核心素養(yǎng)導(dǎo)向下高中生物探究性實驗的設(shè)計與實踐

按照《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》所提出的指導(dǎo)思想，以探究為核心的各種實踐活動，成為培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑[1]。這種教育理念重視學(xué)生在課堂教學(xué)中的主體地位，提倡學(xué)生親自經(jīng)歷體驗，去完成問題的提出、數(shù)據(jù)的收集、假設(shè)的檢驗以及規(guī)律的總結(jié)等一系列過程，進(jìn)而加深對生物學(xué)知識的認(rèn)識，鍛煉批判性思維，樹立科學(xué)精神，并且培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，其中加強(qiáng)生物實驗教學(xué)尤為關(guān)鍵，因為這不僅是本學(xué)科的本質(zhì)屬性，而且是重要的教學(xué)手段，在人教版新教材體系當(dāng)中，必修部分（包括第1、2冊）以及選擇性必修系列（包含第1、2、3冊），一共安排了35項“探究·實踐”主題活動，這些活動很好地體現(xiàn)出了上述教學(xué)理念的具體運(yùn)用及其成果[2]。探究性實驗的設(shè)計與實施效果直接影響到學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)培育的目標(biāo)，探究性實驗設(shè)計與實施成效成為教育研究領(lǐng)域的重要話題，在教學(xué)過程中推廣探究性實驗，目的在于引導(dǎo)學(xué)生全面參與到科研活動當(dāng)中，系統(tǒng)學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本流程和規(guī)范要求；加深學(xué)生對生物學(xué)知識的理解以及實踐應(yīng)用能力；加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究意識和邏輯思維水平，在實驗過程中提高問題發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力；通過實踐活動激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

一、教學(xué)內(nèi)容分析

“探究環(huán)境因素對光合作用效率的影響”屬于人教版高中生物教材必修一第五章第四節(jié)“探索·實踐”模塊的主題。它是高中生物學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”這一部分全面闡述了生命科學(xué)中的關(guān)鍵概念和基本技能。在學(xué)生掌握了光合作用的基本理論及其運(yùn)行機(jī)制之后，教材設(shè)計了這樣的實踐項目，讓學(xué)生經(jīng)歷從方案制定到數(shù)據(jù)收集、分析再歸納結(jié)論的完整過程，從而深入理解其內(nèi)在機(jī)理[3]。這樣的實踐活動既有助于學(xué)生直觀地了解環(huán)境條件對光合作用速率的具體影響機(jī)制，又能提升他們運(yùn)用理論知識解決實際問題的能力，還能培養(yǎng)基于科學(xué)原理解決現(xiàn)實問題的綜合素養(yǎng)。

二、學(xué)情分析

高一學(xué)生已經(jīng)掌握了科學(xué)探究的基本流程，對實驗設(shè)計的原則和具體方法也有了初步的認(rèn)識。在教師的指導(dǎo)下，利用現(xiàn)有的實驗資源，可以小組合作完成實驗方案的設(shè)計，這不僅提高了學(xué)生的動手操作能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作意識和解決問題的能力。本章主要從實驗方案實施的操作步驟進(jìn)行闡述，從而實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。各個研究小組針對選定的環(huán)境變量展開探索性研究的時候，都會遭遇諸多實際難題，要想保證實驗數(shù)據(jù)的可靠程度，就要借助20瓦燈泡來精準(zhǔn)操控光照強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)黑藻的二氧化碳濃度從而探究光合作用的動態(tài)變化情況，用七色彩膜模仿不同波長光效的作用機(jī)制，而且要更新設(shè)計并改良紅墨水及輸液管道系統(tǒng)，塑造出液滴傳輸裝置，給之后的數(shù)據(jù)搜集和剖析給予技術(shù)支撐。

三、教學(xué)目標(biāo)

