準(zhǔn)備

1.實驗材料。選取生長態(tài)勢優(yōu)良、大小接近、處于相同生長時期的菠菜幼苗當(dāng)作實驗材料。菠菜的生長周期較短，對光照的變化較為敏感，并且葉片寬闊，利于實驗操作以及數(shù)據(jù)采集。準(zhǔn)備好碳酸氫鈉溶液，用于平穩(wěn)的二氧化碳；配制不同濃度的酒精溶液，用于色素的提取以及光合作用產(chǎn)物的檢測。

2.準(zhǔn)備工作。將菠菜幼苗置于適宜的環(huán)境條件下預(yù)先培養(yǎng)一周，適應(yīng)實驗環(huán)境。針對實驗儀器，如光照培養(yǎng)箱、便攜式光合測定儀等，進行檢查和校準(zhǔn)，保證儀器的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。依照實驗的需求，精準(zhǔn)配制不同濃度的碳酸氫鈉溶液和酒精溶液，并備好相應(yīng)的消耗品。

（三）實驗步驟設(shè)計

1.實驗分組。將菠菜幼苗隨機劃分成9組，每組涵蓋10株。隨機選取3組被用于探究光照強度對光合作用效率的影響，分別設(shè)定為強光（約為自然光照的 150% ）、中光（自然光照）弱光（相當(dāng)于自然光照的 50% ）。另外3組用于探究光照時間對光合作用效率的影響，將光照時間分別設(shè)定為8小時、12小時、16小時。余下的3組則用于探索光質(zhì)的影響，分別采用紅光、藍光、白光照射。

2.實驗處理。將分組后的菠菜幼苗分別放入不同的光照培養(yǎng)箱中，調(diào)節(jié)光照強度、時間和光質(zhì)至設(shè)定條件。同時，保持各培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度 （25^°C ）濕度 （60%） 、二氧化碳濃度（通過碳酸氫鈉溶液維持穩(wěn)定）等環(huán)境因素一致。每天定時對菠菜幼苗進行觀察和記錄，確保其生長狀況正常。

3.數(shù)據(jù)采集。在實驗進行第3天、第5天、第7天時，使用便攜式光合測定儀測定每組菠菜幼苗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間二氧化碳濃度等光合參數(shù)；采集葉片樣本，利用分光光度計測定葉綠素含量；采用半葉法測定葉片的光合產(chǎn)物積累量。

（四）實驗數(shù)據(jù)處理與分析方法

1.數(shù)據(jù)處理。運用Excel軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行整理和初步統(tǒng)計，計算每組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和標(biāo)準(zhǔn)誤差。將原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同指標(biāo)之間的量綱差異，便于后續(xù)分析。

2.數(shù)據(jù)分析方法。采取單因素方差分析（One-wayANOVA）的辦法，檢驗在不同光照狀況下各光合參數(shù)、葉綠素含量和光合產(chǎn)物積累量之間的差異是否顯著。倘若存在顯著差異，更進一步運用Duncan多重比較法，明確各處理組之間的具體差異狀況。利用Origin軟件繪制柱狀圖、折線圖等，形象地展示不同光照條件對植物光合作用效率的影響，深度剖析各光照因素和光合作用效率之間的關(guān)聯(lián)。

三、基于實驗教學(xué)的實驗設(shè)計能力培養(yǎng)策略

（一）調(diào)查設(shè)計

設(shè)置高中生物實驗教學(xué)中實驗設(shè)計能力培養(yǎng)現(xiàn)狀調(diào)查報告，選取不同層次的高中學(xué)校，每個學(xué)校隨機抽取高一年級兩個班級的學(xué)生和相應(yīng)的生物教師作為調(diào)查對象。發(fā)放學(xué)生問卷并回收。問卷調(diào)查法：設(shè)計學(xué)生問卷和教師問卷，分別了解學(xué)生的實驗設(shè)計能力水平、對實驗教學(xué)的態(tài)度和需求，以及教師的教學(xué)方法、對學(xué)生實驗設(shè)計能力培養(yǎng)的重視程度和教學(xué)效果評價等問題。

調(diào)查顯示：學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析能力不足，不能正確運用統(tǒng)計方法和圖表來展示實驗結(jié)果；教師在實驗教學(xué)中對學(xué)生的指導(dǎo)不夠細致和全面，不能及時發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)生在實驗設(shè)計和操作過程中遇到的問題。

