基于科學探究的高中生物實驗教學探索

曹冬林

生物學是一門實驗科學，任何生物學結(jié)論和規(guī)律都是以實驗為基礎(chǔ)而得出的。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）提出科學探究等核心素養(yǎng)很好地體現(xiàn)了生物學科的本質(zhì)。那么，在高中生物學實驗教學中如何使科學探究核心素養(yǎng)落地？下面就此展開探索。

1 關(guān)于科學探究的核心素養(yǎng)

生物學學科核心素養(yǎng)是學生后天習得的終身受益成果，是公民基本素養(yǎng)的重要組成之一，是學生在解決真實情境中的生物學問題時所表現(xiàn)出來的必備品格和關(guān)鍵能力。生物學學科核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。科學探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及結(jié)果的交流與討論的能力。生物學實驗是發(fā)展學生科學探究素養(yǎng)的最直接、最有效途徑。但現(xiàn)階段的生物學實驗仍習慣以學科知識教學為重心，對科學探究素養(yǎng)不重視，很多實驗只強調(diào)一般探究環(huán)節(jié)，使得實驗教學不能具體而明確地體現(xiàn)科學探究能力，嚴重阻礙了學生科學探究核心素養(yǎng)的發(fā)展。科學探究能力是指從科學探究過程中發(fā)掘的、以心智技能為中心的特殊技能，也是學生在探究學習過程中必須學習和掌握的基本技能。

2 在高中生物實驗教學中進行科學探究的探索

2.1 精化問題情境，激發(fā)科學探究的意識

生物學教師要想提升學生的科學探究核心素養(yǎng)，首先要培養(yǎng)學生的探究意識。只有激發(fā)學生的探究潛能和欲望，才能充分發(fā)揮學生的主觀能動性。教師在教學的過程中要根據(jù)學生的實際學習情況，找到學生的最近發(fā)展區(qū)，然后按照相關(guān)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)聯(lián)性的問題情境，以此為載體展開課堂教學，并將其貫穿到教學活動中的各個環(huán)節(jié)。在實驗教學過程中，教師可將教學目標設(shè)計成帶有內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)的、貼近學生認知水平的問題串。教師要巧借問題串，激發(fā)學生的求知欲，挖掘?qū)W生的探究潛能，讓學生能夠因此產(chǎn)生積極的情感體驗和濃厚的學習興趣。基于這種情感體驗和興趣基礎(chǔ)，學生能在在求知中獲得樂趣，在快樂中收獲新知，促進科學探究素養(yǎng)的形成。

例如，在“觀察葉綠體”實驗教學之前，教師要使學生先弄清楚觀察的內(nèi)容、觀察胞質(zhì)環(huán)流現(xiàn)象的方式，再進一步探究加強胞質(zhì)環(huán)流現(xiàn)象的措施。這樣可使學生先明確實驗目的的實驗活動，再進行細致地、有目標地去進行觀察活動，并進一步完成探究過程，從而培養(yǎng)觀察和實踐能力。另外，教師還可利用問題串，拓展學生科學探究的深度和廣度，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。再根據(jù)教學實際情況進行大膽的實踐和創(chuàng)新，驅(qū)動學生進行主動探究和主動思考。這樣不僅可以將學生的問題意識激發(fā)出來，還拓展學生思維的廣度和深度。

2.2 優(yōu)化教學方法，誘導學生進行科學探究

實驗教學的方法選取得當?shù)脑挘瑢⒂兄趯W生獲取科學探究的方法，如果沒有一定的科學探究的方法，科學探究將無從談起。在實驗教學過程中，教師選擇適宜的教學方法，如角色扮演教學法、互動游戲式教學法、構(gòu)建物理模型教學法等，不僅可以活躍課堂氣氛，突出學生的主體地位，還能優(yōu)化學生的科學探究方法，增強學生的科學探究素養(yǎng)。

首先，教師要指導學生了解和掌握探究方法。讓學生能夠了解和掌握科學探究的一般方法是探究性學習實施的一個重要目標。一般來說，科學探究主的方法主要包括綜合、分析、判斷、推理等和獲取信息、收集證據(jù)、調(diào)查、實驗、觀察等思維方法。教師只有先讓學生掌握探究學習的方法，才能調(diào)動學生的學習積極性，讓學生的學習態(tài)度由要我學轉(zhuǎn)變?yōu)槲乙獙W，從學會轉(zhuǎn)變?yōu)闀W。

例如，在“酶”一節(jié)課的教學中，通過設(shè)計實驗方案并探究淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用、探究pH對過氧化氫酶的影響、探究溫度對唾液淀粉酶的影響，從而提出確定酶的最適溫度和最適pH的方法。在對已有實驗結(jié)果和結(jié)論的進行歸納總結(jié)基礎(chǔ)上，學生進一步開展實驗設(shè)計并進行實驗探究，使自己的科學探究方法在科學探究過程中得到進一步提升和改善。

