研究型實驗在高中生物教學(xué)中的實踐效果及完善

作者簡介：宋銀（1976～），男，漢族，安徽六安人，合肥一中，研究方向：高中生物教學(xué)。

摘 要：高中生物教學(xué)之中，實驗教學(xué)是其重要的組成部分，尤其是研究型實驗的開展，對提升學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新能力具有重要意義。因此，教師在開展生物課堂教學(xué)活動時，要根據(jù)學(xué)校發(fā)展實際，結(jié)合學(xué)生認知發(fā)展特點，有針對性地開展綜合性與連貫性較強的研究型實驗項目，全面提升課堂教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)前，我們正處于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)快速發(fā)展的時代，通過將互聯(lián)網(wǎng)引入課堂教學(xué)，不僅可以有效緩解課堂教學(xué)時長不足的問題，使得學(xué)生可以全方位地感受實驗過程，還有助于全面培養(yǎng)學(xué)生生物核心素養(yǎng)，有效提升生物教學(xué)質(zhì)量。基于此，文章以基因工程實驗為例，探究高中生物教學(xué)中研究型實驗的實踐效果及完善。

關(guān)鍵詞：研究型實驗；高中生物；基因工程；生物教學(xué)

中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8918（2023）08-0126-04

一、 引言

根據(jù)生物學(xué)教學(xué)特點，生物學(xué)的實驗大致可以劃分為觀察性、驗證性、研究型、設(shè)計和制作等實驗類型。其中，研究型實驗指向的是對探究對象的未知屬性、特征、其他因素關(guān)系所開展的實驗，其主要特征是，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，對研究對象并不明確或者并沒有完全了解的情況之下，借助實驗的方式，進行研究活動并獲得最終結(jié)論。在研究型實驗活動中，要求學(xué)生要像科學(xué)家一樣，完成“提問—設(shè)想—設(shè)計實驗—實施實驗—獲得結(jié)論—表達交流”的過程，從而完成生物實驗的獲取，并能夠在過程中，使用科學(xué)的方法、技能，形成科學(xué)的思維方式，最終形成科學(xué)觀點與科學(xué)精神。依據(jù)研究型實驗的特點，學(xué)生在這一活動中，將培養(yǎng)學(xué)生各項技能，使得學(xué)生具備科學(xué)思維，形成良好的實驗研究能力。

二、 研究型實驗在高中生物教學(xué)中的實施背景

在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，明確提出：生物學(xué)課程要求學(xué)生要主動地參與學(xué)習(xí)過程之中，在親歷問題提出、信息獲取、尋找依據(jù)、檢驗設(shè)想與發(fā)現(xiàn)規(guī)律等學(xué)習(xí)活動后，完成生物知識的獲取，最終形成理性思維的習(xí)慣，并在過程中，養(yǎng)成積極的科學(xué)態(tài)度，成為具備終身學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實踐能力的新時期人才。基于以上課程標(biāo)準(zhǔn)，生物教學(xué)的最終目的，在于借助研究型實驗的開展，在提升學(xué)生對生物知識運用能力、合作探究能力的同時，全面培養(yǎng)學(xué)生的生物核心素養(yǎng)。研究型實驗與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式相區(qū)別的是學(xué)生在這種新模式下的課堂教學(xué)中不僅能夠收獲課堂知識，還能激發(fā)學(xué)生探究興趣和學(xué)習(xí)積極性，使其實踐創(chuàng)新意識和能力得以有效提升，進而成為新課程標(biāo)準(zhǔn)下培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體和有效路徑。

對于高中生而言，基因工程類的知識相對較為困難，這是因為基因工程相關(guān)理論知識與研究對象前沿性與實踐性較強，相對較為抽象。此外，高中生物課程中有關(guān)于基因工程類的實驗項目，操作極為煩瑣，耗費時長高于其他實驗內(nèi)容，而高中生在做實驗過程中，整體的成功率也是偏低的，這就導(dǎo)致基因工程類實驗的項目內(nèi)容較為分散，且不具備較好的連貫性。此外，高中生面臨較大的學(xué)習(xí)壓力，在時間分配上有一定的困難，在實際的實驗過程中，學(xué)生并沒有選擇前期實驗內(nèi)容的機會，很難理解實驗的內(nèi)容及最終的目的。學(xué)生在實驗過程中，往往缺乏較好的實驗狀態(tài)，勢必影響對學(xué)生問題思考及解決問題能力的培養(yǎng)。面對這種發(fā)展現(xiàn)狀，需要教師在高中生物教學(xué)中善于建立并運用實驗項目，對傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式進行一定程度的優(yōu)化，讓學(xué)生在動手完成實驗探究的過程中更好地掌握知識，以此來提升基因工程類研究型實驗的教學(xué)質(zhì)量，推動學(xué)生生物核心素養(yǎng)的形成。

