高中生物探究性實驗開放式教學模式的探索與研究

張媛

（北京市第十三中學，北京 100009）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》之實施建議中明確指出，加強和完善生物學實驗教學。高中生物教學過程中，引導學生能夠對實驗中的知識進行遷移、靈活運用非常重要。開放式教學模式應運而生，突破傳統教學模式羈絆，注重學生科學態度、創新精神和實踐探究能力的培養。通過開放式教學模式的實施引導學生積極主動的參與教學活動，全面實現學生教學主體性和主觀能動性的有效發揮，為學生生物綜合能力和素養的提升奠定堅實基礎。因此，對高中生物學開放式探究性實驗教學模式的內涵、維度、意義及其影響因素的可行性等問題進行探討，有一定的現實意義。

1 高中生物探究性實驗開放式教學模式的內涵

開放式實驗教學是教學改革過程中產生的一種新型的實驗教學模式，以布魯納的結構主義發現學習理論和霍華德·加德納的多元智能理論為基礎，強調突出開放的實驗教學環境中，以學生為教學的中心。在實驗教學開展過程中，給予學生充分自主權，讓學生能夠根據自己的興趣愛好和能力水平，選擇適合學生自己的實驗課題。通過設立探究實驗目標，采取問題驅動的方式，自主設計實驗方案（包括步驟及實施過程），在教師的引導和點撥下，有目的地開放實驗資源，增強生物實驗教學的自主和處理能力、批判思維能力、分析和解決問題的能力，達到探究性實驗教學目標的要求，強調自我學習的過程，獨立完成生物實驗，突出倡導探究教學模式，體現鮮明的科學色彩和探究學習理念，培養學生創新思維，發展學生解決問題和創造能力。

本課題中高中生物探究性實驗開放式教學是指以本校生化分子實驗室為實踐平臺，以高一年級為主體，施行導師制度，在完成常規生物實驗教學任務前提下，督促學生通過主動查閱背景資料、理解實驗原理、討論并預設實驗方案、進行實驗并同步分析實驗及隨時進行生生交流和師生交流等有效途徑，獲取科學知識，領悟核心概念，形成自己的觀點，發表自己看法，達到探究性實驗教學目標的要求，強調自我學習的創新性思維。

2 開放式教學模式在生物實驗教學中發展歷程及現狀

“開放式教學”是近現代教育改革中逐漸發展的，最初起始于人本主義教學理論中“課堂討論模型”和“開放課堂模型”以及建構主義的教學模式。20世紀70年代日本學者在《日本課堂活動中的開放式數學教學》報告中主張對教學思想和教學行動進行開放。從美國的開放式教學模式的發展歷程來看，該模式主要目標在于培養學生的探究精神，使學生注重探究過程，發展學生解決問題的能力和創造能力。在美國高中課程選修中，約有2/3的學生選擇生物學。我國生物學科開放式教學模式的研究和應用相對滯后，至今已有接近百種教學模式被高中生物教學借鑒和發展。2009年由北京大學、浙江大學等學校共同承擔的高等教育教學專題題目“高等學校開放式創新性實驗教學體系的研究與實踐”，在160余所高校共同參與下完成驗收，系統論述了關于開放式教學在高校實驗教學中應用的各方面問題，成為開放式教學在實驗教學中應用研究的標志性成果。對高中生物探究性實驗教學模式的研究在中國還屬于探索階段，尚未形成一個比較完整的理論體系。2011年，《重視開放式實驗教學提高學生綜合能力》一文主張開放式實驗教學要從教學的各個環節入手，變革傳統實驗教學方法，突出學生主體性，把實驗教學和學生發展的需要緊密聯系起來。2012年主張開放式教學模式在高中生物實驗教學中，對生物實驗內容的開放，圍繞實驗內容的開放對實驗教學中涉及的教學方法、教學時間和空間等要素調整和優化，達到提高實驗教學效果的目的。宋國利等研究者指出開放式實驗教學模式中實驗課程模塊化和項目層次化是開放式實驗教學模式的主要內涵。對高中生物探究性實驗開放式教學模式的研究在中國還屬于探索階段，通過高中生調查數據的整理、分析開放式教學模式對生物學習成績的影響及相關因素的分析尚屬空白。

