依托高中生物實驗?培養(yǎng)科學探究素養(yǎng)

【摘要】隨著新課程改革的不斷深入，高中生物實驗教學的重要性愈發(fā)凸顯。優(yōu)化生物實驗教學，能夠充分激發(fā)學生對生物實驗的探索欲，使其在實驗過程中主動發(fā)現(xiàn)問題，并熟練運用所學生物知識解決問題，提升觀察能力與創(chuàng)新思維能力。教師在高中生物實驗教學的過程中，可以通過深入挖掘教材、創(chuàng)設生活情境、開展合作探究、進行多元評價等可行性策略，對實驗教學進行優(yōu)化與改進，從而促進學生科學探究素養(yǎng)的形成。

【關(guān)鍵詞】高中生物；實驗教學；科學探究素養(yǎng)

作者簡介：時玉華（1982—），男，江蘇省南通市海安市實驗中學。

高中生物作為一門重要學科，對于培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和開拓精神的人才有著不可或缺的作用。生物實驗是連接生物理論和實踐應用的橋梁，也是發(fā)展學生科學探究素養(yǎng)的重要載體。基于此，在高中生物實驗教學的過程中，教師應注重鍛煉學生觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、設計方案以及總結(jié)反思等方面的能力，培養(yǎng)他們嚴謹科學的態(tài)度、求真務實的精神和團結(jié)合作的意識，從而促進他們的可持續(xù)發(fā)展。

一、深入挖掘教材，拓展科學探究內(nèi)容

高中生物學科所涉及的生物概念、原理與規(guī)律，都是眾多生物學家基于大量嚴謹科學的生物實驗總結(jié)歸納得出的。因此，教師在生物實驗教學中，要重視教材中的經(jīng)典實驗，深入挖掘其中的內(nèi)涵，為學生講述經(jīng)典實驗的研究背景、研究方法以及具體過程。同時，教師可以結(jié)合學生在高中階段的生物知識積累情況，在現(xiàn)有實驗教材、資料的基礎(chǔ)上進行拓展延伸，豐富實驗教學中的科學探究內(nèi)容，促進學生的科學探究素養(yǎng)提升。

例如，在“探究酵母菌細胞呼吸的方式”這一實驗的教學中，教師首先對教材進行深入挖掘、分析，明確本節(jié)課的教學目標是讓學生明白酵母菌有氧呼吸和無氧呼吸的不同條件及產(chǎn)物，并通過學習酵母菌細胞呼吸的具體過程，理解細胞呼吸的本質(zhì)［1］。在此基礎(chǔ)上，教師結(jié)合教學的重難點，準備好活性酵母菌、葡萄糖溶液、酸性重鉻酸鉀溶液、澄清石灰水、錐形瓶、橡皮球、滴管等實驗材料，幫助學生對實驗結(jié)果做出合理分析和判斷，進而掌握酵母菌細胞呼吸方式的特征。在實驗教學的導入環(huán)節(jié)，教師先為學生講述有關(guān)發(fā)現(xiàn)酵母菌的歷史背景：“早在公元前3000年，人類就開始利用酵母菌制作發(fā)酵食品了。1680年，荷蘭生物學家列文虎克通過顯微鏡首次觀察到酵母菌。19世紀，法國生物學家巴斯德發(fā)現(xiàn)酵母菌在酒精釀造中發(fā)揮著重要作用?！苯處熗ㄟ^拓展與實驗相關(guān)的內(nèi)容，既能增加學生的知識儲備，開闊學生的視野，也能激發(fā)學生的求知欲與探索欲。接著，教師根據(jù)學生所學知識，針對本次實驗的目的提出探究性問題：“酵母菌能使糖類發(fā)酵產(chǎn)生酒精，酵母菌的呼吸會產(chǎn)生二氧化碳。請問這兩種產(chǎn)物是在有氧還是無氧的條件下產(chǎn)生的呢？”學生甲回答：“酒精是酵母菌在無氧條件下產(chǎn)生的，二氧化碳是酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生的。”學生乙持有與學生甲相反的觀點：“酒精是酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生的，二氧化碳是酵母菌在無氧條件下產(chǎn)生的?！边€有一些學生則提出“酒精和二氧化碳都是酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生的”“酒精和二氧化碳都是酵母菌在無氧條件下產(chǎn)生的”的看法。教師提出探究性問題，能夠豐富實驗教學內(nèi)容，提升學生的思維活躍度與課堂專注度，為接下來的實驗開展營造良好的課堂氛圍。然后，教師以提問的方式引導學生進行實驗方案的設計：“同學們剛才的回答可以看作是某些假設，現(xiàn)在我們要通過實驗來驗證自己的假設。那么在這個實驗的設計中，我們需要注意哪些因素呢？”學生丙回答：“需要明確該實驗的自變量是氧氣，因變量是酒精和二氧化碳?！睂W生丁回答：“需要知道如何判斷有無酒精或二氧化碳產(chǎn)生，以及如何比較二氧化碳產(chǎn)生的量。”此時，教師結(jié)合實驗教材內(nèi)容為學生補充相關(guān)知識：“酒精與酸性重鉻酸鉀溶液混合會變色，二氧化碳會使澄清石灰水變渾濁。”學生在教師的指導下，根據(jù)實驗教材開始實驗，在A、B兩個錐形瓶中加入酵母菌培養(yǎng)液，將A、B兩個錐形瓶分別與裝有澄清石灰水的錐形瓶相連（其中A瓶還需要通過玻璃管和橡膠球注入氧氣），然后通過觀察酸性重鉻酸鉀溶液的顏色與石灰水的渾濁程度，得出“酵母菌進行有氧呼吸會產(chǎn)生大量的二氧化碳，進行無氧呼吸會產(chǎn)生酒精與少量的二氧化碳”的實驗結(jié)論［2］。最后，教師對實驗內(nèi)容和結(jié)論進行歸納總結(jié)，并讓學生在課后思考另一個探究性問題：有同學認為酒精和二氧化碳是葡萄糖溶液發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的，與酵母菌無關(guān)。請問你如何看待這種觀點？如何改進原有的實驗方法？