2.3 深化實驗內(nèi)容，拓展科學探究的渠道

在實際實驗教學過程中，生物學教師可以根據(jù)教學內(nèi)容開展一些拓展式的探究性實驗，給學生提供一個能夠合作、交流、動腦思考以及探究創(chuàng)新的平臺和空間，進一步激發(fā)學生的科學探究欲，促進學生的主動地進行科學探究。更重要的是，生物實驗教學具有較強的實踐性，學生在實驗的過程中不僅要動腦還要動手，在動手的過程中可以加強對一些理論知識的認識，而且實踐能力也因此得到有效的提升。

在進行“觀察洋蔥表皮細胞質(zhì)壁分離以及質(zhì)壁分離復原”實驗內(nèi)容的教學時，筆者先帶領(lǐng)學生做一個演示性的實驗。在達到教學目標以后，教師可以根據(jù)教學內(nèi)容和學生的實際情況，引導學生向探究的方向逐步邁進：①實驗操作方法是否有可以進一步簡化，以實現(xiàn)實驗效率的提高？②除了蔗糖溶液，是否可以使用其他的試劑？③實驗是否只能用洋蔥的紫色外表皮細胞？換做其他的植物細胞能否可以？學生帶著這些問題，設(shè)計和探索實驗。學生經(jīng)過探討、實踐和思考之后，得出如下的結(jié)論：①可以進一步簡化實驗操作，如直接掀開蓋玻片，滴加蔗糖溶液。這樣既可以省略幾次重復滴加試劑以及利用吸水吸紙吸引的步驟，縮短操作時間，又可以防止實驗操作者因為操作不當而對顯微鏡造成污染。②蔗糖溶液有較強的黏性，容易對顯微鏡造成污染。該實驗可以使用其他的試劑如KN03代替。KN03使用過程中還省略了給植物細胞滴加清水的步驟而發(fā)生自動質(zhì)壁分離復原。③除了使用洋蔥外表皮細胞作為實驗對象，還可以使用其他的植物細胞。這種基于課本實驗、適度拓展實驗、提出新的實驗問題、讓學生進行新的實驗設(shè)計和實施的探究過程使學生的科學探究能力得到了培養(yǎng)和提升。

2.4 細化實驗目標，落實科學探究素養(yǎng)

《新課標》對學生生物實驗技能方面只給出了描述性的指導原則，沒有根據(jù)學生的認知水平和規(guī)律進行具體化。目前還未有太多研究對學生實驗技能訓練和發(fā)展的目標進行全面提煉和整理，并形成相應的目標體系。筆者以“基于方法觀傳授知識、基于過程觀培養(yǎng)能力、基于綜合性提高創(chuàng)新意識”為實驗教學理念，構(gòu)建了“一條主線、三個層次”的實驗教學目標新體系，以能力培養(yǎng)為主線，從基本技能訓練、綜合探究實驗和創(chuàng)新設(shè)計實驗三個層次實施實驗教學，從而提高學生實踐能力和創(chuàng)新能力。

只有細化實驗教學的目標，才能科學地進行生物實驗教學的設(shè)計。因此根據(jù)《新課標》，結(jié)合生物實驗教學的實際，教師全面地整理和細化了實驗教學目標，形成我校生物實驗教學的三維目標體系。知識目標強調(diào)的是知識的基礎(chǔ)性、綜合性、應用性;能力目標著重培養(yǎng)學生的提出問題的能力、獲取信息的能力、探究能力和創(chuàng)新能力;情感領(lǐng)域目標則注重科學價值、科學態(tài)度等的培養(yǎng)。

2.5 量化實驗評價，保障科學探究的落地

實驗探究的目的并不在于全班得到統(tǒng)一的實驗結(jié)果，而重在使學生真正參與探究過程，讓學生懂得科學的探究方法，讓他們的創(chuàng)新意識得到發(fā)揮。在“交流評價”環(huán)節(jié)比普通的實驗多一個交流模塊，一般有2個交流模塊：一個模塊放在實驗前，交流個人提出探究問題及設(shè)計的實驗方案，重點評價學生能否提出值得探究的問題，并進行猜想和假設(shè);另一個則放在實驗操作之后，對實驗結(jié)果的分析交流以及對實驗中的各種特異情況作進一步的探究。評價以激勵性評價為主，重點評價學生：能否獨立正確地完成實驗操作方法：能否科學地觀察實驗現(xiàn)象，如實地記錄實驗的數(shù)據(jù)：能否對實驗現(xiàn)象或收集到的實驗數(shù)據(jù)進行分析、歸納或概括出實驗的結(jié)論;能否與他人交流成果且有所獲益等。另外還設(shè)置了成果展示欄，對學生的優(yōu)秀實驗報告、課外實驗探究、創(chuàng)新實驗設(shè)計、研究性成果進行展示匯報，讓學生感受和分享成功的快樂，更激發(fā)他們參與實驗的熱情和參與實驗探究的激情。

