探究式學習在高中生物大單元教學中的應用研究

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2025）21-0132-04

在新課程改革背景下，培養學生的科學探究能力和創新思維成為高中生物教學的重要自標。傳統的碎片化教學模式難以滿足這一需求，而探究式學習與大單元教學的結合為解決這一問題提供了新的可能。本研究旨在探討如何在高中生物大單元教學中有效實施探究式學習，文章通過整合STEAM教育理念和現代教育技術，構建一個促進學生全面發展的教學模式。研究不僅關注理論框架的構建，還著重探討實踐策略的設計與實施，以及多維度的評估方法，以期為高中生物教學的創新發展提供實證依據和實踐指導。

一、高中生物大單元教學中探究式學習的理論框架

探究式學習在高中生物大單元教學中的理論框架以建構主義理論為基礎，強調學生在“穩態與調節”中的主動探索和知識建構。這一框架將人體內環境、神經調節、體液調節、免疫調節和植物生命活動調節等核心概念有機整合，形成一個連貫的知識體系。通過設計如“模擬生物體維持pH的穩定”等探究實踐活動，學生能深入理解內環境穩態的機制。融入生物科技進展如“中國腦計劃”和“免疫系統的新發現”，使學生將理論知識與前沿科技緊密聯系。這種整合不僅涵蓋了生物學的基礎知識，還引人了跨學科元素，如“腦機接口”技術，能夠培養學生的綜合思維能力。通過探索植物生長調節劑的應用等實踐活動，學生能將所學知識應用于解決實際問題，體現了探究式學習的核心理念。

二、基于探究式學習的高中生物大單元教學設計與實施

（一）大單元整體規劃與探究主題設計

1.核心概念與關鍵問題的確定

在“穩態與調節”中，核心概念包括內環境穩態、神經調節、體液調節、免疫調節和植物生命活動調節。這些概念構成了單元的知識框架，圍繞它們設計關鍵問題能有效引導學生的探究過程。例如，針對內環境穩態，可以提出“人體如何維持血糖濃度的相對穩定？”這一關鍵問題。對神經調節，可以設計“神經沖動是如何產生和傳導的？”作為探究起點。在體液調節方面，“激素是如何影響人體代謝的？”這一問題可以引導學生深入探討內分泌系統的功能。免疫調節部分可以圍繞“人體如何識別和清除人侵的病原體？”這一問題展開探究。植物生命活動調節則可以通過“植物激素如何調控植物的生長發育？”這一問題激發學生的探究興趣。這些關鍵問題不僅涵蓋了單元的核心內容，還與學生的日常生活和當前生物學前沿緊密相關，如將“腦機接口技術如何影響神經科學的發展？\"納入考慮，體現了學科的前沿性和社會關聯性。通過精心設計這些核心概念和關鍵問題，教師可以為學生構建一個系統、連貫的知識框架，為后續的探究活動奠定基礎。

2.探究活動序列的設計

在“穩態與調節”中，探究活動應該圍繞核心概念和關鍵問題展開，形成一個循序漸進、相互關聯的活動序列。對內環境穩態，可以設計“模擬生物體維持pH的穩定”的實驗，讓學生通過調節緩沖溶液來理解人體內環境 ΔpH 值的穩定機制。在神經調節部分，可以安排“神經元模型的制作與信號傳導模擬”活動，幫助學生直觀理解神經沖動的產生和傳導過程。體液調節環節可以設計“探究不同濃度激素對植物生長的影響”實驗，讓學生通過觀察植物的生長變化來理解激素的作用機制。免疫調節部分可以組織“模擬抗原抗體反應”的實驗，使用簡單的材料模擬免疫系統的工作原理。植物生命活動調節可以設計“探索植物生長調節劑的應用”實踐，讓學生親手進行植物生長實驗。這些探究活動不僅要考慮知識內容的銜接，還要注重難度的遞進。例如，可以從簡單的觀察實驗開始，逐步進階到需要學生自主設計實驗方案的開放性探究。探究活動的設計還應該融入現代生物技術元素，如可以引入“利用ELISA技術檢測激素水平”的實驗，讓學生接觸前沿的研究方法。

