基于發(fā)展科學(xué)過程技能的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)單元教學(xué)實(shí)踐

摘" "要：文章探討了高中生物學(xué)教學(xué)中科學(xué)過程技能培養(yǎng)的重要性，并提出了以單元教學(xué)理念設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)課程來促進(jìn)科學(xué)過程技能培養(yǎng)的方法。以“酵母菌的培養(yǎng)及觀察種群數(shù)量的變化”為例，通過將教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)室無菌技術(shù)、酵母菌純化培養(yǎng)、酵母菌計(jì)數(shù)、培養(yǎng)液中酵母菌生長(zhǎng)曲線繪制等技術(shù)原理與實(shí)踐操作有機(jī)融合，有助于學(xué)生自主建構(gòu)重要概念、培養(yǎng)科學(xué)思維、掌握科學(xué)過程技能。

關(guān)鍵詞：高中生物；科學(xué)過程技能；單元教學(xué)；實(shí)驗(yàn)課程

科學(xué)過程技能是高中生物學(xué)課程的重要目標(biāo)，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）》提出的課程理念之一是教學(xué)過程重實(shí)踐[ 1 ]。強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生在自主探索過程中不斷認(rèn)識(shí)自然界，構(gòu)建科學(xué)概念，同時(shí)掌握基本的科學(xué)研究方法和技能，這些技能被稱為“科學(xué)過程技能”[ 2 ]。

1" 高中生物學(xué)教學(xué)中需要重視科學(xué)過程技能的培養(yǎng)

科學(xué)過程技能是科學(xué)教育的重要內(nèi)容。高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含著許多技能方法，如基本技能（觀察、推理、測(cè)量、交流、分類和預(yù)測(cè)）和綜合技能（控制變量、形成假設(shè)、解釋數(shù)據(jù)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和構(gòu)建模型），這些技能不僅對(duì)于生物學(xué)學(xué)習(xí)至關(guān)重要，對(duì)于學(xué)生未來的科學(xué)研究和職業(yè)發(fā)展也有很大的幫助[ 1 ]。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)過程技能也是是高中生物學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)之一。通過培養(yǎng)學(xué)生的觀察、實(shí)驗(yàn)、推理和分析能力，可以幫助學(xué)生更好地理解生物學(xué)知識(shí)，掌握科學(xué)方法和技術(shù)，發(fā)展科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

第一，高中生物學(xué)教學(xué)需要重視培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實(shí)驗(yàn)的能力。觀察是科學(xué)研究的起點(diǎn)，也是科學(xué)探究的基本方法之一。在生物學(xué)教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過觀察生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)現(xiàn)生物學(xué)現(xiàn)象，提出問題，進(jìn)一步開展科學(xué)探究。實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)教學(xué)的重要手段之一，實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解生物學(xué)現(xiàn)象的原理和規(guī)律，掌握科學(xué)方法和科學(xué)技術(shù)。教師還需要指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)記錄和分析等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的整體實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

第二，高中生物學(xué)教學(xué)需要重視培養(yǎng)學(xué)生的推理、分析能力。推理是科學(xué)探究的基本方法之一，也是科學(xué)過程技能的重要組成部分。在生物學(xué)教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過歸納、演繹、類比等方法進(jìn)行推理，幫助學(xué)生理解生物學(xué)原理和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題；需要引導(dǎo)學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表等形式呈現(xiàn)的信息，得出科學(xué)結(jié)論，發(fā)展學(xué)生的分析能力。

因此，教師在生物學(xué)教學(xué)中需要重視學(xué)生的科學(xué)過程技能的培養(yǎng)，為學(xué)生未來的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過引導(dǎo)學(xué)生參與較為完整的科學(xué)實(shí)踐過程，有助于其更好地理解科學(xué)知識(shí)，自主建構(gòu)重要概念，培養(yǎng)科學(xué)思維，掌握科學(xué)過程技能。

2" 單元教學(xué)在培養(yǎng)科學(xué)過程技能中的作用

2.1" 單元教學(xué)的特點(diǎn)