3 開放式教學在高中生物探究性實驗教學中的開展與實施

3.1 高中生物探究性實驗開放式教學模式的探索與研究的目標

本研究利用統計軟件SPSS25.0，運用主成分分析的方法，對高一年級學生進行了開放式教學模式相關因素及對成績的影響進行了系統分析，為提高探究性實驗教學質量及提高學生生物素養提供基礎依據。在探究性實驗開放式教學模式下，相關因素對學生生物成績的影響，不僅反映出學生牢固掌握生物知識的程度，還能反映出培養學生良好思維方式和學習能力。

3.2 主成分分析過程

3.2 .1主成分分析的基本思路及原理

主成分分析是降維，在損失極少信息的前提下，將多個指標轉化為幾個綜合指標的多元統計方法。將多個自變量通過線性變換以選出較少重要變量的一種方法。主成分分析的思想是將原來眾多具有一定相關性的變量，重新組合成一組新的互相無關的綜合指標來代替原來的指標。它借助一個正交變換，將其分量相關的原隨機向量轉化成其分量不相關的新隨機向量。

3.2 .2主成分分析的數學模型

設有n個樣本, 每個樣本觀測p項指標 (變量) :X, X, ……, X, 得到原始數據資料陣：

其中X=(xx…x)′，I=1,2,…,p

用數據矩陣X的p個向量X, X, …, X, 作線性組合為:

F=aX+aX+…+aX, i=1, …, p, 其中X是n維向量, 所以F也是n維向量。其中a，a， ……，a（i，……，m）為X的協方差陣∑的特征值對應的特征向量，X，X，……，Xp是原始變量經過標準化處理的值。

4 影響學生生物成績的10個指標相關性分析

以本校高一年級222名學生作為調查對象，進行高中生物開放式探究性實驗教學情況調查，有效樣本為216人。原始數據來自兩部分：一是來自《高中生物開放式探究性實驗教學情況調查問卷》的數據，參照相關指標設計該問卷調查，希望此調查結果為今后高中生物開放式探究性實驗教學模式的探索和發展提供實踐參考。本問卷采取匿名的方式，由高一的同學們親自完成問卷填寫。問題既有單項選擇題，也有多項選擇題。二是來自2019年高一年級生物期中考試成績表。文中所有數據處理與分析均在SPSS25.0中進行。

4.1 高中生物開放式探究性實驗教學情況調查問卷結構指標

本文所選取調查選項來自高一年級生物任課教師提供的資料，經生物教研組骨干教師研討匯總，總結選取了10個指標，每個指標用X～X表示，具體如下：

X——你認為高中生物探究性實驗“開放式”教學模式的內涵是什么？

X——你認為下面哪項屬于高中生物探究性實驗“開放式”教學模式的重要要素？

X——與“開放式”教學有關的教學因素有哪些？

X——高中生物開放式探究性實驗教學的主要內容，應包括哪些？

X——“開放式”實驗教學的方法包括哪些？

X——你愿意運用已有知識選擇或提出探究項目、設計實驗方案、組織實驗器材、安裝調試、排除故障、觀察現象、分析數據、獲得結論嗎？

X——生物探究性實驗教學有利于學生和老師哪方面提升？

X——生物實驗課中，你更喜歡哪種類型的實驗？

X——你希望生物學科采取哪種考核方式才算合理?

