基于學生核心素養發展的生物實驗教學設計

張偉艷, 楊桂蘭

(1. 哈爾濱師范大學 教師教育學院, 黑龍江 哈爾濱 150025；2. 哈爾濱師范大學 教育部高校輔導員培訓與研修基地, 黑龍江 哈爾濱 150025)

21世紀以來,關于核心素養的研究已經成為國際教育界的熱點話題。2013年5月,“我國基礎教育和高等教育階段學生核心素養總體框架研究”重大項目正式啟動；2014年3月,教育部正式印發了《關于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務的意見》,文件中提出“研究制定學生發展核心素養體系和學業質量標準”；2016年3月,《中國學生發展核心素養(意見稿)》向社會公布,意見稿中列出了9大綜合素養；2016年9月,《中國學生發展核心素養》總體框架正式發布。新時代背景下生物學教學中的學生發展需求與不平衡、不充分的教學環境之間存在矛盾,教學工作需要圍繞學生、關注學生、服務學生,教師的教育供給與學生的教育需求要達到平衡,即教育教學需要滿足學生全面發展的需要。中國學生發展核心素養是以“培養全面發展的人”為核心,教育改革過程表明培養學生核心素養已成為新時期我國課程改革的核心目標。因此,教師要以核心素養為理念,在教學設計中注重培養學生的核心素養。本文以生物實驗教學為例簡單分析了在教學設計中如何融入核心素養,進而更好地落實新課程改革。

1 核心素養與學科核心素養

1.1 核心素養與學科核心素養的內涵

我國學生發展核心素養,主要是指學生應具備的、能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。中國學生發展核心素養,以 “全面發展的人”為核心,分為文化基礎、自主發展、社會參與3個方面,綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新6大素養,具體可分為18個要點,其基本內涵[1](見表1)。

表1 中國學生發展核心素養的基本內涵

不同的學者對核心素養的內涵有不同的定義,如邵朝友等人[2]認為學科核心素養是指通過學習某學科的知識與技能、思想與方法而習得的重要觀念、關鍵能力與必備品格；喻平[3]認為學科核心素養包括 “知識理解”“知識遷移”和 “知識創新”3個層面。李霞[4]認為學科核心素養是學生在各學科課程學習過程中形成的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,是我國學生發展核心素養在各學科課程中的具體體現。從以上學者對學科核心素養的分析可以看出學科核心素養需要以學科知識為載體,強調了關鍵能力與必備品格的形成。

1.2 學生核心素養與學科核心素養的關系

學科核心素養的出現容易讓人誤認為是不是培養了學科核心素養,學生的核心素養就自然地形成了,學生發展核心素養和學科核心素養到底有什么對應關系呢？辛濤[5]指出處理好二者之間的關系,不但保證了學生發展核心素養的落實,也有利于體現學科的特色與價值；如果處理得不好,可能會強化各學科的特色,造成學科和學科之間更清晰的分離,這既不符合現在國際上學科之間融合滲透的趨勢,也在客觀上將學生發展核心素養變成抽象的言詞,而非撬動課程改革深化的杠桿。

馬云鵬[6]指出學生在學校學習的全部總和并不等于學生發展核心素養,一方面,學科教學雖然是學校教育的重要組成部分,但并不是學校教育的全部,而在學校的學習也只是學生終身學習的一個階段；另一方面,學科核心素養需要具有各自學科的特征,反映各學科所應該具備的本質的內容。東北師范大學教育學部殷春陽認為在學生發展核心素養和學科核心素養的邏輯關系中,二者應該是統一的,統一于學生作為一個完整的未來發展的個體,而且學生發展核心素養應該是處于上位的,學科核心素養是在學生發展核心素養的指導下構建和完善的,而由于學科核心素養還包括其自身的學科特質的內容,可能有的內容不能與學生發展核心素養直接對應,但是,學科核心素養應該是以學生發展核心素養作為指向的。因此,目前普遍認為學科核心素養不是由學生發展核心素養分解而來,學生發展核心素養也不是學科核心素養的簡單相加。核心素養是跨學科素養,任何核心素養都不是一門單獨的學科可以完成的。任何學科都有其對于核心素養發展的共性貢獻與個性貢獻。學科的育人價值主要在于對特定核心素養的貢獻,這是需要不斷明晰化的過程。只有明晰本學科在特定核心素養形成和提升上的教育意義,揭示學科與核心素養的內在關聯,才能發現學科的獨特育人價值。