單元教學(xué)以一個(gè)中心主題為核心，將相關(guān)的內(nèi)容、技能、概念整合在一起，有助于學(xué)生將不同模塊的內(nèi)容聯(lián)系起來，形成更完整的認(rèn)知圖景，并且有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和發(fā)展解決問題的技能。在由“解題”到“解決問題”的新高考要求轉(zhuǎn)變形式下，應(yīng)更加注重學(xué)生對(duì)概念的深度學(xué)習(xí)，提高對(duì)所學(xué)知識(shí)和方法靈活運(yùn)用的能力及解決實(shí)際問題的能力。通過制定適當(dāng)?shù)膯卧黝}，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的“解決問題”的情境，激發(fā)學(xué)生求知的欲望，有助于發(fā)展其生物學(xué)的核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

2.2" 單元教學(xué)有助于培養(yǎng)科學(xué)過程技能

科學(xué)過程技能包括觀察、實(shí)驗(yàn)、推理、分析和解釋數(shù)據(jù)等。單元教學(xué)強(qiáng)調(diào)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，通過將教學(xué)內(nèi)容按照一定的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，特別是實(shí)驗(yàn)課程的整合，有助于學(xué)生在單元主題下開展一系列實(shí)驗(yàn)[ 3 ]。這些活動(dòng)需要他們運(yùn)用多種科學(xué)過程技能來探究和解決問題，從而加深對(duì)概念和原理的理解，也有利于整體概念體系和實(shí)驗(yàn)方法體系的構(gòu)建。圍繞“酵母菌的培養(yǎng)及觀察種群數(shù)量的變化”開展實(shí)驗(yàn)單元教學(xué)，將教材中相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，包含實(shí)驗(yàn)室無菌技術(shù)、酵母菌或者細(xì)菌的數(shù)量計(jì)數(shù)、搜集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理并進(jìn)行酵母菌生長(zhǎng)曲線繪制等技術(shù)原理與實(shí)踐操作有機(jī)融合，有助于學(xué)生在整個(gè)科學(xué)實(shí)踐過程中自主建構(gòu)科學(xué)概念、培養(yǎng)科學(xué)思維、掌握科學(xué)過程技能。

3" 基于發(fā)展科學(xué)過程技能的單元教學(xué)主題的確定

3.1" 從解決學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)出發(fā)

“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”是人教版教科書生物學(xué)選必2（2019版，以下同）第一章第2節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)了種群數(shù)量的變化后的“探究.實(shí)踐”活動(dòng)，已經(jīng)理解了“取樣調(diào)查”的思想，學(xué)習(xí)了種群數(shù)量變化有增長(zhǎng)、波動(dòng)甚至下降，掌握了通過數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)事物發(fā)展的規(guī)律。但筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)學(xué)生理解這部分內(nèi)容時(shí)出現(xiàn)了認(rèn)知難點(diǎn)，主要原因是這部分內(nèi)容需要學(xué)生從宏觀角度解釋生命現(xiàn)象。在這之前學(xué)習(xí)選必1時(shí)，要求學(xué)生對(duì)個(gè)體水平的生命現(xiàn)象的理解，內(nèi)容較貼近生活，教師講解時(shí)可以舉許多生活的實(shí)例幫助學(xué)生理解，而本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容既是微觀的微生物的生命現(xiàn)象又是種群水平的宏觀現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力要求提高了不少。對(duì)于這部分內(nèi)容創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境有一定難度，筆者認(rèn)為可以通過對(duì)“酵母菌實(shí)驗(yàn)”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行整合的基礎(chǔ)上開展一系列的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生邊動(dòng)手邊思考，逐漸由對(duì)酵母菌個(gè)體水平的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)群體水平現(xiàn)象的理解，在獲得真實(shí)體驗(yàn)的同時(shí)理解概念，由感性認(rèn)識(shí)上升到理性的科學(xué)思維，從而理解宏觀層次的生命系統(tǒng)。