實驗中有很多現(xiàn)象并不象預設(shè)的一樣。對新生成的實驗問題，學生不能根據(jù)現(xiàn)象作出結(jié)論判斷。教師通過交流評價環(huán)節(jié)，引導學生展開激烈的討論。每一個學生都參與實驗分析，通過層層分析、步步推進，逐步深入對問題的認識，然后提出新問題，并且自主設(shè)計新的實驗進一步探究解決，作出合理解釋。例如，有一組學生在探究用淀粉酶探究pH對酶活性影響時，觀察到淀粉酶在堿性條件下溶液遇碘不變藍。實驗出現(xiàn)的“意外”是否說明“淀粉酶在堿性條件下活性很高”呢？該組學生為了找出原因，積極展開了進一步的探究。首先，學生根據(jù)實驗結(jié)果溶液不變藍，提出第一個新的設(shè)想：“試管中的淀粉被完全分解了嗎？”他們改用斐林試劑檢測，并沒有觀察到磚紅色沉淀，得出結(jié)論：“淀粉沒有被分解”。那么，什么原因阻止了淀粉和碘液的顯色反應呢？考慮到加HCI與加NaOH實驗組之間唯一區(qū)別在于pH不同，該組學生提出第二個設(shè)想：“碘液在堿性條件下可以和淀粉反應？”他們先往該試管的溶液中加入1 mL的HCl溶液用以中和NaOH溶液，再滴加碘液，此時溶液變?yōu)樯钏{色。于是，實驗出現(xiàn)“意外”的原因終于大白了，是檢測的試劑選擇不當，碘液會與NaOH反應，本實驗應該選擇斐林試劑進行檢測比較合適。

又如，在進行“光合色素的提取與分離”實驗教學時，除了按教材中的學生分組實驗展開教學外，還在生物學科教室中讓學生分組自行選擇實驗課題和設(shè)計實驗方案，進行深度評價。實驗課題有：光合作用真的離不開葉綠素嗎？植物葉片在生長過程中色素種類和含量會變化嗎？不同植物葉片所含色素種類和含量有區(qū)別嗎、綠葉為什么變黃？……在學生實驗的過程中，教師用攝像機或手機拍攝和采集學生創(chuàng)新或不當?shù)膶嶒灧椒ê筒僮鬟^程，作為分析評價的內(nèi)容。通過電腦和投影儀向全班學生展示所拍攝的實驗過程錄像，組織評價和探討下列實驗操作是否恰當：在充分研磨葉片之后，立即加入CaCO3;把10 mL無水乙醇一次性加入研缽進行研磨;沿鉛筆線連續(xù)多次畫濾液細線;用100 mL量筒而未用10 mL量筒量取無水乙醇;層析時讓層析液沒及濾紙條上的濾液細線，等等。

這種評價比單純通過紙筆測試更能反映學生在實驗過程中的問題，并通過評價有效地促進學生的反思，以進一步提升學生的實驗探究能力。大量研究表明，學生學習的重要收獲來源于經(jīng)常向?qū)W生提供有關(guān)他們學習的反饋，尤其是當反饋包含了可以引導學生不斷努力的具體意見時，而不僅僅是學習結(jié)果。當評價關(guān)注學生的學習過程而非最終成果時，評價就會極大地促進學生的學習。在科學探究過程中發(fā)揮評價的“牛鼻子”作用，對探究過程進行引導，使評價從“對學習的評價”轉(zhuǎn)向“為學習的評價”引導學生自主學習，促進提升學生的反思。在科學探究過程中，設(shè)計好評價量規(guī)是使得科學探究落到實處的絕佳選擇。

3 反思

作為生物學學科核心素養(yǎng)的內(nèi)容之一的科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)對教師和課堂教學提出了新挑戰(zhàn)。生物學教師需要改變固有的實驗教學認知和教學行為，承載科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)的任務與目標。這個調(diào)整需要有一個較長的過程。教師需要通過轉(zhuǎn)變課堂教學方式，充分挖掘?qū)W生在科學探究素養(yǎng)方面的潛能，使科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)過程更多地轉(zhuǎn)變?yōu)橥诰颉⑴囵B(yǎng)與提升三位一體的綜合過程。這種過程的完成對教師提出了更高要求。高中生物學教師要心懷核心素養(yǎng)的理念，在實驗教學中不斷探索，腳踏實地，立足課堂。

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