凸顯學(xué)科實(shí)踐的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新研究

［摘要］ 面對(duì)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)踐深度不夠、缺乏互動(dòng)性和探究性等問(wèn)題，強(qiáng)化學(xué)科實(shí)踐理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新顯得尤為重要。從梳理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，文章提出了一系列凸顯學(xué)科實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新實(shí)施策略，包括設(shè)計(jì)多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)、引入技術(shù)手段等，從而激發(fā)學(xué)生興趣、增強(qiáng)他們的科學(xué)思維能力。通過(guò)創(chuàng)新高中生物學(xué)中的葉綠體系列實(shí)驗(yàn)，明確以事實(shí)依據(jù)映射“雙基”、協(xié)同思考體驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)、整合實(shí)驗(yàn)歷程建構(gòu)觀念的基本實(shí)施路徑。

［關(guān)鍵詞］ 高中生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；學(xué)科實(shí)踐；科學(xué)思維

基于學(xué)科實(shí)踐的教學(xué)觀認(rèn)為，知識(shí)內(nèi)蘊(yùn)在探究、建構(gòu)、運(yùn)用和實(shí)踐過(guò)程中，知識(shí)的本質(zhì)不是脫離具體的生活實(shí)踐情境和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)而獨(dú)立存在的，而是個(gè)體解決問(wèn)題的工具，在實(shí)踐中創(chuàng)造、生成的產(chǎn)物，具有生成性、動(dòng)態(tài)性。生物學(xué)科的本質(zhì)屬性便是實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐，高中生物學(xué)課程高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)歷，通過(guò)探究性活動(dòng)或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。目前，高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在著一些問(wèn)題，如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)踐深度不夠、缺乏互動(dòng)性和探究性等，限制了學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)和探究能力培養(yǎng)。學(xué)科實(shí)踐的育人理念對(duì)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新具有重要意義。一方面通過(guò)親身實(shí)踐，學(xué)生的綜合素養(yǎng)受到多方面、浸潤(rùn)式影響，能將抽象的生物學(xué)概念和理論轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)操作與觀察，提高理解與記憶能力。另一方面，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵筮M(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法和工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，有助于掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原則和技巧，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。同時(shí)，在實(shí)踐中學(xué)生需要積極觀察、實(shí)驗(yàn)和分析，從而發(fā)展觀察力、邏輯思維和實(shí)驗(yàn)推理能力。這些能力對(duì)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)至關(guān)重要，使他們?cè)诮鉀Q實(shí)際問(wèn)題和應(yīng)對(duì)生活挑戰(zhàn)時(shí)更具自信。gueLYkeati7zz9flgi9iCg==此外，運(yùn)用學(xué)科經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)，不僅需要學(xué)生親自動(dòng)手，直觀感受科學(xué)的樂趣和挑戰(zhàn)，還可以小組合作的形式展開，提倡同伴協(xié)作共同完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，并組織觀點(diǎn)交流和成果分享。

一、凸顯學(xué)科實(shí)踐的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

1.設(shè)計(jì)多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠更好地契合學(xué)科實(shí)踐的核心要求。學(xué)科實(shí)踐注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和問(wèn)題解決能力。通過(guò)設(shè)計(jì)多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還有探究性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠在不同的實(shí)驗(yàn)情境中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，鍛煉實(shí)際操作技能。多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。不同類型的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M足學(xué)生的不同需求和興趣，使他們更愿意積極參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這樣有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)動(dòng)力。此外，多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有利于拓寬學(xué)生的知識(shí)面和視野。具體而言，在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以設(shè)計(jì)多樣化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入不同的技術(shù)手段等，包括計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)等。比如利用“慕課”，通過(guò)混合式教學(xué)的形式，將面對(duì)面的教學(xué)過(guò)程與線上學(xué)習(xí)進(jìn)行有機(jī)融合，增強(qiáng)學(xué)生活動(dòng)實(shí)踐的互動(dòng)性和趣味性，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的最優(yōu)化；也可以通過(guò)“NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件”等，進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬和操作，提高實(shí)驗(yàn)的靈活性和可控性。此外，還可以建立實(shí)驗(yàn)室合作網(wǎng)絡(luò)等，多渠道增加實(shí)驗(yàn)資源的豐富度和多樣性。

2.引入探究式學(xué)習(xí)

從學(xué)科實(shí)踐的本質(zhì)來(lái)看，探究式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)參與和自主探索。這與學(xué)科實(shí)踐的核心理念高度契合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。考慮到學(xué)科實(shí)踐的目標(biāo)，引入探究式學(xué)習(xí)能促使學(xué)生更加深入地理解生物學(xué)知識(shí)。通過(guò)親身實(shí)踐，學(xué)生真切體驗(yàn)知識(shí)的形成過(guò)程，從而加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握。同時(shí)，探究式學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題情境，讓他們?cè)谔剿鬟^(guò)程中學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。這充分體現(xiàn)了學(xué)科實(shí)踐注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的特點(diǎn)。具體而言，教師應(yīng)激勵(lì)學(xué)生積極踴躍地參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，提出諸多問(wèn)題或設(shè)定相關(guān)主題，賦予學(xué)生一定的實(shí)驗(yàn)自由度與選擇權(quán)，引導(dǎo)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，充分發(fā)揮其主動(dòng)性與創(chuàng)造性。由此，使得學(xué)生在實(shí)踐中達(dá)成思維的深度碰撞與知識(shí)的廣泛交流，悉心培育他們的科學(xué)思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及問(wèn)題解決能力。