（一）依靠小組協(xié)作學(xué)習(xí)模式，把教師指導(dǎo)同實驗資源支撐融合起來，塑造起一套系統(tǒng)化的實驗設(shè)計與執(zhí)行架構(gòu)，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和思維品質(zhì)，從而加深他們對研究方法的認(rèn)識領(lǐng)悟和操作應(yīng)用水平。

（二）此研究借助巧妙安排起來的實驗方案，大量搜集并詳盡探究實驗數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確表現(xiàn)了種種環(huán)境要素對光合作用強(qiáng)度影響機(jī)制以及強(qiáng)度狀況，這項成果既加深了人們對光合作用基本規(guī)律的認(rèn)識，又全面解析了光合作用動態(tài)調(diào)控機(jī)理，而且給生態(tài)學(xué)及植物生理學(xué)方面研究給予了更符合科學(xué)道理的理論支撐和實踐指導(dǎo)。

（三）通過應(yīng)用探究性實驗的成果來應(yīng)對實際情境中的挑戰(zhàn)，旨在培育學(xué)生的社會責(zé)任感。

四、教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)實驗課在教師設(shè)置的真實情境中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，在分析光合作用的原理和過程之后引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)，然后小組合作設(shè)計實驗方案進(jìn)行實驗探究，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗結(jié)果得出實驗結(jié)論，并指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。教學(xué)設(shè)計思路流程圖如下圖所示：

五、實驗改進(jìn)

（一）實驗材料的選擇

教材中參考的實驗材料是菠菜、吊蘭[4]等，由于用打孔器打出圓形小葉片的過程中容易損傷葉片、用注射器很難將圓形葉片中的氣體抽空、圓形葉片上浮的速率很慢等因素，本實驗選用黑藻作為實驗材料，如下圖：

黑藻是沉水草本，葉片薄，透光度高，進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的氧氣容易釋放出來，實驗現(xiàn)象明顯。

（二）實驗方法的優(yōu)化，實驗裝置的改進(jìn)

由于黑藻葉片細(xì)小而多，產(chǎn)生的氣泡密集，數(shù)氣泡的數(shù)量很難進(jìn)行，所以我們采用液滴移動法來記錄黑藻光合作用氧氣的釋放量。

本裝置利用一次性輸液器進(jìn)行改裝，將大的針孔旁邊的支管剪掉，然后用蠟燭油進(jìn)行密封，大針孔和試管膠塞構(gòu)成一個密封裝置，材料容易獲取，而且氣密性很好，在短時間內(nèi)紅墨水液滴移動明顯。下圖是組裝好的實驗裝置圖：

（三）自變量多樣化設(shè)置下的一節(jié)課完成多環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度影響實驗

本研究把全部學(xué)生隨機(jī)劃分到幾個獨(dú)立的實驗小組當(dāng)中，然后由他們自行選擇某些環(huán)境變量開展系統(tǒng)探究。在40分鐘的教學(xué)時限里，這種做法達(dá)成多項有關(guān)環(huán)境因素的實驗高效整合[5]，這種教學(xué)模式不但大幅改進(jìn)了課堂整體運(yùn)行效率和實踐教學(xué)質(zhì)量，而且保證每一位參加者都能深入體會并全面把握光合作用外部條件及其作用機(jī)理，進(jìn)而有效地推動學(xué)生對環(huán)境科學(xué)知識的理解和綜合應(yīng)用能力的發(fā)展。

六、教學(xué)過程

（一）課前準(zhǔn)備（以學(xué)習(xí)小組為單位）

“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”實驗報告單、黑藻、20W臺燈、七色玻璃紙、 1% 和 3% 的 NaHCO₃ 溶液，清水、注射器、紅墨水、液滴移動裝置、尺子等。

（二）教學(xué)過程

1.真實情境導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生對光合作用強(qiáng)度影響因素的探究欲望。

教師創(chuàng)設(shè)情境：王叔今年承包了幾畝地用于大棚西瓜種植，本想西瓜大豐收能賣個好價錢，可沒想到西瓜產(chǎn)量低而且甜度不夠，特別苦惱。

設(shè)問1：王叔大棚里的西瓜為什么產(chǎn)量低而且甜度不夠？

設(shè)問2：影響光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素有哪些？根據(jù)光合作用的原理和過程，你能做出推理嗎？

