素養(yǎng)時代下初中生物學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新的要素分析與啟示

摘 要：實驗教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑，具有獨特的育人價值。實驗教學(xué)創(chuàng)新，能優(yōu)化實驗教學(xué)效果，拓展實驗教學(xué)樣態(tài)，豐富課標(biāo)學(xué)習(xí)活動建議，提升實驗教學(xué)育人價值。文中結(jié)合第九屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課案例，從教學(xué)視角提煉了素養(yǎng)為本的實驗教學(xué)創(chuàng)新諸多要素，闡述其對實驗教學(xué)創(chuàng)新的啟示，以期為一線教師開展實驗教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué)；實驗教學(xué)創(chuàng)新；核心素養(yǎng)；要素

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A

實驗教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[1]?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在教學(xué)與評價建議中明確提出，實驗教學(xué)是生物課程的特點，也是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一[2]?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）在課程理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程實施等部分都有實驗教學(xué)相關(guān)具體要求與內(nèi)容[3]，體現(xiàn)實驗教學(xué)對核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要支撐作用。加強和改進實驗教學(xué)，推進實驗教學(xué)創(chuàng)新，既是貫徹落實國家文件精神的要求，也是進一步提升實驗教學(xué)育人價值的舉措。

素養(yǎng)時代下，如何開展好基礎(chǔ)性實驗（必做實驗）前提下進行實驗教學(xué)創(chuàng)新[4]，以實驗教學(xué)創(chuàng)新為切入點助力教育、科技、人才一體化協(xié)同發(fā)展，是當(dāng)下需要研究的熱點課題。筆者有幸現(xiàn)場觀摩了第九屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課活動，對展示案例從教學(xué)視角進行多維度分析，提煉了實驗教學(xué)創(chuàng)新的諸多要素，以期為一線教師開展實驗教學(xué)提供參考。

一、實驗教學(xué)創(chuàng)新多維度要素分析

（一）實驗教學(xué)內(nèi)容——突出教學(xué)難點與探究實踐傾向

本次活動初中生物學(xué)科共遴選出15個案例進行說課展示，主題主要涉及以下內(nèi)容：觀察氣孔、草履蟲等，探究煙酒對動物心功能影響與危害，制作呼吸運動，血液循環(huán)，尿液形成模型并模擬生命活動過程，測定反應(yīng)速度，制作發(fā)酵食品，改造校園綠化等。上述內(nèi)容涵蓋觀察類、探究類、模型制作類、課內(nèi)外實踐類等多種實驗類型，突破了對實驗教學(xué)類型固有認(rèn)知瓶頸，拓展了課外、校外開展的實驗教學(xué)活動，且上述內(nèi)容均是概念建構(gòu)難點所在、實驗教學(xué)效果有待改進。總體而言，實驗教學(xué)內(nèi)容選擇上突出了以解決教學(xué)難點、真實情境問題為特點實驗實踐教學(xué)。

以案例“尿液形成”為例，該內(nèi)容較為抽象且微觀不易直接觀察，實際教學(xué)中主要借助腎單位結(jié)構(gòu)模型與尿液形成數(shù)據(jù)資料，引導(dǎo)學(xué)生建立原理認(rèn)知，學(xué)生因缺乏生理活動動態(tài)變化過程直觀經(jīng)驗，更多停留在知識識記理解層次，靈活應(yīng)用知識分析解決真實問題存在困難。本案例參賽教師基于教學(xué)存在的上述真實問題，創(chuàng)造性利用器材制作“尿液形成”動態(tài)模型，模擬濾過作用與重吸收作用，清晰直觀逼真地展示了血漿、原尿與尿液的差異；此外，教師引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新利用該模型探究蛋白尿、糖尿與血尿的生理機制。本實驗創(chuàng)新既有效突破了教學(xué)難點，也提供了開展探究實踐豐富學(xué)習(xí)體驗的機會。

（二）實驗教學(xué)方式——聚焦素養(yǎng)發(fā)展與問題解決導(dǎo)向

《關(guān)于加強和改進中小學(xué)中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》提出，在實驗教學(xué)中要遵循學(xué)科特點，積極推動學(xué)生開展研究型、任務(wù)型、項目化、問題式、合作式學(xué)習(xí)[1]。上述教學(xué)方式主要的學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)有情景化學(xué)習(xí)理論、項目化學(xué)習(xí)理論、社會化學(xué)習(xí)理論等，強調(diào)在真實情境中獲取問題線索、學(xué)習(xí)掌握相關(guān)概念和理論知識，并將知識應(yīng)用于真實問題解決[5]，倡導(dǎo)以合作協(xié)同方式學(xué)習(xí)。素養(yǎng)于真實問題探究解決中發(fā)展，素養(yǎng)在個體與共同體思辨思維中發(fā)展。本次活動案例多采取真實任務(wù)學(xué)習(xí)、場景化合作學(xué)習(xí)、跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)與項目化深度學(xué)習(xí)等方式進行，充分體現(xiàn)了新課標(biāo)理念下育人方式的變革。