可見，教師通過這種實驗教學方式，對教材中的經(jīng)典實驗內(nèi)容進行深層次挖掘和拓展，對于提升學生的科學思維意識與創(chuàng)新探究能力有著積極的促進作用。

二、創(chuàng)設生活情境，激發(fā)科學探究熱情

著名教育家陶行知先生曾提出“生活即教育，社會即學校”的觀點，而生物學科是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學，與實際生活緊密相關(guān)。在高中生物實驗教學中，教師要注重以生活中的現(xiàn)象為切入點進行導入，以便激發(fā)學生學習實驗內(nèi)容的興趣，促使其積極主動地參與到生物實驗的設計及實踐過程中。教師在進行實驗的優(yōu)化設計時，可以結(jié)合實驗的具體內(nèi)容與學生當前的身心特征，通過創(chuàng)設生活化問題情境，激發(fā)學生的科學探究熱情，使學生在特定生活情境中充分培養(yǎng)和發(fā)展自身的科學思維能力［3］。

例如，在“探究植物細胞的吸水和失水”這一實驗的教學中，教師在課前準備一根蘿卜，將蘿卜切成質(zhì)量和體積相同的三塊，將第一塊放置于空氣中作為參照物，將第二塊放在盛有清水的玻璃容器中，將第三塊放在濃度較大的食鹽水中，在課堂上讓學生觀察這三塊蘿卜在靜置一段時間后的變化并進行描述。學生回答：“第一塊蘿卜表面有些干縮，第二塊蘿卜水潤飽滿，第三塊蘿卜明顯干縮?！苯處煷藭r通過多媒體進一步展示生活中的實例，如“在做糖拌西紅柿時會有大量的水分溢出”“在餃子餡中加入一些鹽后會有水流出”“給農(nóng)作物施肥過多會出現(xiàn)‘燒苗的現(xiàn)象”等。教師結(jié)合學生比較熟悉的生活中的現(xiàn)象，創(chuàng)設出生動形象的教學情境，能夠充分激發(fā)學生的學習興趣與科學探究熱情，促使學生發(fā)現(xiàn)并思考生活中的問題，提高觀察、分析能力。在實驗階段，教師為每位學生分發(fā)洋蔥片、顯微鏡、刀片、鑷子、質(zhì)量濃度為0.3 g/ml的蔗糖溶液、質(zhì)量濃度為0.5 g/ml的蔗糖溶液、蒸餾水等實驗材料，讓學生進行實驗，觀察洋蔥細胞在不同液體中的變化情況，并描述自己看到的現(xiàn)象。學生在教師的指導下，紛紛觀察到洋蔥細胞的質(zhì)壁分離和分離復原的現(xiàn)象，并得出“植物細胞可以構(gòu)成一個滲透系統(tǒng)”的結(jié)論。此時，教師要求學生結(jié)合自己所做的實驗，嘗試對之前的蘿卜塊實驗進行解釋［4］。學生在思考后回答：“植物細胞的細胞液有一定的濃度，會與外界不同濃度的溶液發(fā)生滲透作用，導致蘿卜塊吸水或者失水?！?/p>