（二）優(yōu)化實驗教學(xué)過程

1.問題引導(dǎo)教學(xué)。在實驗教學(xué)里，教師設(shè)計一連串富有啟發(fā)性的問題，引領(lǐng)學(xué)生思索實驗的目的、原理、方式以及步驟。在“探究不同光照條件對植物光合作用效率的影響\"這一實驗中，教師設(shè)置“不同光照條件有哪些？\"“為何要探究光照條件對光合作用的影響？\"“怎樣對光照條件予以控制？\"等問題，優(yōu)化目的，調(diào)動學(xué)生的思維，使學(xué)生于自覺解決問題的過程中逐步學(xué)會實驗設(shè)計方案

2.小組合作學(xué)習(xí)。小組合作式學(xué)習(xí)能夠推動學(xué)生彼此間的交流及合作，培育學(xué)生的團隊精神與溝通本領(lǐng)。在小組合作里，學(xué)生能夠互相探討、分享看法，共同處理在實驗中碰到的難題，提升實驗設(shè)計的質(zhì)量與效率。教師在小組合作學(xué)習(xí)中需發(fā)揮引領(lǐng)和監(jiān)督的作用，適時提供指導(dǎo)與反饋。

（三）加強實驗設(shè)計思維訓(xùn)練

1.分析經(jīng)典實驗案例。選取一些經(jīng)典的生物實驗案例，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗的設(shè)計思路、方法和步驟，總結(jié)實驗設(shè)計的原則和技巧。通過對經(jīng)典實驗案例的分析，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的思維方式和研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計思維能力。

2.開展實驗設(shè)計專題訓(xùn)練。在教學(xué)里安排專門的實驗設(shè)計專題訓(xùn)練課程，令學(xué)生針對各類不同的實驗課題展開實驗設(shè)計。教師能夠給出一些實驗課題，讓學(xué)生在既定的時間內(nèi)完成實驗設(shè)計規(guī)劃。在學(xué)生設(shè)計期間，教師需予以指導(dǎo)與協(xié)助，及時矯正學(xué)生的錯誤。訓(xùn)練之后，組織學(xué)生展開交流和探討，針對出色的實驗設(shè)計方案進行展示和評判，提高學(xué)生的實驗設(shè)計水平。

四、培養(yǎng)策略的實踐與效果驗證

（一）實踐過程

選取高中高一年級的兩個班級當(dāng)作實驗對象，一個班級作為實驗班，運用優(yōu)化后的實驗教學(xué)策略開展教學(xué)。另一個班級作為對照班，采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式實施教學(xué)。在教學(xué)進程中，針對實驗班的學(xué)生展開問題引導(dǎo)教學(xué)和小組合作學(xué)習(xí)，并且強化實驗設(shè)計思維訓(xùn)練。對照班則依照傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行。實驗周期設(shè)定為一個學(xué)期。

（二）效果驗證

1.數(shù)據(jù)收集。實驗報告評定：在實驗教學(xué)完結(jié)后，讓學(xué)生編寫實驗報告，針對學(xué)生的實驗報告予以評定，評定準(zhǔn)則劃定為優(yōu)秀、良好、中等、及格與不及格這五個級別。

測試成績解析：擬定一份實驗設(shè)計能力測試卷，其內(nèi)容囊括實驗設(shè)計的基礎(chǔ)原理、方式、步驟、數(shù)據(jù)處理與分析等方面，針對實驗班與對照班的學(xué)生開展測試，對兩個班級學(xué)生的測試成績進行統(tǒng)計剖析。

2.結(jié)果分析。實驗報告評價結(jié)果：實驗班學(xué)生的實驗報告在實驗?zāi)康拿鞔_性、實驗原理闡述準(zhǔn)確性、實驗步驟合理性、實驗數(shù)據(jù)處理和分析科學(xué)性、實驗結(jié)論可靠性等方面均優(yōu)于對照班，優(yōu)秀和良好等級的比例明顯高于對照班。

測試成績分析結(jié)果：實驗班學(xué)生的測試平均成績顯著高于對照班，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（ （Plt;0.05） 。說明采用優(yōu)化后的實驗教學(xué)策略能夠有效提升學(xué)生的實驗設(shè)計能力。

五、結(jié)語

本研究針對高中生物實驗教學(xué)里實驗設(shè)計能力培養(yǎng)的現(xiàn)況展開了調(diào)研，以“探究不同光照條件對植物光合作用效率的影響”這一實驗作為范例，給出并推行了優(yōu)化實驗教學(xué)的辦法，涵蓋了優(yōu)化實驗教學(xué)的流程以及強化實驗設(shè)計思維的訓(xùn)練。實踐成果顯示，這些辦法可以切實增強學(xué)生的實驗設(shè)計能力，增進學(xué)生的學(xué)習(xí)興致和主動性，給高中生物實驗教學(xué)的變革提供了頗具價值的參照。

參考文獻：

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作者簡介：

范其昌（1977年一），漢族，人，本科學(xué)歷，研究方向：高中生物與實驗教學(xué)。