設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生的探究熱情，復(fù)習(xí)光合作用的原理和過程，同時引導(dǎo)學(xué)生推理出可能影響光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素有哪些，為接下來的探究性實驗方案的設(shè)計做好鋪墊。

2.教師引導(dǎo)，小組合作，制定出本小組的實驗設(shè)計方案。

教師給出本實驗主要的實驗材料，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)科學(xué)探究的一般過程，以小組合作的形式完成初步的實驗設(shè)計方案，思考科學(xué)性和可行性，并進(jìn)行交流和評價。

設(shè)問：1.實驗中光合作用強(qiáng)度的大小用什么表示？2.自變量的設(shè)置方法？3.因變量的檢測方法？4.如何設(shè)置對照組和實驗組？5.無關(guān)變量如何控制？

設(shè)計意圖：通過設(shè)計實驗方案，明確本小組要探究的是哪一個環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響，為接下來的實驗操作理清思路，同時培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。

3.實施實驗、記錄實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)論。

教師指出：本實驗操作中，紅墨水和液滴移動裝置的使用是一個操作難點，可以請興趣小組的同學(xué)來作操作示范。接著學(xué)生按照小組實驗方案，分組進(jìn)行實驗操作，引導(dǎo)學(xué)生在操作過程中遇到問題，進(jìn)行表達(dá)和交流并解決問題。

學(xué)生遇到的問題可能有：1、如何利用20W臺燈創(chuàng)設(shè)不同的光照強(qiáng)度？2、如何利用七色玻璃紙去創(chuàng)設(shè)不同顏色的光源？3、軟管中的紅墨水液滴的初始位置在哪里比較合適？

學(xué)生探究的環(huán)境因素可能有光照強(qiáng)度、光質(zhì)、二氧化碳濃度等，如下圖展示的實驗裝置。

探究光照強(qiáng)度對光合作用強(qiáng)度的影響

探究光質(zhì)對光合作用強(qiáng)度的影響

探究 C0₂ 濃度對光合作用強(qiáng)度的影響

教師引導(dǎo)學(xué)生如實記錄實驗數(shù)據(jù)于下表格中，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行曲線圖的繪制。

實驗結(jié)果記錄表： （表格可以自行添加行或列）

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)表格數(shù)據(jù)和曲線圖，分析得出實驗結(jié)論，并分析實驗中出現(xiàn)誤差的原因。

設(shè)問：（1）超過一定范圍后，光照強(qiáng)度再增加，光合作用強(qiáng)度會一直增大嗎？

（2）隨著 NaHCO₃ 溶液濃度的升高，為什么光合作用強(qiáng)度是先升高后下降？

設(shè)計意圖：學(xué)生操作實驗，訓(xùn)練學(xué)生動手能力，并在實驗操作中培養(yǎng)學(xué)生思考問題和解決問題的能力；運(yùn)動數(shù)學(xué)知識對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，訓(xùn)練學(xué)生的思維能力和跨學(xué)科綜合應(yīng)用能力。

（三）拓展延伸，提升社會責(zé)任感。

實驗結(jié)束，但是探究之路遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。

設(shè)問：（1）通過本節(jié)課的實驗探究，我們可以給王叔的西瓜種植提供什么建議？

（2）本節(jié)課我們探究了光照強(qiáng)度、光質(zhì)、二氧化碳濃度對光合作用強(qiáng)度的影響？影響光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素還有哪些？你可以設(shè)計實驗進(jìn)一步探究嗎？

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)生物學(xué)知識解決實際問題，同時引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同科學(xué)探究是永無止境的，提升學(xué)生的社會責(zé)任意識。