可見，教師通過創(chuàng)設生活情境的方式，由淺入深地引導學生從宏觀上思考，經(jīng)過細致觀察和分析后，從微觀上解釋實驗的原理、本質(zhì)，不僅能夠激發(fā)學生對生物學科的學習熱情，而且能夠培養(yǎng)他們解決實際問題的能力，促進他們科學探究素養(yǎng)的提升。

三、開展合作探究，發(fā)散科學探究思維

在新課程改革背景下，合作學習越來越受到廣大教育工作者的重視。合作學習不同于傳統(tǒng)的封閉式自主學習模式，能夠讓學生在集思廣益與群策群力的科學探究氛圍中，對生物知識形成深層次的認知。同時，學生能夠在交流分享、分析討論的過程中，經(jīng)過相互之間的思維碰撞，多方位拓展思維的廣度與深度，促進科學思維意識的形成［5］。另外，生物實驗是綜合性的學科內(nèi)容，生物實驗教學中涉及材料選取、步驟確定、實驗觀察以及分析思考、推斷總結(jié)等復雜多樣的環(huán)節(jié)。因此，教師在高中生物實驗教學中，應當立足于高中階段學生的身心特征、生物學科知識體系和科學探究素養(yǎng)，開展綜合性的合作探究活動，以便保障生物實驗教學工作的高效性，充分貫徹自主、合作、探究的新課程理念。

以“生物體維持pH穩(wěn)定的機制”這一實驗的教學為例，教師組織學生以小組合作的方式進行實驗探究，在各小組探究的過程中，通過誘導提問和及時答疑等方式，發(fā)散學生的科學探究思維，輔助學生開展科學探究，充分發(fā)揮學生的學習主體作用。在實驗開始前，教師結(jié)合生活實例提出“在食醋進入人體后，為什么人體的酸堿度還能維持平衡呢？”的疑問，以此引發(fā)各小組的思考、分析和推測，營造良好的合作探究氛圍。接下來，教師為每個小組分發(fā)馬鈴薯勻漿、雞蛋清、氫氧化鈉溶液、稀鹽酸、緩沖液、pH計、滴管等實驗材料，要求各小組根據(jù)材料，明確實驗目的、要求，嘗試設計實驗方案并進行實驗。于是，各小組結(jié)合教材上的實驗步驟，討論總結(jié)出較為合理的具體實驗計劃后便開始進行實驗。有的小組先在燒杯中加入自來水并測量初始的pH值，接著往燒杯中滴加稀鹽酸并同步測量pH值，然后以同樣的方式測量滴加氫氧化鈉溶液的pH值，之后將燒杯中的自來水更換成緩沖液、馬鈴薯勻漿和雞蛋清，重復以上實驗步驟，最后整理實驗數(shù)據(jù)，分析討論實驗現(xiàn)象的原理。各小組學生在分工協(xié)作下，高效有序地完成了對四組實驗數(shù)據(jù)的測量與記錄，通過分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)：馬鈴薯勻漿和雞蛋清這兩種不同的生物材料中含有緩沖對，其可以對pH的變化起到緩沖平衡作用；上述實驗材料的緩沖能力從強到弱依次為緩沖液、雞蛋清、馬鈴薯勻漿、自來水。在課堂的最后，教師結(jié)合各小組的實驗結(jié)論進行歸納總結(jié)：“生物體內(nèi)的緩沖物質(zhì)對機體的pH具有調(diào)節(jié)作用?！?/p>