3.實(shí)施項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)與課堂教學(xué)相結(jié)合，引入項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。一方面，學(xué)科實(shí)踐強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，而項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性。學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從選題、設(shè)計(jì)到實(shí)施、總結(jié)，全程參與，自主探究，切實(shí)提升實(shí)踐能力。另一方面，學(xué)科實(shí)踐追求真實(shí)情境下的問(wèn)題解決，項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)正好滿足這一需求。學(xué)生面對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，通過(guò)獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)協(xié)作，尋找解決方案，培養(yǎng)問(wèn)題解決的能力。此外，學(xué)科實(shí)踐關(guān)注學(xué)生的創(chuàng)新精神，項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的束縛，可以自由探索，嘗試新的實(shí)驗(yàn)思路和方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。具體操作方面，實(shí)驗(yàn)前，教師可以引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，提供實(shí)驗(yàn)前的背景知識(shí)，讓學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)施整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)深入學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。通過(guò)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)能幫助學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際情境中，培養(yǎng)他們的綜合能力和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，與相關(guān)科學(xué)史知識(shí)進(jìn)行比較，以加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)原理的理解。

4.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析是科學(xué)探究的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理、歸納和解讀，學(xué)生能夠?qū)W會(huì)運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行推理和判斷，從而培養(yǎng)科學(xué)思維。這一過(guò)程契合了學(xué)科實(shí)踐注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探究能力的要求。與此同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析還有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，學(xué)生需要掌握數(shù)據(jù)收集、整理、統(tǒng)計(jì)等方法，以及運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的技能。這些技能的提升，將使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和研究中受益無(wú)窮。有效的數(shù)據(jù)處理和分析能夠增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解和解釋能力，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的仔細(xì)分析，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的規(guī)律和趨勢(shì)，進(jìn)而深入理解生物學(xué)現(xiàn)象背后的原理。這不僅有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還為他們今后的科研工作奠定了基礎(chǔ)。并且，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，學(xué)生需要遵循科學(xué)規(guī)范，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)數(shù)據(jù)，避免主觀臆斷和誤差，認(rèn)識(shí)到學(xué)科實(shí)踐內(nèi)化的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和科學(xué)精神，這將對(duì)他們未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師也應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力。學(xué)生不僅要開展實(shí)驗(yàn)操作，還要學(xué)會(huì)整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，思考實(shí)驗(yàn)的目的、方法和預(yù)期結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析和解釋。通過(guò)反思和討論，最終提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理能力，培養(yǎng)科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)推理能力。

二、凸顯學(xué)科實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新實(shí)施案例

Wilson在最初構(gòu)建“能量”主題進(jìn)階學(xué)習(xí)時(shí)，將其分為：引出概念→找出關(guān)聯(lián)→構(gòu)造概念圖→建立事實(shí)聯(lián)系強(qiáng)化理解。隨后，Neumann等人基于Wilson的進(jìn)階學(xué)習(xí)理念將能量主題整體學(xué)習(xí)分為“事實(shí)→映射→關(guān)聯(lián)→概念構(gòu)建”四個(gè)層級(jí)。該劃分體系，從以事實(shí)為基礎(chǔ)到實(shí)際運(yùn)用再到整合構(gòu)建，具有很好的理論性和實(shí)證效果。在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以葉綠體為主題的系列實(shí)驗(yàn)同樣適用于上述層級(jí)的劃分，并且對(duì)應(yīng)新高考評(píng)價(jià)體系下的生物學(xué)核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力培養(yǎng)（見表1）。

1.以事實(shí)為依據(jù)，映射出光合作用相關(guān)基礎(chǔ)概念和學(xué)生基本能力

課前教師要求學(xué)生自己了解、搜集以往科學(xué)家所做的葉綠體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，課堂上讓學(xué)生自主交流學(xué)習(xí)，然后帶著學(xué)生進(jìn)行演繹推理，通過(guò)探究學(xué)習(xí)的方式（確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹鞔_實(shí)驗(yàn)原理→提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)→控制實(shí)驗(yàn)變量→演繹推理實(shí)驗(yàn)過(guò)程→觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象→得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果），交流分享幾個(gè)著名的光合作用的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并嘗試用數(shù)軸法來(lái)表示光合作用相關(guān)的科學(xué)史（圖略），以加深學(xué)生理解。

①1881年法國(guó)席姆佩爾發(fā)現(xiàn)淀粉在植物細(xì)胞的特定部位形成，1883年他將這些實(shí)體命名為葉綠體，并證明新的葉綠體可以從已存在的葉綠體分裂產(chǎn)生。

