從體驗走向創造的高中生物學實驗教學探索

龔雷雨 （無錫市教育科學研究院 江蘇無錫 214001）

陳廷華 （無錫市輔仁高級中學 江蘇無錫 214123）

生物學是研究生命現象和生命運動規律的科學，觀察和實驗是研究生命科學的基本方法。高中學生通過生物課的學習，不僅要獲得關于生命活動規律的基本知識，而且要在科學方法、科學能力、科學態度、科學精神、創新意識等方面得到發展。生物學實驗教學既是中學生物學教學的重要內容，也是一種有效的教學手段。生物學實驗教學的質量直接關系生物學教學的質量。

十多年來，筆者在生物學實驗教學變革方面作了初步的探索與實踐，努力促進場域之變，實現理念之變，試圖追尋質性之變：在教學目標上，從育分走向育人；在教學過程上，從體驗走向創造。

1 見證：高中生物學實驗教學之變

1.1 場域之變：從傳統實驗室走向現代實驗室、從校內課堂走向科研院所

基于課程基地建設之需，筆者對傳統實驗室進行了改造，基于課程實施的需要，深度整合和開發本土資源，從設施環境、科研環境、實踐環境三個方面著手，構建科學探究實踐平臺，凸顯生物學科實驗教學的體驗性、實踐性、開放性和創新性。共新建12個功能實驗室，如數碼互動顯微實驗室、生物工程技術實驗室、分子生物學實驗室、微生物實驗室、植物組織培養實驗室等，成為實驗教學活動的主場地。

為密切與科研、生產、生活的聯系，還與江南大學、南京農業大學、中國水科院淡水漁業研究中心等簽約，共建“校外科學探究實踐基地”，充分利用高校和科研院所的實驗設施和智力資源優勢，在教授、專家的直接指導下，開展適合高中生進行探究實踐的課題和項目。在無錫市農業委員會等單位的支持下，定期組織師生參觀現代農業示范園、特種動物養殖基地等10多個實習點，直面生物科技的日新月異，感受生命科學的無限魅力。

1.2 理念之變：從驗證性實驗到探究性實驗

驗證性實驗和探究性實驗的教學目標和教學重點有所不同。前者強調演示和證明科學內容的活動，分離科學知識與科學過程；后者強調獲取知識的方法和能力，在激發學生的好奇心和求知欲以及培養科學探究能力方面有優勢。在驗證性實驗的基礎上，筆者增設探究性內容，對學生綜合能力的培養將大有裨益。

以“葉綠體中色素的提取和分離”為例。在常規教學中，多數教師將實驗是作為驗證性實驗處理的，探究意味不足。那么，如何增加其探究性呢？

教學中，教師可引導學生思考：德國植物學家薩克斯在探究光合作用產物的實驗過程中，需要將葉片置于酒精中水浴加熱，對葉片進行脫色，對提取色素有什么啟發？這說明溫度對提取色素有較大的影響，如何研究？

因此，教師可引導學生設計有探究價值的系列實驗：

①探究不同溫度條件下的菠菜葉中色素的提取，可設置30℃、50℃、70℃、90℃溫度組，加熱4 min（理由待定）。

②探究加熱時間對菠菜葉中色素的提取的影響，可設置加熱時間分別為2、3、4、5、6 min的實驗組，溫度為70℃（理由待定）。

③探究水浴法與研磨法對菠菜葉中色素的提取的影響，菠菜葉片剪碎，加入10 mL無水乙醇，70℃中水浴加熱4 min，按教材描述方法進行研磨、過濾等操作。

上課時，學生進行分組實驗，分工研究，最后總結各組實驗的結果，得出提取色素適宜的加熱溫度、時間和提取方法。

1.3 質性之變：從學科實驗到科學實驗、從科學教育到科學實踐

說“從學科實驗到科學實驗”，其本意是強調綜合性。各地高中生物學教學越來越重視科學本質教育，非常重視讓學生體驗科學研究的過程和方法?！翱茖W”本質上是一種科學探究活動，在生物學實驗教學創新中，依照《普通高中生物學課程標準（2017年版）》，通過對高中生物學核心教學內容的重新梳理和整合，完成了以實驗為載體的高中生物學核心教學內容的模塊重構；通過豐富多彩的實驗、實習和科學探究活動，實現了生物學實驗教學直觀化、體驗化和生活化，讓學生在實際生活情境中去感受、體驗并應用實踐，從而發現知識，理解知識，掌握知識，直至解決問題；引導學生在做中學、在學中做，促進學生形成理解、體驗、反思和創造等不同方式的整合；讓學生從身邊所見所聞中找到生活的亮點、知識的立點乃至人生的支點，實現知識與技能、過程與方法以及情感態度與價值觀的整合，為學生的興趣、愛好、特長、專業、職業發展奠定良好的基礎。