三、 研究型實驗在高中生物教學(xué)中的作用

（一）激發(fā)學(xué)生興趣，提升學(xué)生積極性

大多數(shù)的生物研究型實驗都與人們的日常生活密切相關(guān)，在創(chuàng)造與學(xué)生生活有關(guān)的教學(xué)環(huán)境中，可以極大地激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)和探究的興趣，使其能夠更好地了解自己的研究對象，從而使其產(chǎn)生求知欲。當(dāng)學(xué)生的探究興趣被激發(fā)時，他們會積極地投入探索的活動中，在收集整理材料、制定實驗計劃、進行實驗、總結(jié)等方面，以達到探索的愉悅和成就感。由于學(xué)生是教學(xué)的主體，是以團隊為單位進行競爭和協(xié)作的，而且由于實驗方案的不同而產(chǎn)生的效果也不盡相同，所以在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生參與生物研究型實驗的積極性與主動性更強。

（二）培養(yǎng)學(xué)生生物研究實驗?zāi)芰?/p>

在研究型實驗中，學(xué)生會根據(jù)自己的實驗計劃，挑選實驗工具、實驗材料、實驗?zāi)Ｐ停捎趯嶒灢牧虾蛯嶒灩ぞ叩倪x用不恰當(dāng)，實驗的效果往往不理想，這并不意味著實驗的失敗，相反，學(xué)生會反思實驗的整個過程，尋找問題，給出相應(yīng)的解決辦法，從而改進實驗。科學(xué)不可能一蹴而就，那些偉大的科學(xué)家也不可能一步登天，他們都是經(jīng)過了無數(shù)次的失敗，所以在不斷的總結(jié)和分析中，他們的生物探索能力肯定會有所提升。同時，在探究的過程中，學(xué)生也會發(fā)現(xiàn)，不管是在開始的時候，還是在進行探索的過程中，或者在探索的最后，都會從問題中尋找答案，這與科學(xué)探究的基本步驟相一致。

（三）開拓學(xué)生思維能力

學(xué)生的想象力很強，但前提是教師不能拘泥學(xué)生思維，不然就如同鳥兒折翼，再怎么努力也不可能飛得更高。通過設(shè)計有效的實驗方案并實施解決問題，引導(dǎo)學(xué)生積極參與思考，增強學(xué)生思維活躍性，進而有效培養(yǎng)和提升學(xué)生的思維定量分析能力。在平時的生物學(xué)教學(xué)中，聰明的學(xué)生都會通過思考，不斷地總結(jié)出符合這個理論的探索法則，來解決新的問題，這有助于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的機械式學(xué)習(xí)活動。通過積極的思考與研究，可以使學(xué)生能夠在問題中不斷地發(fā)揮自身的創(chuàng)造力，從而獲得新的知識。

四、 開發(fā)綜合性、連貫性強的研究型實驗項目

研究型實驗的開展，需要學(xué)生經(jīng)歷多個步驟來完成，而傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，其主導(dǎo)者是教師，在整個實驗過程中，學(xué)生始終處于被動地位，難以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。一般來說，研究型實驗的過程首先由學(xué)生提出問題，學(xué)生在問題探究解決的過程中掌握課堂知識。然而在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，問題的提出則是教師依據(jù)課程教學(xué)進度，將實驗教學(xué)內(nèi)容分配給學(xué)生。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)之前，教師要將實驗教學(xué)內(nèi)容、操作步驟給學(xué)生進行演練講解，尤其是要特別強調(diào)實驗過程中的注意事項，學(xué)生在此基礎(chǔ)上完成相應(yīng)實驗內(nèi)容。