（二）探究式教學策略在各教學環節的應用

1.問題導入與假設形成

在“穩態與調節”教學開始時，教師可以通過一個多維度的案例來引入整個單元的核心問題。例如，展示一位馬拉松運動員在比賽前、中、后的全面生理指標變化圖表，包括體溫、血糖、心率、血壓、呼吸頻率、血液pH值、電解質濃度等。展示運動員在不同階段的外部表現，如出汗量、面部表情變化、肌肉疲勞程度等。在此基礎上，教師提出核心問題：“面對馬拉松這樣的極限運動，人體是如何在各個層面上維持相對穩定的內環境的？不同的調節系統之間是如何協調工作的？”這個問題將貫穿整個大單元的學習。

學生可能會提出各種假設，如“體溫升高會觸發大腦的體溫調節中樞，激活汗腺來降溫”“血糖下降可能會刺激胰腺分泌胰高血糖素來升高血糖”“呼吸頻率增加可能是為了補充氧氣，同時排出更多二氧化碳以維持血液pH值”等。教師引導學生進一步思考：“這些調節過程是如何相互影響的？例如，大量出汗會如何影響電解質平衡？這又會如何影響神經系統的功能？”

學生可能會猜測存在一個復雜的調控網絡，其中包括神經系統、內分泌系統和免疫系統的相互作用。此時，教師可以引入“反饋調節”的概念，鼓勵學生思考正反饋和負反饋在維持穩態中的作用。學生可以嘗試繪制一個初步的“人體調節網絡”示意圖，該示意圖包括各個系統之間的相互聯系。

2.實驗設計與數據收集

基于學生提出的假設，教師引導全班設計一系列貫穿整個單元的實驗活動。這些實驗將分布在各個章節中，但彼此關聯，共同構成對人體調節機制的全面探究。具體實驗設計如下：

（1）內環境與穩態：設計“模擬體溫調節”實驗。使用恒溫水浴裝置、溫度傳感器和模擬皮膚（如涂有溫度敏感涂料的薄膜），模擬人體在不同環境溫度下的體溫變化。學生需要記錄模擬皮膚表面溫度、“體核\"溫度（水浴溫度）隨時間的變化，并模擬出汗過程（如噴灑水霧），觀察其對溫度的影響。

（2）神經調節：設計“反射弧測試”實驗。除了經典的膝跳反射實驗，還可以設計瞳孔對光反射實驗。學生使用智能手機應用程序記錄瞳孔大小變化，測量不同光強下瞳孔收縮的反應時間和程度。設計一個簡單的反應時間測試游戲，比較自主反應和反射反應的速度差異。

（3）體液調節：設計“激素對血糖影響”的模擬實驗。使用不同濃度的葡萄糖溶液和透析袋模擬血糖變化，添加淀粉酶模擬胰島素作用，碘溶液作為血糖檢測指標。學生需要定時取樣，記錄“血糖\"濃度變化，繪制調節曲線。可以設計一個模擬實驗，使用pH試紙和不同濃度的碳酸飲料來模擬血液pH值的調節過程。

（4）免疫調節：設計“抗原抗體反應”的模擬實驗。使用不同形狀的拼圖塊代表抗原和抗體，觀察它們的特異性結合。設計一個計算機模擬程序，模擬病原體入侵和免疫系統反應的過程，學生可以調整不同參數（如抗體產生速度、病原體復制速度）觀察結果。

（5）植物生命活動調節：設計“植物激素綜合作用\"實驗。除了觀察生長素對扦插植物生根的影響，還可以設計實驗觀察赤霉素對種子萌發的影響，以及乙烯對果實成熟的影響。學生需要設計對照組，控制變量，定期記錄觀察結果。

在實驗過程中，學生需要學會使用各種儀器，如顯微鏡、分光光度計、pH計等，并掌握科學的數據記錄方法。同時，教師應強調實驗安全和倫理，如在使用化學試劑時的注意事項，以及在涉及人體實驗時需要獲得知情同意。這一系列實驗貫穿整個單元，使學生能夠從多角度理解生命活動的調節機制，培養其實驗設計和操作技能。