說“從科學教育到科學實踐”，其本意是強調實踐性。為滿足學生種植實踐需要，教師在校園沿河走廊開辟了作物栽培實踐園和淡水養殖池塘。學生得以親手種植豌豆、小麥、玉米等10多種植物，開展經典雜交實驗，體驗孟德爾等科學家的科學探究歷程。為滿足學生調查和實習之需，教師還在近在咫尺的金城灣公園、長廣溪濕地、太湖藍藻治理站均設有“生物多樣性實踐基地”，供學生實地體驗種群、群落、生態系統特征，考察區域生態工程。

2 追尋：從體驗走向創造的高中生物學實驗教學

2.1 實驗教學功能的回歸

高中生物教材幾乎每一節都涉及實驗。在核心素養視域下，實驗教學不只是傳統意義上的“實驗課”，而是要把實驗融入到每節課的具體教學過程中，充分挖掘實驗教學功能，讓實驗成為落實科學本質教育的重要手段，培養學生科學探究能力，提升學生科學素養；讓實驗成為知識呈現的良好載體，促進學生強化直觀體驗、轉變學習方式、培養學習興趣、提高學習效能。

以“降低化學反應活化能的酶”一節為例?！敖档突瘜W反應活化能的酶”是學生在高中首次接觸酶學知識，也是高中教材首次涉及對照實驗。本節課的教學難點是：酶能顯著降低化學反應活化能以及控制變量的科學方法?；怆y點的有效方法之一是：聯系生活實際，用實驗引領教學，在實驗中學習，在學習中引申。基于上述思路和分析，筆者所設計并實施教學流程如下：

①強化實驗結果的分析，實現概念教學直觀化。本節課安排在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗之后，教師先呈現一些重要概念。如什么是對照實驗？對照實驗應遵循哪些原則？什么是自變量？什么是因變量？什么是無關變量？這些概念如果不放到具體的實驗中學習，不僅枯燥、難以理解，而且也會失去這些概念本身的意義——體現實驗原理，便于人們科學設計實驗。在實際教學中，學生完成本實驗操作并不困難，效果也很明顯，因此更有興趣學習。但學生只是動手完成實驗，并不能體會到實驗設計的原理，對上述概念也只是模糊的認識。教師只有引導學生強化對實驗結果的討論和分析，才能使學生從親身操作和直觀數據中領會以上概念的內涵。為此，教師指導學生實時記錄實驗步驟及實驗現象，引導學生分析討論，及時給出自變量、因變量和無關變量的概念。這樣，學生就不覺得這些概念生硬和抽象了。以上對實驗結果的分析緊扣實驗操作，利用一張實驗數據記錄表，使步驟、現象、變量控制一目了然。學生在實驗分析中逐步理解概念，在直觀體驗中體會實驗設計的原則，再用概念和原則指導實驗設計和分析，較快地提高分析能力和實驗設計能力。

②用實驗實現課堂教學的有效過渡，構建符合學生思維特點的知識體系。教學內容間的過渡是課堂教學中的“節點”。設計科學合理的有效過渡方式可以充分體現教學內容之間內在的聯系，使學生清晰地理解知識體系，使整個教學內容渾然一體。有效過渡方式需要根據教學內容的特點確定。生物科學以及眾多自然科學的事實和理論都是在人們堅持不懈的實驗研究中逐步發展起來的，用實驗推進教學內容，符合人們對客觀事實的認知規律，有利于培養學生在實踐體驗中認識事物、獨立分析判斷和獲取新知識的意識和能力，有利于學生完整理解知識結構，構建知識體系。

③讓科學史中的經典實驗與現實中的家常實驗相碰撞，激發學生思維的火花。在生物科學的發展史中，許多重大發現往往都經歷過從不完善到逐步完善的過程，科學就是在不斷地探索和爭論中前進的，關于酶本質的探索也不例外。教學中，教師要注重對當年科學家的思維過程和研究方法進行提煉和整合，并把現實的學生實驗與科學史的經典實驗相對照，體驗實驗創新的樂趣。