為了解決傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ街兴嬖诘木窒扌裕處熜枰獙滩闹械慕虒W(xué)內(nèi)容展開整合，可以將傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)，微生物培養(yǎng)、分離與計數(shù)、種群數(shù)量變化、DNA提取以及PCR擴增、分子鑒定等相關(guān)內(nèi)容，進行融入，串聯(lián)起生物學(xué)教材中的內(nèi)容，開發(fā)出綜合性與連貫性強的研究型實驗項目。在正式開始實驗之前，教師可以以流程圖的形式向?qū)W生展示實驗過程，幫助學(xué)生明確實驗項目的各個環(huán)節(jié)，進而對每個實驗預(yù)期獲得的結(jié)果有初步認知。依據(jù)這一過程所涉及的實驗環(huán)節(jié)，是具有聯(lián)系性的，上一個實驗的結(jié)果是下一個實驗的材料，學(xué)生在觀察完實驗流程圖之后，對于實驗?zāi)康呐c意義將有一個新的認識，也會整合自身所學(xué)知識，探究如何獲取預(yù)期實驗結(jié)果，這有助于增強學(xué)生參與實驗的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生在實驗中的主觀能動性。

圖1 實驗項目設(shè)計流程圖

圖1所示的流程圖就是整個實驗項目的完整涉及，學(xué)生在觀察流程圖之后，即使尚未參與實驗活動中，但是對于整個實驗各環(huán)節(jié)的原理與聯(lián)系有一個明確的認識。通過實驗流程圖的展示，學(xué)生能夠在充分了解實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上有效完成實驗問題探究，進而有效調(diào)動學(xué)生參與實驗探究的積極性與主動性。學(xué)生通過對實驗設(shè)計、實驗過程及實驗操作等各環(huán)節(jié)的深入思考，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。學(xué)生也將在實驗過程中掌握實驗的基本能力與實踐動手能力，逐步形成科學(xué)嚴謹?shù)木瘢兄谔嵘龑W(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

五、 采用互聯(lián)網(wǎng)+實驗教學(xué)的授課模式解決課時不足的問題

對于高中生而言，其面臨的學(xué)習(xí)壓力是巨大的，因此每門課程所能分配的課時都是有限的。由于時長限制，就意味著耗時較長的生物學(xué)實驗很難開展，如前面所述的研究項目就很難在某一教學(xué)階段完成，這要求教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理安排教學(xué)時間，定期按照教學(xué)任務(wù)進行實驗子項目的實施。因此，選擇這一項目實驗的學(xué)生，可向?qū)W校申請以“長短課”結(jié)合的方式，在校本課程中完成實驗項目，教師可根據(jù)學(xué)生的時間，展開恰當(dāng)?shù)氖谡n安排。以上述實驗項目為例，其具體授課模式如下所示：

（一）理論知識教學(xué)

按照實驗教學(xué)進度，教師在學(xué)生進行實驗之前，需要向?qū)W生講解相應(yīng)的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生在實驗活動實施之前能夠了解并掌握相應(yīng)的理論知識。理論教學(xué)對于研究型的基因工程實驗來說，是必須的，通過理論知識的學(xué)習(xí)，可以引導(dǎo)學(xué)生在實驗前自主完成思考，并提出實驗探究問題，這在一定程度上體現(xiàn)了理論知識與實踐探究相結(jié)合的發(fā)展理念。當(dāng)教師在開展《生物課程選修一》中的傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)、微生物的實驗室培養(yǎng)、基因工程的基本操作程序、DNA的粗提取與鑒定、PCＲ、瓊脂糖電泳等理論知識教學(xué)時，要結(jié)合學(xué)生實驗所需，根據(jù)實驗教學(xué)具體內(nèi)容選擇探究性教學(xué)模式，讓學(xué)生在參與實驗流程圖設(shè)計的過程中，使學(xué)生能夠?qū)⒆陨硭莆盏睦碚撝R與實驗項目相結(jié)合。

（二）實驗技能培訓(xùn)

為充分保證研究型實驗項目的順利開展，教師在實驗項目正式實施前，首先讓學(xué)生掌握簡單基本的實驗技術(shù)，掌握微生物培養(yǎng)技術(shù)，了解并掌握培養(yǎng)基的配置、接種與培養(yǎng)，使用分光光度計提取DNA、PCR等基本實驗操作。學(xué)生通過掌握上述基本技術(shù)與技能，能夠最大限度減少實驗項目實施過程中的失誤概率，避免最終實驗結(jié)果不理想。