2 生物學科核心素養及組成要素

學科核心素養是學科育人價值的集中體現,是學生經過學習后形成的正確的價值觀、必備品格和關鍵能力。生物學學科核心素養由生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任構成[7](見表2)。

表2 生物學學科核心素養的內涵

3 生物實驗教學對生物學科核心素養發展的重要意義

首先,生物學課程從課程性質上來說既屬于學科課程,又屬于科學課程,也是科學學習領域中的一門重要課程。生物學課程作為科學課程,不僅要傳播科學的事實和概念,更要體現科學是一個探究的過程,因此科學探究實驗是高中生物學科的重要組成部分,這就為培養學生的科學探究素養提供了極佳素材。其次,學生在親自動手實驗過程中能深刻地體會科學探究過程并且掌握科學探究方法,同時實驗過程中形成了嚴謹的邏輯思維,通過分析實驗結果與得出結論,學生形成了相應的生命觀念。例如,探究“自然選擇對種群基因頻率變化的影響”實驗中,學生通過參與科學探究的各個環節,運用觀察法和數據分析法,直至最后探究出種群基因頻率變化的規律；學生既提升了科學探究能力,又運用了科學思維解決問題,同時形成了“進化與適應”的生命觀念。此外,除了探究性實驗外的其他實驗也能培養學生的生物學科核心素養。例如“制備真核細胞的三維空間結構模型”運用了模型與建模的方法說明了細胞在結構上是一個統一的整體,形成了科學思維；“生物體維持PH穩定的機制”的實驗可以使學生形成“穩態與平衡”的生命觀念。可見,實驗教學有利于培養學生的生物學學科核心素養。

4 核心素養引領生物實驗教學設計

4.1 教材分析

教材分析是教學設計的重要組成部分,要分析教材的地位與作用、內容與課程要求,教師需要在自己理解核心素養的基礎上挖掘教材中哪些內容可以培養學生的核心素養。首先,第一類是教材中專門設置的實驗,其中探究性實驗是最容易體現學科核心素養的素材。但書中實驗內容少,這就需要教師對書中其他資料進行挖掘,判斷能否嘗試將其設計成實驗教學。例如“細胞核——系統的控制中心”一節內容,關于功能的資料分析,是組織學生設計實驗和分析實驗的好素材,將其設計成實驗教學,組織學生設計實驗、分析實驗現象、得出實驗結論,重點讓學生感受到實驗設計的基本原則(單一變量原則、對照原則),培養學生在尊重事實與證據的基礎上運用歸納與概括等思維方法,探討細胞核的功能。同時本節課還組織學生動手制作真核細胞的三維結構模型,學生感受到細胞作為基本的生命系統,其結構復雜而精巧,學會了依據“事實和證據”運用“模型與建模”的方法來認識生命現象,有助于學生科學思維的形成。通過上面對教材的深入挖掘,體現了教材內容融合了科學探究、科學思維等核心素養。

4.2 準確設置教學目標

核心素養來自三維目標，又高于三維目標。從形成機制來講,核心素養來自三維目標,是三維目標的進一步提煉與整合,是通過系統的學科學習之后而獲得的；從表現形態來講,學科核心素養又高于三維目標,是個體在知識經濟和信息化時代,面對復雜的、不確定的情境時,綜合應用學科的知識、觀念與方法解決現實問題所表現出來的關鍵能力與必備品格。顯然,三維目標不是教學的終極目標,教學的終極目標是能力和品格[8]。從課程改革的工作推進上講,核心素養是三維目標的深化、具體化。因此,要形成核心素養,離不開三維目標,但三維目標不是終極的目標,而是核心素養形成的要素和路徑。教師在課堂中應做到為核心素養而教,在明確學科核心素養的基礎上,改進教學、優化課堂,將學科核心素養的培育具體化。

教師在設計課時及教學目標時,要以學生核心素養和學科核心素養為依據,例如,細胞核這節內容,設計如下三維教學目標:

(1) 知識目標。闡明細胞核的結構，根據資料,分析、評價、設計實驗,說出細胞核的功能。

(2) 能力目標。嘗試制作真核細胞的三維結構模型,提高動手能力、進行實驗設計、探究細胞核的功能。

(3) 情感態度價值觀目標。認同結構與功能相統一的生命觀念，體驗科學探究的方法,養成利用科學方法解決問題的習慣，通過建構模型,增強對生物學學習的熱情。

4.3 基于核心素養選擇多樣化教學方法

教學方法要依據教學內容、學生身心發展特點來選擇,在實驗教學中,需要教師發揮學生的主體地位,做學生的引導者,積極創設教學情境,培養學生合作學習和探究性學習的能力,需要教師精心選擇教學方法。