實驗結束后，教師再引導學生重新審視今天所做的實驗：過氧化氫酶的本質是什么？為什么用90℃的肝臟研磨液進行實驗沒有明顯現象？你能用實驗的方法探究洗衣粉中酶的化學成分嗎？從而呼應本節課的學習內容，完善實驗方法，使學生充分體驗用實驗方法解決生物學問題的樂趣。

當然，實驗對課堂教學的引領作用不僅于此。如果教師真正把實驗融入到教學程序中去，實現概念教學實驗化、實驗內容生活化、學生學習自主化，就可以有效促進教與學方式的變革，促進學生的深度學習。

2.2 從體驗走向創造

衡量學校辦學質量和內涵，應從更大的樣本和更長的周期中，看是否促進了全體學生的品格修行、學業進步和審美情趣，看學生對社會的貢獻、責任的擔當。

科學探究活動以實驗探究為主體，具有鮮明的學科特色，為學生創設了真實、優質、先進、生動的學習環境和科研氛圍，不僅實現了重點、難點知識的實驗化、直觀化教學，而且較易培養學生學科情感、學科精神、學科志向，促進了學生科學素養和綜合能力的快速提升，實現了育人模式的根本轉型。

首先，科學實驗通常需要多次重復，很枯燥、繁瑣和艱辛。大多數學生不怕苦，不怕煩，不怕累，不怕失敗，養成了吃苦耐勞、不怕困難、堅持到底的意志品質。例如，做太湖水環境質量監測，為了采集到代表不同地段的水樣，項目組的學生沿著湖邊草叢來回步行十多公里，多次采樣，多次測定。無論是對于技術的學習，還是對于專家的指導，他們都抱著認真的態度和積極的心態。為了完成實驗研究又不耽誤正常的課程學習，他們放棄了好多個節假日，利用點滴時間完成連續的實驗觀察和數據記錄等。為擠出時間開展課題研究，他們經?？忻姘⒊耘菝?，把排隊吃飯的時間省下來，并在努力提高作業質量和復習品質上下功夫?！稛o錫日報》在報道學生問鼎“2014全球青少年領袖論壇無錫峰會”時，以“中學生啃面包啃出最佳團隊獎”為題，對學生吃苦耐勞精神予以充分肯定。

其次，認真對待實驗過程的每一個細節，做到嚴謹細致、求真務實、實事求是，形成了優秀的科研素養。實驗中一個準確數據的獲得往往要經歷多次的失敗，學生集思廣益、積極思維、勇于創新，巧妙地解決科研難題，形成了強烈的創新意識。實驗中，每一項研究都會涉及數據的統計和分析，在對所測得的實驗數據進行分析的過程中，學生學會了科學統計的方法，比如對計算的結果進行了線性回歸分析T-stat檢驗——一種類似于求數據方差的檢驗方法，以證明實驗結果的非隨機性和可靠性，確保整個實驗的嚴謹科學。再如，為了解決后期某些數據統計相對繁瑣的難題，學生會利用數學基礎和生物學理論編制簡便的計算公式。另外，課題組成員通過改進測定湖水透明度的黑白盤，巧妙地解決風大浪急等不利因素給現場測定帶來的影響等。

第三，自始至終做到分工有序、群策群力、團隊協作，體現了良好的團隊合作意識。以問卷調查為例，從問卷的設計、發放、回收直至數據的統計，需要大量的人力精力，走上街頭做問卷調查需要針對不同人群，需要有足夠的耐心、一定的毅力和心理承受力。學生根據自身性格特長，分工協作，還吸引了學校志愿者服務社的成員參加，充分體現了團隊合作精神。

事實上，這些優秀的科研品質和素養在傳統的課程以及平時的課堂中很難培養，而這些關鍵能力和必備品格恰恰能使學生終身受益，也正是中國學生發展核心素養之核心要義。

傳統的理科教育中，學習的知識過于結構化，學習過程亦是精心設計的線性流水線，其中流淌的還是科學結論和簡單邏輯，學生的思想得不到表達，批判性思維和創造性思維嚴重缺失。實驗教學的應試化、探究性教學的形式化，使教學過程停留在體驗層次，學生體驗的實質不過還是“旁觀者”，而不是真正的主人。當學生沒有以“學習的主人”身份進入學習時，就不可能發生專注與深刻、批判與創新的學習，也就沒有直抵科學本質的深度理解和自主建構，就沒有發現問題和解決問題的責任擔當和智能發展。因此，教師要努力從體驗走向創造。