②1913年R.M.威爾施泰特闡明了葉綠素的化學(xué)組成，1940年德國(guó)化學(xué)家G.A.考斯奇和H.菲舍爾發(fā)現(xiàn)了世界上第一張葉綠體的電鏡照片。這些工作為提出“光合作用中心”“色素吸收光子”“能量傳入光合作用中心”的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

③20世紀(jì)40年代初，英國(guó)植物生理學(xué)家用離體葉綠體做實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)到了放氧反應(yīng)，但還不能肯定這個(gè)反應(yīng)是光合作用的一部分。直到1951年，它才被證實(shí)是光合作用的一部分。

④1954—1955年，美國(guó)化學(xué)家D.I.阿爾農(nóng)和美國(guó)微生物學(xué)家M.B.艾倫發(fā)現(xiàn)葉綠體既能夠釋放氧氣又能同化二氧化碳，證實(shí)了葉綠體的確是光合作用的場(chǎng)所。

通過(guò)以上科學(xué)史的梳理，引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到科學(xué)研究是在前人的研究上不斷證實(shí)與改進(jìn)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)是隨著時(shí)間的推移不斷突破和完善的。幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的生命觀念，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力。

2.促進(jìn)知識(shí)概念協(xié)同，突出項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

以葉綠素提取為例，教材中列出的提取方案在實(shí)際操作中也存在一些安全隱患，因而在項(xiàng)目化教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)具體條件，討論如何進(jìn)行合理化創(chuàng)新設(shè)計(jì)（見圖1）。比如，討論如何簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作、避免有毒試劑的使用等。又如，在對(duì)葉綠素進(jìn)行層析的間隙，可以安排學(xué)生觀察不同生長(zhǎng)環(huán)境下，植物的葉肉細(xì)胞的葉綠體數(shù)量及分布特點(diǎn)等，從而充分利用課堂教學(xué)時(shí)間，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。層析結(jié)束后，再仔細(xì)觀察分離后的色素的種類、顏色、含量、溶解度和擴(kuò)散速度分別如何，并進(jìn)一步分析這些差異與植物生長(zhǎng)環(huán)境、葉綠體數(shù)量及分布之間的相關(guān)性。

獲取以上知識(shí)之后，可以進(jìn)行色素吸收光譜的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。我們知道，陽(yáng)光是由不同波長(zhǎng)的光組合而成的復(fù)合光，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在色素和陽(yáng)光之間放置一塊三棱鏡，光在穿過(guò)三棱鏡時(shí)，不同波長(zhǎng)的光分散開形成不同顏色的光帶，并將其稱為光譜。同理，分別讓不同顏色的光照射色素就可以得到不同色素的吸收光譜。由此，鼓勵(lì)學(xué)生用生活中常見的材料自制光譜儀，觀察不同色素的吸收光譜（見圖2）。通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)，有效提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力、實(shí)踐探究能力，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物學(xué)現(xiàn)象的觀察、解釋、討論與分析，增強(qiáng)學(xué)生的生物學(xué)習(xí)興趣。

3.整合實(shí)驗(yàn)歷程建構(gòu)學(xué)科觀念，實(shí)現(xiàn)層級(jí)進(jìn)階

整合實(shí)驗(yàn)歷程建構(gòu)學(xué)科觀念，意味著將實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行梳理和整合，以此來(lái)構(gòu)建起關(guān)于該學(xué)科的核心概念和思想體系，并逐步實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)到高級(jí)、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的層次遞進(jìn)。具體的教學(xué)創(chuàng)新中需要全面整合，即不僅僅關(guān)注單一的實(shí)驗(yàn)操作或結(jié)果，而是將多個(gè)實(shí)驗(yàn)、不同階段的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。同時(shí)，還需要通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)歷程的分析和總結(jié)，提煉出學(xué)科的本質(zhì)特征、基本原理和重要概念，形成對(duì)學(xué)科的深入理解和認(rèn)識(shí)。凸顯學(xué)科實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以基于具身參與進(jìn)行表象認(rèn)知，厘清基礎(chǔ)概念，經(jīng)歷“學(xué)習(xí)理解→應(yīng)用實(shí)踐→遷移創(chuàng)新”，逐級(jí)搭建進(jìn)階學(xué)習(xí)平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，幫助學(xué)生搭建概念學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，明晰不同實(shí)驗(yàn)操作的原理與目的，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果，形成創(chuàng)新思維。在深度理解光合作用系列實(shí)驗(yàn)之后，促使學(xué)生形成葉綠體相關(guān)的結(jié)構(gòu)與功能觀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“事實(shí)→映射→關(guān)聯(lián)→整合”的層進(jìn)式學(xué)習(xí)進(jìn)階，充分發(fā)揮生物學(xué)學(xué)科實(shí)踐的作用。

［江蘇省基礎(chǔ)教育前瞻性教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“高中生物學(xué)具身創(chuàng)造式學(xué)習(xí)模式建構(gòu)與深化實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：2022JSQZ0201）和江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)課題“工程教育視野下高中生物學(xué)學(xué)科實(shí)踐學(xué)習(xí)空間的開發(fā)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：B/2023/03/46）研究成果］

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趙 寧 江蘇省無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué)。

陳廷華 江蘇省無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué)，正高級(jí)教師。