3.2" 從教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯出發(fā)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中的生物學(xué)教學(xué)中的地位舉足輕重，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)十分重要，但教材中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往分布于不同模塊不同章節(jié)中，雖然遵循了學(xué)生循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)規(guī)律，但在具體實(shí)驗(yàn)中學(xué)生往往需要完整的實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)和技能，才能更好地完成實(shí)驗(yàn)和理解實(shí)驗(yàn)中的規(guī)律。否則，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中只能被動(dòng)地跟隨教師講解的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，無法發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程真正的作用，更無法實(shí)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)真理、理解概念的作用。例如在探究酵母菌種群數(shù)量變化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往會(huì)提出培養(yǎng)液中是否有其他菌體存在而影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，如何使酵母菌純化？而相關(guān)知識(shí)需要選必3模塊才接觸到。教師往往困于課時(shí)限制，無法對(duì)學(xué)生深入講解，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體理解，甚至這樣的知識(shí)“倒裝”會(huì)降低學(xué)生的積極性。如必修2模塊中“探究抗生素對(duì)細(xì)菌的選擇作用”，已經(jīng)涉及微生物的培養(yǎng)和利用培養(yǎng)基中的特殊成分對(duì)微生物進(jìn)行篩選，但學(xué)生此時(shí)還未接觸培養(yǎng)基的配制知識(shí)，容易產(chǎn)生疑問。到選必3模塊的相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需重新花時(shí)間學(xué)習(xí)微生物的培養(yǎng)和通過選擇培養(yǎng)基對(duì)特定微生物的篩選，在知識(shí)上出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象。而通過單元教學(xué)將教材內(nèi)容按照學(xué)生的認(rèn)知需求重新整合，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律且避免不必要的重復(fù)，有助于學(xué)生完善概念體系的構(gòu)建。

4" 單元任務(wù)的設(shè)定

布魯納的發(fā)現(xiàn)教學(xué)法認(rèn)為：向?qū)W生傳授現(xiàn)成的知識(shí)不能成為教師的主要任務(wù)，而是要為學(xué)生的發(fā)現(xiàn)活動(dòng)創(chuàng)造條件、提供支持。以往本實(shí)驗(yàn)由教師準(zhǔn)備材料、配制培養(yǎng)基、準(zhǔn)備菌種、接種培養(yǎng)等，再由學(xué)生取樣計(jì)數(shù)，學(xué)生的活動(dòng)簡(jiǎn)單、機(jī)械，最終通過數(shù)據(jù)進(jìn)行分析“種群數(shù)量的變化”的體驗(yàn)感不強(qiáng)。筆者嘗試打破教材不同模塊的界限，將與本單元相關(guān)的內(nèi)容加以整合，達(dá)到“用教材教”而非僅是“教教材”。因此，依據(jù)課標(biāo)要求及發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)，制定本單元教學(xué)任務(wù)如表1所示。

通過設(shè)置單元任務(wù)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)過程技能，為學(xué)生的探究活動(dòng)創(chuàng)造條件、提供支持，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中體驗(yàn)科學(xué)過程、掌握科學(xué)技能、團(tuán)結(jié)協(xié)作、充分表達(dá)與交流、獲得探索樂趣，以達(dá)到發(fā)展生命觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的目標(biāo)，同時(shí)也能提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

5" 單元教學(xué)的實(shí)施

5.1" 課前準(zhǔn)備

教師通過微課推送的形式，學(xué)生自主學(xué)習(xí)：①酵母菌的特點(diǎn)、代謝類型、出芽生殖和有性生殖等相關(guān)知識(shí)；②高壓蒸汽滅菌鍋和干熱滅菌箱的使用方法；③數(shù)碼顯微鏡的構(gòu)造和使用方法，學(xué)生完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)單提交，教師評(píng)價(jià)（表2）。由于實(shí)驗(yàn)室容量有限，課前分小組，7-8人為一組，選出小組長(zhǎng)，利用課余時(shí)間由各小組長(zhǎng)共同進(jìn)行酵母菌培養(yǎng)液的配制，由實(shí)驗(yàn)教師為小組長(zhǎng)示范高壓蒸汽滅菌鍋的使用方法與注意事項(xiàng)，學(xué)生邊操作邊討論、交流，共同完成培養(yǎng)液的配制和滅菌以及將要用到的器皿的干熱滅菌、培養(yǎng)液定容等。