3.數據分析與結論歸納

在整個學習過程中，學生將持續收集和分析來自各個實驗的數據。教師指導學生使用統一的數據分析方法，如使用Excel創建數據庫，繪制各種圖表（如體溫變化曲線、血糖調節曲線等）。學生需要學會識別數據趨勢，理解波動與調節的關系，并運用統計方法進行數據分析。

在分析體溫調節實驗數據時，學生可能發現盡管環境溫度變化，“體核”溫度仍保持在一個范圍內波動。他們需要計算溫度變化率，繪制環境溫度與“體核”溫度的關系圖，并分析“出汗”對維持體溫的作用。學生可以嘗試建立一個簡單的數學模型，預測在不同環境溫度下需要的“出汗量”。對神經調節實驗，學生需要比較不同類型反射的反應時間、計算平均值和標準差。他們可能觀察到瞳孔對光反射的速度快于自主反應，需要思考這種差異的生理學意義。學生可以嘗試繪制刺激強度與反應程度的關系圖，探討神經調節的閾值和飽和現象。

在分析體液調節實驗數據時，學生需要繪制“血糖”濃度隨時間變化的曲線，計算“血糖”下降率，并與對照組比較。他們可能會發現激素調節有一定的滯后性，這啟發他們思考激素調節和神經調節的優劣勢。對于血液 pH 值調節實驗，學生需要繪制pH值變化曲線，分析緩沖系統的作用。免疫調節實驗的數據分析可能包括計算不同“抗原”與“抗體”的結合效率，以及在計算機模擬中分析不同參數對免疫反應速度和效果的影響。學生可以嘗試建立一個簡單的數學模型，描述免疫系統如何應對不同強度的“感染”。

植物生命活動調節實驗的數據分析包括測量植物生長速度、計算種子萌發率、評估果實成熟度等。學生需要繪制生長曲線，分析不同激素濃度對植物生長發育的影響，并思考這些調節機制在農業生產中的應用。在整合所有實驗數據后，學生需要歸納出一個綜合性的結論，解釋人體如何通過神經調節、體液調節和免疫調節等多重機制來維持內環境的相對穩定。學生可以嘗試建立一個簡化的“人體穩態調節模型”，包括各個系統之間的相互作用和反饋機制。這個過程能夠培養學生的系統思維能力和數據分析技能，使他們將分散在各個章節的知識點整合成一個連貫的知識體系。

（三）現代教育技術在探究式大單元教學中的運用

1.虛擬仿真實驗的應用

虛擬仿真實驗在“穩態與調節”教學中扮演著關鍵角色，尤其是在展示復雜的生理過程方面。例如，在學習神經調節時，可以使用3D虛擬人體模型來模擬神經沖動的傳導過程。學生能夠在虛擬環境中觀察動作電位的產生和傳播，甚至可以調整離子通道的開關來觀察對神經傳導的影響。在學習體液調節時，可以通過虛擬仿真實驗模擬激素分泌和作用的全過程，如展示胰島素如何影響細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白，從而調節血糖水平。這種可視化和交互式的學習方式不僅能夠加深學生對抽象概念的理解，還能讓他們“親身經歷”一些在現實中難以觀察或危險的生理過程，如模擬不同病原體入侵時免疫系統的反應過程。

2.大數據分析工具的使用

大數據分析工具在探究式學習中的應用可以極大地增強學生的數據處理和分析能力。在“穩態與調節”中，學生可以使用數據可視化工具如Tableau或Python的matplotlib庫來處理和展示復雜的生理數據。例如，在研究體溫調節時，學生可以利用這些工具分析大量的人體溫度數據，繪制不同環境條件下的體溫變化曲線，甚至建立預測模型。在學習植物激素調節時，學生可以使用數據挖掘技術分析大量的植物生長數據，發現不同激素濃度與植物生長速度之間的關系。這不僅可以培養學生的數據素養，還能讓他們體驗到大數據在現代生物學研究中的重要作用。