（三）應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”，優(yōu)化教學(xué)手段

借用信息技術(shù)可以為師生的教學(xué)帶來豐富的資源與便捷的路徑，為了有效解決高中生物實驗教學(xué)中課時不足的問題，可通過如下措施來提升實驗教學(xué)質(zhì)量：

嘗試使用微課的方式，對關(guān)鍵的實驗操作進行錄制，如試劑配制、培養(yǎng)基的配制、分光光度計的使用、血球計數(shù)板計數(shù)、DNA基因組提取、PCR擴增及電泳實驗等內(nèi)容。教師在實驗前，將相對應(yīng)的微課發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)微課內(nèi)容，自主完成知識及操作的學(xué)習(xí)與探索。與此同時，微課形式的應(yīng)用，還能夠方便學(xué)生實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。如學(xué)生可以利用課余時間對相關(guān)教學(xué)視頻進行反復(fù)觀看，便于掌握和鞏固課堂知識，進而在增強對實驗操作流程印象的基礎(chǔ)上提升自身實驗技能。

結(jié)果表明，通過互聯(lián)網(wǎng)+實驗教學(xué)模式，可以借用豐富的線上資源與途徑使學(xué)生盡可能掌握相關(guān)的實驗原理與操作技能，充分發(fā)揮出實驗教學(xué)的價值，進一步提升學(xué)生的動手能力、合作學(xué)習(xí)能力及解決問題的能力。除此之外，借助長短課結(jié)合的方式，還能夠有效解決高中生物研究性實驗中課時不足的問題，有效提升教學(xué)效果。

六、 基因工程教學(xué)實驗的不足及完善

在高中生物課程之中，研究型實驗的開始時間相對較短，因此在課程設(shè)置與實驗設(shè)置上，仍處于起步階段，經(jīng)驗也相對不足，在實踐過程中存在諸多問題。現(xiàn)存的主要問題集中在師生角色上，在課程設(shè)計上，教師始終占據(jù)著主導(dǎo)地位，學(xué)生的參與機會不足。在現(xiàn)階段的實驗課程中，往往是教師制定出實驗方案，而學(xué)生的參與比較少，之所以如此，是因為高中生的知識與能力情況不足所決定的，但是在實際的實驗中，教師也可以嘗試將部分實驗方案分配給學(xué)生，增強學(xué)生對實驗的認識與理解。此外，盡管學(xué)生在課堂前期能夠完成對整個實驗流程的設(shè)計，但對于理論知識相對比較薄弱的學(xué)生而言，由于理論知識的匱乏，使其在后續(xù)實驗環(huán)節(jié)中，可能會出現(xiàn)無法準(zhǔn)確理解和認識實驗原理及實驗?zāi)康牡那闆r，更為嚴重的是部分學(xué)生會出現(xiàn)為了實驗而做實驗。教師在教學(xué)中，為學(xué)生錄制了相關(guān)的實驗微課，但是基因工程的相關(guān)實驗存在取樣操作嚴格、試劑需要量少、各組分加入量要精確等特點，而學(xué)生的基本實驗技能欠缺，導(dǎo)致學(xué)生的實驗成功率較低。

因此，為了解決這一問題，教師需要增強對學(xué)生基本實驗技能的培訓(xùn)，如移液器的正確使用方法、實驗試劑的配制及實驗材料的高溫滅菌、試劑的正確加入方法和順序等內(nèi)容。

七、 結(jié)語

在現(xiàn)代生命科學(xué)飛速發(fā)展的今天，越來越多的前沿技術(shù)運用到高中生物教學(xué)過程中，基因工程作為其中重要組成部分，不僅能夠使學(xué)生技能達到教學(xué)要求，還能夠讓學(xué)生在教師實施的具有針對性的綜合型與研究型的實驗過程中發(fā)揮主觀能動性，使學(xué)生能夠獨立地進行實驗，從而使其能夠更好地理解微生物實驗室培養(yǎng)、基因工程實驗的設(shè)計思想和操作流程。通過開展研究型實驗，可以幫助學(xué)生了解理論知識，激發(fā)學(xué)生的思維，鍛煉學(xué)生的獨立思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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