以案例“改造校園天臺綠化”為例，教材中校園綠化設(shè)計范圍較為寬泛，缺少真實問題情境，學(xué)生參與積極性不高，參賽教師利用校園老舊天臺亟需改造的真實情境，設(shè)計了兩個驅(qū)動性問題“植物怎樣才能生長得好”“植物在天臺該如何布局”，組織學(xué)生開展兩項彼此關(guān)聯(lián)的活動探究即探究單一變量因素對植物長勢的影響與多學(xué)科融合的校園天臺綠化方案設(shè)計及實施。本案例創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下方面，以項目的形式整合了教材光合作用系列實驗，幫助學(xué)生在科學(xué)探究過程形成對植物生命活動整體性認(rèn)知，促進生命觀念建構(gòu)；同時，在由實驗向?qū)嵺`進階過程中培養(yǎng)了學(xué)生用跨學(xué)科思想解決綜合復(fù)雜問題的能力，如分析綜合、工程設(shè)計、表達交流、遷移應(yīng)用，以高階學(xué)習(xí)帶動低階學(xué)習(xí)，促進低階思維向高階思維發(fā)展。

（三）實驗教學(xué)過程——凸顯科學(xué)實證與學(xué)生主體地位

生物學(xué)是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科，是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)。科學(xué)工作依賴觀察和推論，采用基于實證的方式，是創(chuàng)造性的工作，也是團隊合作工作。學(xué)生在中學(xué)階段通過科學(xué)學(xué)習(xí)能夠形成上述有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)知，尤其在實驗實踐中關(guān)鍵的科學(xué)思維能力與探究能力能夠得到充分發(fā)展。本次活動案例，多數(shù)參賽教師將驗證性實驗轉(zhuǎn)化為探究性實驗，或者從日常生活中挖掘探究主題，鼓勵學(xué)生設(shè)計研究方案，采用各種方式獲取證據(jù)，分析處理數(shù)據(jù)，并進行邏輯推理得出結(jié)論，實驗由“他主”走向“自主”，學(xué)生像科學(xué)家一樣探究，彰顯生物學(xué)科學(xué)學(xué)科的屬性特點，充分發(fā)展學(xué)生科學(xué)論證能力。

以案例“不食煙火健康有我——探究香煙對生物的危害”為例，參賽教師課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)提出了三個問題：香煙中有哪些危害身體的成分？如何設(shè)計實驗證明香煙中含有這些有害成分？如何證實煙氣對生物個體的直觀危害？在探究環(huán)節(jié)，教師提供多模態(tài)學(xué)習(xí)資源，學(xué)生合作設(shè)計組裝搭建實驗裝置，探究香煙煙氣中存在焦油、強還原性物質(zhì)、一氧化碳等，即分子水平的體外實驗；在此基礎(chǔ)上，進一步開展體內(nèi)實驗，探究煙氣對白玉蝸牛心率的影響，學(xué)生設(shè)計制作實驗裝置，收集記錄、處理分析實驗數(shù)據(jù)，通過實驗獲得證據(jù)，用證據(jù)支持主張，接近真實科研過程，科學(xué)意味濃。以探究為核心的實驗教學(xué)能有效促進科學(xué)思維和探究實踐能力的培養(yǎng)。

（四）實驗教學(xué)評價——鏈接學(xué)業(yè)質(zhì)量與教學(xué)評一致性

實驗教學(xué)評價是實驗教學(xué)不可或缺的組成部分，既檢測實驗教學(xué)效果，也指導(dǎo)學(xué)生實驗實踐。作為過程性評價的科學(xué)探究評價量表，學(xué)生在解讀與運用量表的過程中，能夠科學(xué)設(shè)計與完善探究方案，并逐步內(nèi)化為科研邏輯，實現(xiàn)科學(xué)思維與科學(xué)技能提升；作為結(jié)果性評價的探究性報告、模型、各類作品以及進一步探究，豐富了評價內(nèi)容與方式，促進學(xué)生個性化發(fā)展。本次活動案例多以真實問題情境為載體，將評價作為探究解決問題的重要方式與核心素養(yǎng)外顯的表征，既是對學(xué)業(yè)質(zhì)量要求在實驗教學(xué)中的回應(yīng)，也是教學(xué)評一致性在實驗教學(xué)中的體現(xiàn)。