3.在線協作平臺的整合

在線協作平臺的整合為“穩態與調節”的探究式學習提供了新的可能性。例如，使用GoogleColab或JupyterNotebook這樣的在線編程環境，學生可以共同編寫和運行模擬人體調節系統的代碼。在學習免疫調節時，學生可以通過這些平臺協作開發一個簡單的免疫系統模擬程序，模擬不同抗原刺激下的抗體產生過程。利用Padlet或Miro等在線協作白板，學生可以共同繪制復雜的調節通路圖，如繪制一個整合了神經調節和體液調節的人體穩態維持網絡圖。這種協作學習不僅培養了學生的團隊合作能力，還使得復雜的生物學概念可以更好地被理解和可視化。

三、探究式學習在高中生物大單元教學中的效果評估與創新發展

（一）多維度評估體系的構建

評估體系不僅要評估學生對知識的掌握程度，還要衡量其科學探究能力和創新思維的發展。例如，可以通過概念圖評估學生對神經調節、體液調節和免疫調節之間關系的理解；使用開放式問題評估學生分析復雜生理過程的能力，如解釋運動員在馬拉松比賽中體內各種調節機制的協同作用；通過實驗設計任務評估學生的科學探究能力，如設計一個實驗來驗證某種激素對植物生長的影響。可以采用同伴評價和自評相結合的方式，讓學生參與評估過程，培養其反思和批判性思維能力。這種多維度的評估不僅能全面反映學生的學習成果，還能為教學改進提供有價值的反饋。

（二）基于大數據的個性化學習路徑優化

基于大數據的個性化學習路徑優化為“穩態與調節”的教學帶來了新的可能性。通過收集和分析學生在學習過程中產生的大量數據，如在線練習的答題情況、虛擬實驗的操作記錄、討論區的發言內容等，可以構建每個學生的學習模型。例如，系統發現某學生在理解內分泌系統的反饋調節機制時遇到困難，就會自動推薦相關的補充材料或調整后續的學習內容。對于相關知識掌握得較好的學生，系統可能會提供更具挑戰性的探究任務，如設計一個實驗來研究多種激素對血糖調節的協同作用。這種個性化的學習路徑不僅能提高學習效率，還能培養學生的自主學習能力，讓每個學生都能找到適合自己的學習方法。

（三）探究式學習與其他創新教學模式的融合

探究式學習與其他創新教學模式的融合為“穩態與調節”的教學注人了新的活力。例如，將項目式學習（PBL）融入探究過程中，學生可以在學習這個單元時推進一個“設計人體穩態監測系統”的項目。在這個項目中，學生需要綜合運用對神經調節、體液調節和免疫調節的理解，設計一個能實時監測和預測人體各項生理指標的系統。將翻轉課堂模式與探究式學習結合，學生可以在課前通過視頻學習基礎知識，課堂上深人探究活動和討論，如模擬不同環境條件下人體的調節反應。游戲化學習元素的引入，如設計一個“人體穩態守護者”的角色扮演游戲，可以增加學習的趣味性和參與度。這種多模式的融合不僅能滿足不同學習風格學生的需求，還能全面提升學習效果。

四、結論

探究式學習在高中生物大單元教學中的應用，為傳統生物教學模式帶來了革新性的變化。通過整合大單元教學、探究式學習和STEAM教育理念，結合現代教育技術，我們構建了一個更加符合學生認知規律和時代要求的教學模式。研究結果表明，這種方法不僅提高了學生的生物學核心素養和探究能力，還培養了他們的跨學科思維和創新能力。然而，在實施過程中仍面臨諸如教師培訓、資源整合等挑戰。未來研究應進一步探索如何優化個性化學習路徑，深化跨學科整合，以及培養面向未來的生物學素養。

參考文獻：

[1]覃秋琪.探究式教學在高中生物教學中的應用[J].高考，2024（24）：50-52.

[2]寇珊珊，譚衛梅，吳立清，等.信息技術與探究式學習融合策略在高中生物概念教學中的應用［J].中學教學參考，2023（17）：90-92.

[3]沃玉峰.高中生物教學中開展探究性學習面臨的困難及對策[J].中學課程輔導（教師通訊），2021（8）：27-28.

[4]張蕾.談高中生物教學中的探究式學習［J].學周刊，2019（24）：37.