X——你覺得對于生物學科，你需要培養哪方面的能力？

4.2 相關性分析

首先通過皮爾遜相關性分析10個指標與學生學習成績的關系（表1），的能力？**.在0.01級別（雙尾），相關性顯著。

表1 高一年級開放式教學模式下10個指標與生物期中考試成績的相關性分析

然后對10個指標進行主成分分析，獲得一系列圖表，接下來對這些圖表進行逐一分析。

5 主成分分析

5.1 相關矩陣的分析

主成分分析法適用于變量之間存在較強相關性的數據。對主成分分析而言，變量間相關性越高，越適合進行主成分提取，但不是主要判定結果。原始數據大部分變量之間相關系數小于0.3時，應用主成分分析不適合。我們先從以上10個指標間的相關矩陣分析。

10個指標間的積差相關系數呈現一定的相關性（表略）。其中，指標3“與開放式教學有關的因素有哪些”和指標4“開放式探究性實驗教學的主要內容”之間的相關系數達0.329，指標4“開放式探究性實驗教學的主要內容”和指標7“生物探究性實驗教學有利于哪些方面”之間相關系數為0.383，指標2“開放式”教學模式的重要要素和指標7“生物探究性實驗教學有利于哪些方面”之間相關系數為0.389。因各指標間存在較高相關性，可以對以上10個指標進行主成分分析。

5.2 KMO和Bartlett的檢驗分析

KMO取值在0和1之間，KMO越接近1，越適合做因子分析。一般規律是：KMO≥0.9，非常適合；0.8≤KMO≤0.9 比較適合; 0.7≤KMO≤0.8 適合；0.6≤KMO≤0.7不太適合；0.5≤KMO≤0.6 很勉強；KMO≤0.5不適合。對所選指標進行KMO檢驗和球形假設檢驗，由表KMO和巴特利特檢驗的分析結果可以看出KMO檢驗數值為0.707，適合做因子分析。球形假設檢驗的顯著性水平Sig為0.000＜0.05，達到0.05顯著水平，說明零假設被拒絕，相關系數矩陣不是單位矩陣，可以做因子分析。此處判斷標準是，KMO＞0.7,P＜0.05則適合做主成分分析。

5.3 公因子方差分析

公因子方差取值在0～1之間，取值越接近1，說明公因子解釋說明原有變量信息的程度越高。表2中“提取”一列可以觀察到抽取的公因子方差都在0.468以上，所以原有變量都能夠被抽取的因子解釋。如果每個變量包含信息作為初始值1，此處進行主成分的提取，除了“與開放式教學有關的因素有哪些?”指標外，其他提出的信息均還可以。

表2 公因子方差

提取方法：主成分分析法。

5.4 總方差解釋的分析

采用最大方差法對初始因子載荷矩陣作正交旋轉，得出解釋的總方差表。經過最大方差旋轉后，抽取的7個主因子的特征值方差貢獻率發生了變化，積累方差貢獻率為82.629%。可見，提取的主因子能夠解釋原有10個指標變量的82.629%方差，可以把這7個主因子作為評價學生成績影響因素的主因子。合并其中2個內容相近的因子，將10維的變量由5維變量代替，簡化了數據結構。

5.5 碎石圖分析

表3 成分矩陣表

碎石圖又稱為山體滑坡圖。山坡上越高的點，其勢能越大，對研究而言就越重要。觀察碎石圖圖1，該圖從圖示角度判定提取幾個主成分比較合適。提取標準先默認“基于特征值大于1”，看提取的結果。如果特征值大于1發現提取的信息量不夠，則降低標準。如特征值＞0.8，＞0.6，或者直接根據特征值＞1的結果，直接選擇“固定因子數目”。第一個特征值點在頂點處且最大，途中共有4個點的特征值大于1，整體圖像從第6個點開始，特征值點趨于平緩。

圖1 碎石圖

5.6 成份得分系數矩陣分析

構建主成分與原始自變量之間的方程是主成分分析的重點。SPSS沒有直接進行主成分分析的模塊，因此無法直接生成主成分，需要手動計算。通常使用成分矩陣中的成分載荷除以各自根號下的特征值得到主成分系數，然后用主成分系數乘以標準化后的自變量X。