以案例“探究煙霧濃度對貴州爬巖鰍心功能的影響”為例，參賽教師采用多元評價并將其嵌入實驗教學(xué)全程，如針對科學(xué)探究各具體環(huán)節(jié)制定評價指標(biāo)，在提出科學(xué)問題維度中提煉了“自變量界定準(zhǔn)確”“因變量界定準(zhǔn)確”“自變量與因變量因果關(guān)系正確”“結(jié)合所學(xué)知識提問”“問題的價值”“積極主動參與”細(xì)則，每項細(xì)則賦分值，學(xué)生通過勾選的方式累計算分，易于操作且實用性強，整體反映了學(xué)生在科學(xué)探究方面的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，也為開展科學(xué)探究提供及時反饋。此外，該教師鼓勵學(xué)生根據(jù)探究所學(xué)內(nèi)容，利用各種方式進行健康理念與知識宣傳，如向家人進行健康宣講，制作海報進行科普宣傳，在公眾平臺做科學(xué)主播宣傳生命健康理念等。上述評價既關(guān)照學(xué)生態(tài)度責(zé)任意識培養(yǎng)，也體現(xiàn)了學(xué)科育人價值。

（五）實驗教學(xué)裝備——融合信息技術(shù)與多元場景應(yīng)用

實驗儀器或?qū)嶒炑b置是開展實驗的載體。《關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》中提出，探索利用人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段改進和強化實驗教學(xué)，為中小學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的科學(xué)教育[6]。實驗教學(xué)中除利用常規(guī)的實驗儀器，可增加傳感器等數(shù)字化實驗儀器使用，開展定量實驗研究，從數(shù)據(jù)的變化之中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、探索規(guī)律、深入理解概念。本次活動案例，多數(shù)教師嘗試自制實驗裝置或模型，融合多學(xué)科知識與方法，尤其是信息技術(shù)手段，如智能光照培養(yǎng)箱、運用3D技術(shù)制作呼吸運動模型、運用編程機器人搭建反射弧裝置等，使實驗正常開展不受環(huán)境條件制約，而且多數(shù)裝置或模型能承載不同場景需求的功能，再結(jié)合數(shù)字化現(xiàn)代技術(shù)手段，精準(zhǔn)直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)變化，促進了學(xué)生對科學(xué)原理理解。

以案例“測定反應(yīng)速度實驗創(chuàng)新及拓展”為例，常規(guī)實驗器材刻度尺、秒表難以準(zhǔn)確測出反應(yīng)時間，針對該問題，參賽教師指導(dǎo)學(xué)生利用創(chuàng)客教育中常用設(shè)備，使用觸碰傳感器、控制器、電話線、馬達和梁組裝反射弧裝置，并使用機器人編程軟件編寫反射弧程序。運用該裝置可測定性別、左右手、不同環(huán)境因素對反應(yīng)速度的影響，在控制器顯示屏上直觀顯示反應(yīng)速度數(shù)值，學(xué)生在動手實踐中提升綜合運用多學(xué)科知識技能解決真實問題能力。同時，各實驗組利用平板通過共享文檔上傳實驗數(shù)據(jù)，生成多樣化數(shù)據(jù)圖表，提高了數(shù)據(jù)處理加工效率。此外，利用該裝置還可驗證反射弧完整性，人為操作使“反射弧”相應(yīng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障，在控制器顯示屏上進行相應(yīng)報錯顯示，可幫助學(xué)生理解反射弧概念，實現(xiàn)“一器多用”。

二、實驗教學(xué)創(chuàng)新的育人價值與啟示

生物學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)形成的自然科學(xué)。實驗中蘊涵操作技能方法、科學(xué)思維方法、科學(xué)探究方法、情意品質(zhì)等，實驗教學(xué)具有獨特育人價值。實驗教學(xué)創(chuàng)新，是以教材中的實驗為探索起點，從各種不同維度如內(nèi)容與方法、技術(shù)與手段、實驗裝置、聯(lián)系生產(chǎn)生活等進行實驗再探究，采用以探究為特點的主動學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，有助于學(xué)生通過實驗內(nèi)化實驗思想方法，主動學(xué)習(xí)運用其他領(lǐng)域與學(xué)科的知識或技能，在“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”中實現(xiàn)對概念的深層次、全方位的理解與建構(gòu)，實現(xiàn)動手實踐能力、創(chuàng)新思維能力的提升，同時也拓展了實驗教學(xué)的樣態(tài)，豐富了新課標(biāo)中學(xué)習(xí)活動建議。據(jù)此，結(jié)合實驗教學(xué)創(chuàng)新要素分析，在未來的實驗教學(xué)創(chuàng)新中需要在以下方面進行積極探索。