可見，教師通過開展合作學習，充分調(diào)動了學生所學的生物知識，為學生提供了操作、觀察、思考、交流的平臺，也能讓他們完善原有的知識體系，培養(yǎng)他們嚴謹?shù)目茖W思維與團隊協(xié)作意識。

四、進行多元評價，提升科學探究能力

教師在實驗教學中不應該把“讓學生得到統(tǒng)一的實驗結(jié)果”作為最終的目標，而應該讓學生能真正參與到科學探究中去，掌握科學探究的方法，使其創(chuàng)新意識得到增強?；诖?，教師在教學時，可以在科學探究素養(yǎng)的導向下，采取多元評價方式，使用鼓勵性評價，把“學生能否獨立、科學地完成實驗操作”作為一個重要的評價標準，不斷引導學生認真、細致地觀察實驗現(xiàn)象，對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行科學分析、總結(jié)，以此充分挖掘?qū)W生在科學探究方面的潛能，促進他們科學探究能力的提升［6］。

例如，在“影響酶活性的條件”的實驗中，有學生在利用淀粉酶探究pH對酶活性的影響時，觀察到淀粉酶與碘的混合溶液在堿性條件下沒有變藍。在實驗現(xiàn)象出現(xiàn)異常的情況下，教師讓學生自主思考其中的原因，鼓勵其大膽提出假設。如學生戊提出“淀粉酶可能在堿性條件下表現(xiàn)出高活性”的假設，教師聽后肯定了該學生的想法，并讓該學生通過進一步探究驗證自己的假設，同時讓其他學生也積極參與，對該學生的探究提出評價建議。學生己則提出“淀粉可能根本沒有被分解”的假設，并通過斐林試劑驗證了這個假設。對于學生們在本次實驗中表現(xiàn)出的科學態(tài)度、創(chuàng)新思維以及探究精神，教師進行了表揚。另外，教師還結(jié)合實際情況，搭建了展示學生的實驗探究成果以及實驗報告的平臺，以激發(fā)學生的科學探究熱情。

可見，教師進行多元化的評價，能助力學生樹立自主探究的自信，真正促進其科學探究素養(yǎng)的發(fā)展。

結(jié)語

綜上所述，在全面深化課程改革的背景下，高中生物實驗教學對培養(yǎng)學生的科學探究素養(yǎng)有重要意義。因此，教師應當貫徹立德樹人教育理念，依托教材內(nèi)容，深入挖掘其中的創(chuàng)新元素，鼓勵學生實踐，培養(yǎng)他們獨立思考的能力及團結(jié)協(xié)作的精神。同時，教師應當積極創(chuàng)新生物實驗教學模式，轉(zhuǎn)變對實驗教學的固有認知與傳統(tǒng)教學思路，以全面培養(yǎng)學生科學探究素養(yǎng)為出發(fā)點和落腳點，給予學生充分思考、表達的機會，幫助其深刻認知實驗原理的本質(zhì)，培養(yǎng)其科學探究意識與開拓創(chuàng)新精神。

【參考文獻】

［1］張力希，錢敏艷.基于科學探究的高中生物學實驗改進：利用數(shù)字化技術(shù)探究酵母菌細胞呼吸的方式［J］.中學生物學，2022，38（2）：51-53.

［2］廖蒙蒙.基于科學探究的高中生物實驗教學探索：以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”教學為例［J］.中學生物學，2022，38（3）：60-62.

［3］高嘉欣，劉飛，王興泉.基于核心素養(yǎng)的高中生物學實驗教學過程性評價策略：以人教版探究植物細胞的吸水和失水為例［J］.科學咨詢，2021（38）：188-189.

［4］何連慶.虛擬仿真實驗在高中生物實驗中有效應用路徑探究［J］.教學管理與教育研究，2023，8（1）：84-86.

［5］張曼玲.高中生物實驗教學培養(yǎng)學生科學思維能力的實踐探究［J］.數(shù)理化解題研究，2023（3）：140-142.

［6］石迪婭.大數(shù)據(jù)在高中生物實驗教學中的創(chuàng)新運用［J］.課堂內(nèi)外（高中版），2022（43）：53-54.