七、教學(xué)反思

本節(jié)實驗課依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求開展，以小組為單位進(jìn)行合作探究，確定本小組的實驗設(shè)計方案，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識、科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。在實驗操作中，鼓勵學(xué)生多去嘗試，遇到問題進(jìn)行交流，從而解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的生物實驗操作素養(yǎng)和實踐能力。經(jīng)過教師的引導(dǎo)，學(xué)生能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)知識對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析得出實驗結(jié)論，訓(xùn)練學(xué)生跨學(xué)科綜合應(yīng)用能力。整節(jié)課根據(jù)科學(xué)探究的一般過程“提出問題一作出假設(shè)設(shè)計實驗——實施實驗——記錄數(shù)據(jù)得出結(jié)論評價和反思”去設(shè)計和開展，邏輯清晰，使學(xué)生深刻理解了科學(xué)探究的過程和意義，本節(jié)實驗課具備主動性、探究性、合作性、創(chuàng)新性等特點。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能運(yùn)用自己探究性實驗的結(jié)論去解決西瓜大棚種植的問題，真正做到了學(xué)以致用，把科學(xué)探究的意識延伸到課外，促進(jìn)了學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題值得探討：1.每個學(xué)生的思維能力、實驗操作能力有很大差異，在將學(xué)生進(jìn)行分組探究的時候要充分考慮每個學(xué)生的特點，進(jìn)行合理搭配，使得每個小組的探究性實驗活動能夠順利進(jìn)行。2．由于課堂時間的限制，有些小組的實驗操作中遇到的問題可能沒有全部得到解決，需要教師課后進(jìn)一步指導(dǎo)完成。3.在探究光照強(qiáng)度對光合作用強(qiáng)度影響的實驗裝置中，通過改變黑藻與光源的距離來實現(xiàn)光照強(qiáng)度的變化，但是因為實驗室條件的限制，每組只有一個20W臺燈，可能會因為前后試管的遮擋帶來部分實驗誤差。

結(jié)束語

將探究性實驗作為教學(xué)的核心元素，是有效地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心能力與素養(yǎng)的關(guān)鍵策略之一。借助“探索環(huán)境因子對光合作用效率之影響”這一項目導(dǎo)向型教學(xué)實例，顯而易見，若以核心能力培養(yǎng)為目標(biāo)，并輔以多維評估體系，則能極大激發(fā)學(xué)生的研究興趣，進(jìn)而顯著增強(qiáng)其科學(xué)推理能力的精確度與系統(tǒng)性，同時促進(jìn)他們社會責(zé)任意識的形成與發(fā)展。此研究驗證了該教學(xué)法不僅顯著提升了實驗教學(xué)的效果，還賦予了學(xué)生解決實際問題的能力，精確地響應(yīng)了新課程改革中強(qiáng)調(diào)的”教育與生活緊密結(jié)合”的核心理念。展望未來，推進(jìn)跨學(xué)科整合與傳感器技術(shù)的應(yīng)用，特別是在動態(tài)監(jiān)測植物光合作用強(qiáng)度參數(shù)方面，將引領(lǐng)探索性實驗進(jìn)入一個更加開放、全面集成的嶄新時代。從根本上講，這一進(jìn)程旨在引導(dǎo)學(xué)生由單純遵循既定實驗流程轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾饕?guī)劃實驗方案，此舉是實現(xiàn)教育目標(biāo)從側(cè)重于知識獲取到強(qiáng)調(diào)知識創(chuàng)新與實踐應(yīng)用的根本性飛躍的關(guān)鍵所在。通過這一轉(zhuǎn)變，我們的目標(biāo)是培養(yǎng)出兼具科學(xué)理性思維和人文關(guān)懷視角的現(xiàn)代人才，他們能夠不僅掌握知識，更能在實際情境中靈活運(yùn)用并持續(xù)創(chuàng)新。

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本文系珠海市教育科研規(guī)劃課題2024年度項目“核心素養(yǎng)導(dǎo)向下高中生物學(xué)探究性實驗教學(xué)設(shè)計與實踐研究\"（項目編號：2024ZHGHKT189）成果。