（一）善于捕捉新問題，開展師生共參與的多路徑難題轉(zhuǎn)化

創(chuàng)新源于問題發(fā)現(xiàn)與解決問題的實踐，實驗教學(xué)中需要有敏銳而細(xì)致的觀察力，也需要有改進優(yōu)化實驗的創(chuàng)新意識，基于真實現(xiàn)象與真實問題，轉(zhuǎn)化為可探究的科學(xué)問題或者可實施項目，而且從創(chuàng)新的主體看，由教師主導(dǎo)轉(zhuǎn)向師生共參與的創(chuàng)新。如常規(guī)的眼球結(jié)構(gòu)模型不具有調(diào)節(jié)功能，針對這一問題，可開展“制作可調(diào)節(jié)眼球成像模型與護眼神器”創(chuàng)新項目研究，成立項目研究小組分解研究任務(wù)，就“大小可調(diào)節(jié)的瞳孔”“凸度可調(diào)節(jié)的晶狀體”“長度可調(diào)節(jié)的眼軸”“近距離用眼智能報警提醒”等子項目展開探究實踐。實踐表明，盡管該項目遇到了諸多困難，但通過師生持續(xù)探索與創(chuàng)造性的問題解決，最終是能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的項目目標(biāo)。

（二）加強多學(xué)科教研，尋找可應(yīng)用于本學(xué)科的技術(shù)與方法

面對真實情境中真實問題，一般具有復(fù)雜性、綜合性、挑戰(zhàn)性特點，師生會因來自技術(shù)的困惑或者知識儲備的不足而受挫。圍繞研究的實驗課題開展多學(xué)科教研，加強跨學(xué)科知識、方法、技術(shù)與應(yīng)用的交流與合作，新的技術(shù)與方法可能運用到生物學(xué)實驗創(chuàng)新之中，突破原有實驗不足之處，是學(xué)科融合助力實驗創(chuàng)新的方法。如常規(guī)的呼吸運動模型，牽拉橡皮膜會引起氣球體積的變化，學(xué)生很難直觀理解氣球體積變化與氣壓變化的關(guān)系，如果增加U型管液面實驗，將U型管裝置連接呼吸運動模型，或者借助壓強傳感器，則直觀顯示呼吸運動過程中氣壓的變化。

（三）關(guān)注自然與社會，提升實驗勾連真實情境的育人價值

實驗育人的價值不僅僅體現(xiàn)在生命觀念、科學(xué)思維、探究實踐能力方面的發(fā)展，也應(yīng)涉及態(tài)度責(zé)任品格的提升。實驗教學(xué)要加強與學(xué)生經(jīng)驗、自然與社會生活的聯(lián)系，它們可能是探究問題的來源，可能是探究結(jié)論的應(yīng)用場景，學(xué)生在關(guān)注現(xiàn)實生活中開展科學(xué)實驗，獲得對現(xiàn)實世界的理性認(rèn)識，了解科學(xué)、技術(shù)、社會相互關(guān)系，樹立健康意識和社會責(zé)任感。

三、總結(jié)展望

實驗教學(xué)作為學(xué)科課程教學(xué)重要組成部分，其創(chuàng)新需要尊重學(xué)科教學(xué)規(guī)律，遵循學(xué)科教學(xué)基本原則。實驗教學(xué)創(chuàng)新，應(yīng)以落實新課程改革倡導(dǎo)的創(chuàng)新精神與實踐能力培養(yǎng)為指引，可從實驗教學(xué)構(gòu)成要素視角，尋找分析潛在創(chuàng)新發(fā)展點，積極搭建問題解決多元支架，系統(tǒng)設(shè)計與實施創(chuàng)新方案，讓學(xué)生經(jīng)歷像科學(xué)家一樣研究問題、像工程師一樣解決問題的過程，從而實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)有效提升，亦為新時代科學(xué)教育高質(zhì)量發(fā)展提質(zhì)增效。

在素養(yǎng)時代背景下，有關(guān)實驗教學(xué)創(chuàng)新的理論基礎(chǔ)與基本原則、信息技術(shù)與實驗深度融合、跨學(xué)科融合實驗等仍值得進一步探索，需要教育同仁共同努力。

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[6]中華人民共和國教育部.關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見[ EB/ OL]. （2023- 05- 26）[2023-12- 08]. http：∥www. moe. gov. cn/ srcsite/ A29/ 202305/ t20230529_1061838. html.

（責(zé)任編輯：加順花）