5.2" 實(shí)施課程

[課時(shí)1] 學(xué)生以小組為單位共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、寫出實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行交流、相互評(píng)價(jià)。學(xué)生提出若按照教材中每日取樣計(jì)數(shù)的方法，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，而且容易造成雜菌污染，通過查閱資料和進(jìn)一步討論，兩個(gè)教學(xué)班學(xué)生決定分別采取不同實(shí)驗(yàn)方案：其中一個(gè)班采取1-7日每日由不同小組分工接種酵母菌于培養(yǎng)瓶后，放置恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，以期能在同一時(shí)間對(duì)分別培養(yǎng)1-7日樣品的取樣、計(jì)數(shù)；另一個(gè)教學(xué)班采用與教材一致的方法做7組實(shí)驗(yàn)，每日進(jìn)行計(jì)數(shù)、分析，其中遇到周末時(shí)間則將酵母菌培養(yǎng)液放置4 ℃冰箱保存（經(jīng)查閱資料，酵母菌在4 ℃時(shí)繁殖緩慢，幾乎不影響種群數(shù)量計(jì)數(shù)）。通過學(xué)生小組合作制定實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)合作精神。

[課時(shí)2] 酵母菌的純化培養(yǎng)采取稀釋涂布平板法，學(xué)生利用課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室完成倒平板，課上學(xué)習(xí)涂布平板和無菌操作后，對(duì)已經(jīng)活化的酵母菌進(jìn)行稀釋涂布平板并做好標(biāo)記。期間學(xué)習(xí)并實(shí)施對(duì)培養(yǎng)液中微生物的稀釋方法，學(xué)生依實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中依據(jù)實(shí)際情況對(duì)實(shí)驗(yàn)方案做出合理修正，培養(yǎng)了勇于克服困難、敢于質(zhì)疑、鍥而不舍的科學(xué)精神。

學(xué)生利用課余時(shí)間對(duì)純化的酵母菌取樣接種到已配制好的培養(yǎng)液中，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采取不同接種方式。

[課時(shí)3] 教學(xué)班1采取集中對(duì)培養(yǎng)不同時(shí)間的培養(yǎng)液中酵母菌進(jìn)行取樣、稀釋、計(jì)數(shù)，因采用數(shù)碼顯微鏡計(jì)數(shù)，效率較高，學(xué)生能自行設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)表格，課后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、繪制生長(zhǎng)曲線。教學(xué)班2采取小組接力計(jì)數(shù)法，每天由一個(gè)小組利用課余時(shí)間對(duì)酵母菌計(jì)數(shù)、記錄數(shù)據(jù)，期間要特別注意無菌操作，最后匯總數(shù)據(jù)、繪制生長(zhǎng)曲線。學(xué)生經(jīng)歷了完整的實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)了科學(xué)過程技能，科學(xué)過程“藍(lán)圖”在學(xué)生腦海中更加清晰。

[課時(shí)4] 選取小組代表匯報(bào)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程、呈現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和建模結(jié)果，期間其他小組成員對(duì)該小組的實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過討論交流和相互評(píng)價(jià)，提高了學(xué)生的辯證思維能力，同時(shí)發(fā)展了科學(xué)思維和科學(xué)探究的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

6" 反思

在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，教師需明確每個(gè)單元的教學(xué)目標(biāo)，并精心策劃富有探索性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，這不僅讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，觀察科學(xué)現(xiàn)象，還能培養(yǎng)他們分析和總結(jié)的能力，從而真正掌握科學(xué)過程技能。此外，教師也可利用小組討論、團(tuán)隊(duì)合作等方式，激發(fā)學(xué)生的互動(dòng)和合作精神，促進(jìn)彼此間的交流與共同進(jìn)步；充分利用現(xiàn)代科技工具，如數(shù)碼顯微鏡、在線數(shù)據(jù)庫等，幫助學(xué)生更深入地理解和掌握科學(xué)知識(shí)。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的反饋，根據(jù)反饋及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和策略，確保達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，做到“備-教-學(xué)-評(píng)”一致性；在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中教師還應(yīng)該鼓勵(lì)、發(fā)展學(xué)生的批判性思維，引導(dǎo)他們對(duì)科學(xué)現(xiàn)象和結(jié)論提出質(zhì)疑，以促進(jìn)深層次的學(xué)習(xí)和理解；通過設(shè)計(jì)有趣的教學(xué)活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣，使其更加主動(dòng)地參與到科學(xué)學(xué)習(xí)中來。

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