目前,教師在實驗課上大多數選擇講授與演示法,即教師講解實驗的操作步驟并進行演示,讓學生模仿操作。實際上,有些探究性實驗,教師可以直接組織學生去做,可以不局限于教材中的實驗材料,例如探究影響酶的活性條件,書中給的實驗材料是淀粉溶液和淀粉酶、過氧化氫溶液和豬肝研磨液,實際上這2組實驗材料并不理想,很多文獻中已經對該實驗進行了材料上的創新,因此教師可以嘗試組織學生進行小組討論,選擇其他材料。因此,在教學方法上教師可以嘗試注重合作探究法的運用,提升學生的創新能力、合作能力、探究能力以及科學思維能力。

此外,基于種種原因很多實驗不能組織學生去做,例如有些實驗需要經過較長時間的培養過程才能看到實驗現象,如“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗；有些實驗材料和器具的安排存在安全性問題,如“綠葉中色素的提取和分離實驗”中層析液成分“苯”有劇毒[9]。對于學生無法親自動手操作的實驗,教師可以將現代化科學技術運用到教學中,例如恰當運用虛擬仿真實驗技術、“互聯網+”技術等,可以為學生提供寬松的實驗空間,從而彌補理論課堂上的不足[10]。

4.4 巧設探究性實驗,發展學生生物學學科核心素養

在學科教學中,要遵循教育教學的基本原則和要求,基于學科核心素養精心設計教學過程[11]。生物學實驗有助于學生的科學探究能力及動手能力的提升,基于課時及條件的限制,大多數學校很難做到將教材中的實驗一一做完,但實驗教學并不意味著必須親自動手實驗,教師可以利用書中的科學史資料將其設計成探究實驗,進而使學生感受科學探究的一般步驟與方法,學生通過提出問題、做出假設、設計實驗,體會科學探究的嚴謹性與科學性,而實驗過程可以通過動畫模擬操作過程,最后通過分析實驗結果得出結論。

在細胞核一節中,將傘藻的嫁接與核移植實驗設計成探究性實驗。首先介紹傘藻特點(單細胞生物、易操作、再生能力強及傘藻的不同類型),然后引導學生設計實驗,探究“傘藻形狀是由假根控制還是傘柄控制”,基于前面的實驗基礎理論,學生可以設計出實驗方案,接著需要教師引導學生分析實驗方案(實驗的自變量是誰——傘柄和假根的組合方式,實驗中有對照嗎？屬于什么類型的對照？——將不同類型傘藻的傘柄與假根嫁接,其中2個均為實驗組,因此屬于相互對照),之后教師采用動畫方式展示實驗結果,讓學生說出實驗結論,結論的得出一定讓學生去概括總結,這樣可以很好地提升學生的理性思維。核移植實驗的引出也可以培養學生的思維能力,例如通過實驗現象,教師認為傘帽的形狀是由細胞核控制的,學生通過思考會想到:假根中不僅有細胞核還有其他物質,教師這樣的結論是不正確的。可見,這里可以鼓勵學生勇于質疑,同時也能提升學生的思維能力。接著教師提問學生,“傘帽的形狀是由假根中的細胞核控制的還是其他物質控制的”,學生可以提出假設,并且設計出核移植實驗。可以看出,將傘藻的嫁接實驗和傘藻的核移植實驗巧妙地設計成探究性實驗以后,學生感受到了科學探究的嚴謹性,掌握了科學探究的一般步驟,進而提升了學生的科學探究能力,形成了理性思維等生物學科核心素養。

5 結語

發展學生的核心素養是國內外基礎教育改革與發展的重難點[12]。鐘啟泉教授認為,核心素養是當今國際教育界的潮流,“核心素養—課程標準(學科素養/跨學科素養)—單元設計—課時計劃”，這是環環相扣的教師教育活動的基本環節[13]。教師將核心素養融入實驗教學設計,進而融入生物實驗教學,不僅有利于學生實驗技能的提升,同時培養了學生的學科核心素養,對新課程改革下的生物實驗教學改革有著重要意義。