6 研究結果與討論

相關性分析結果表明，高一年級開放式教學模式下10個指標與生物期中考試成績之間具有顯著相關性。

為研究高中生物探究性實驗開放式教學模式對學生生物學習成績的影響，調查問卷設計了10個指標：你認為高中生物探究性實驗“開放式”教學模式的內涵；高中生物探究性實驗“開放式”教學模式的重要要素與“開放式”教學有關；高中生物開放式探究性實驗教學的主要內容；“開放式”實驗教學的方法；運用已有知識選擇或提出探究項目、設計實驗方案、組織實驗器材、安裝調試、排除故障、觀察現象、分析數據、獲得結論；生物探究性實驗教學有利于學生發展；生物實驗課中你更喜歡哪種類型的實驗；生物學科合理考核方式；生物學科能培養哪方面的能力與生物期中考試成績之間具有最強相關性0.774，“開放式”實驗教學的方法與期中考試成績之間具有較強相關性（p=0.502）；用已有知識選擇或提出探究項目、設計實驗方案、組織實驗器材、安裝調試、排除故障、觀察現象、分析數據、獲得結論與生物期中考試成績之間有顯著性相關（（p=0.337）。生物學科采取合理考核方式指標與生物期中考試成績無顯著性相關。

分析變量間相關性越高，越適合進行主成分提取。本研究通過主成分分析得到第一主成分在高中生物開放式探究性實驗教學模式內涵和意義上進行了解釋，所以把第一主成分命名為“開放式教學模式內涵”。指標“你希望生物學科采取哪種考核方式才算合理?”對第二主成分起重要作用，故把第二主成分命名為“開放式教學模式評價”。第三主成分主要解釋了“運用以小組合作探究的方式開放實驗過程”和“生物實驗課中，你更喜歡哪種類型的實驗”，將第三主成分命名為“提高探究能力”。通過統計分析可以得到，影響高一學生生物成績的5個主成分依次為“開放式教學模式內涵”“開放式教學維度”“開放式教學模式評價”“小組合作式的開放式探究性實驗”“培養創新能力”。

高中生物開放式實驗教學模式下，內容的開放性是根本所在，教師不僅僅要引導學生完成教材內容的探究活動，更需要讓學生能夠探究其感興趣或者教材以外的其他內容。在選擇探究實驗內容時，應該優先選擇與教材內容相近的實驗，要保證實驗內容符合學生的探究興趣。如果學生能夠提出其他實驗內容，教師也需要給予支撐和引導，鼓勵師生開展相應的探究活動。

采用主成分分析方法，從高中生物探究性實驗開放式教學模式影響因素中挖掘出很多信息，如學生對于高中生物探究性實驗開放式教學模式內涵與構建的理解、構建科學合理的開放式教學評價模式、小組合作式的開放式探究性實驗提高探究能力等指標與生物考試成績之間有較強的相關性。通過SPSS主成分分析數據結果，旨在為生物科學專業教育教學改革提供科學的方法和理論依據。以往的文獻多是從教師視角來談開放式教學對學生的促進和引導作用,從構建高中生物開放式實驗教學模式探索中，摸索出一種改變傳統實驗教學的新的替代模式，營造一種平等、民主的課堂學習氛圍。目前的高中生物實驗課堂上，實驗器材設備有限，課時較少，一些后進生、學困生在較短課堂課時內消化理解實驗整個過程有一定難度。所以開放的實驗過程，結合小組合作探究，教師通過引導小組學生共同參與完成實驗過程。班上絕大多數學生是獨生子女，長期在養尊處優環境中成長，比較欠缺合作意識。將合作探究的實驗方法融入開放式實驗過程中，有助于激發學生的合作意識，引導學生之間相互幫助、相互協作。開放式探究性實驗教學模式的內涵就是實驗教學的開放性，即實驗教學目標、教學主體、教學方式、教學內容、教學與課程資源是開放的。

通過以往有關開放式實驗教學模式探索文獻整理及本課題研究中獲得的研究成果，我們高中生物探究性實驗開放式教學模式包括以下兩大方面：（1）教師角度；（2）學生角度。高中生物課程改革的重要目標是實現學生個性化發展，學生的個性化發展應該是以學校的特色發展為基礎的，在不斷的教育及辦學實踐中我們深刻體會到：社會進步的重要標志是對人的尊重，教育進步的重要標志是關注每一個學生，而適合每個學生的重要載體是個性化課程，個性化課程是學校實現特色發展的關鍵。