“三層進(jìn)階”驅(qū)動生物學(xué)創(chuàng)新實驗深度培育科學(xué)探究素養(yǎng)

中圖分類號：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）11-0067-04

科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，也是實施生物學(xué)教學(xué)的重要途徑?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提到，“科學(xué)探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及對結(jié)果的交流與討論的能力[115。在科學(xué)研究中，觀察現(xiàn)象和提出問題是基本前提，實驗設(shè)計和實施是核心環(huán)節(jié)，對實驗結(jié)果精確表達(dá)和交流是從事科研工作的關(guān)鍵能力。如何在實驗教學(xué)中真正落實這些技能的訓(xùn)練，是培育科學(xué)探究素養(yǎng)亟待解決的問題。

培育科學(xué)探究素養(yǎng)的終極目標(biāo)是培養(yǎng)“以知促行，知行合一”的人。在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中，教師常以“講”實驗的方式培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。實驗操作差之毫厘，實驗結(jié)果可能謬以千里，學(xué)生在實驗過程中動腦、動手、動筆缺一不可。因此，在實驗教學(xué)中應(yīng)強化學(xué)生親身體驗、動手操作、探索求知和創(chuàng)新創(chuàng)造等過程。本研究以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為基礎(chǔ)，采用“三層進(jìn)階”實施生物學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)，以期有效達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的目標(biāo)。

一、從學(xué)習(xí)進(jìn)階理論到“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)

（一）學(xué)習(xí)進(jìn)階理論概述

2004年，美國科學(xué)學(xué)業(yè)成就評價委員會的研究報告中稱，學(xué)習(xí)進(jìn)階是一系列連續(xù)的、更復(fù)雜的思考方式，這些思考方式在學(xué)生學(xué)習(xí)中被合理地相繼遵循著[2]。學(xué)習(xí)進(jìn)階是一組水平層級（如圖1所示）：初始層級是學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗所具有的初始水平；最高層級是進(jìn)階的終點，通常是《課程標(biāo)準(zhǔn)》對學(xué)生的學(xué)業(yè)要求。進(jìn)階意味著學(xué)生從簡單認(rèn)識到深度理解的發(fā)展，它不是一種自發(fā)的過程，需要教師精心設(shè)計教學(xué)活動，促進(jìn)其發(fā)生。

筆者在觀摩實驗課堂時發(fā)現(xiàn)，生物學(xué)實驗教學(xué)存在著一些問題：首先，實驗內(nèi)容往往脫離真實情景，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；其次，大多學(xué)生只是單純體驗實驗操作過程，實驗的探究性不強；最后，學(xué)生完成實驗后缺少對實驗結(jié)果的分析、表達(dá)和交流。在這樣的實驗課堂中，學(xué)生被動完成實驗，參與的認(rèn)知水平較低，難以達(dá)成培育科學(xué)探究素養(yǎng)的目標(biāo)?？茖W(xué)探究素養(yǎng)的培育不是一蹴而就的，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為上述問題的解決提供了思路。教師可有意識地規(guī)劃實施進(jìn)階實驗教學(xué)活動，讓學(xué)生逐步突破最近發(fā)展區(qū)進(jìn)而發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)。

（二）“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)概述

國務(wù)院印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》強調(diào)，提高全民科學(xué)素質(zhì)需要弘揚科學(xué)精神，提高勞動、生產(chǎn)、創(chuàng)新創(chuàng)造的技能[3]。這與高中生物學(xué)課程理念“教學(xué)過程重實踐”不謀而合，學(xué)生在做中學(xué)、在做中思，可以全方位提升科學(xué)探究素養(yǎng)。南寧市第三中學(xué)生物學(xué)教研組嘗試將生產(chǎn)生活問題融入生物學(xué)實驗教學(xué)，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論構(gòu)建了“三層進(jìn)階”生物學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)模式（如圖2所示），讓學(xué)生在系統(tǒng)的學(xué)習(xí)活動中逐層遞進(jìn)地發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)。

“三層進(jìn)階”生物學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)包括實踐體驗、拓展實驗、課題研究三個階段。在高一年級實踐體驗環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生在簡單的實驗中觀察現(xiàn)象，提出感興趣的問題并做出假設(shè)；在高二年級開設(shè)探究性較強的課本拓展實驗，訓(xùn)練學(xué)生的實驗設(shè)計和實施能力；在高三年級課題研究階段引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識和技能解決真實問題，提升學(xué)生的表達(dá)交流能力。在此過程中，教師圍繞同一個學(xué)習(xí)主題，為學(xué)生從初始層級到達(dá)最高層級“搭建階梯”，由淺入深地突破科學(xué)探究的若干困境。

二、“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)的應(yīng)用：以\"釀制甜酒\"為例

發(fā)酵食品是我國傳統(tǒng)飲食文化的重要組成部分，甜酒是深受人們喜愛的發(fā)酵食品，其制作工藝簡單、發(fā)酵時間相對較短。學(xué)習(xí)釀制甜酒，有利于學(xué)生掌握發(fā)酵知識和技能，同時增強文化認(rèn)同感。現(xiàn)以“釀制甜酒”為例介紹“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)的應(yīng)用。

（一）明確《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求

《課程標(biāo)準(zhǔn)》是教材編寫、教學(xué)實施、學(xué)業(yè)評價的重要依據(jù)，它根據(jù)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，結(jié)合課程內(nèi)容，刻畫不同學(xué)段學(xué)生學(xué)業(yè)成就的具體表現(xiàn)，形成了學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的評價標(biāo)準(zhǔn)，為教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)\"提供指導(dǎo)。對《課程標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行整體解讀，不僅能使教師深刻理解相應(yīng)的教學(xué)理念，還能幫助教師構(gòu)建系統(tǒng)的教學(xué)框架，提升教學(xué)效果與育人成效。教師在對某一主題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，需要從內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求、教學(xué)提示、學(xué)業(yè)質(zhì)量等四個方面對《課程標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行解讀[4]。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中與“釀制甜酒”相關(guān)的內(nèi)容要求有“舉例說明日常生活中的某些食品是運用傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的[1128”。相應(yīng)的學(xué)業(yè)要求是說出發(fā)酵工程的基本原理，選取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和方法，進(jìn)行簡單的設(shè)計和制作，對生活中有關(guān)發(fā)酵的話題，基于證據(jù)表明自己的觀點并展開討論[1131；教學(xué)提示是教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計并實施實驗或安排學(xué)生收集資料并撰寫報告[1130，側(cè)重操作實踐，適于科學(xué)探究素養(yǎng)的培育；對科學(xué)探究素養(yǎng)的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平評價標(biāo)準(zhǔn)描述為針對特定情境提出可探究的問題，設(shè)計并實施探究實驗，主動合作推進(jìn)探究方案的實施，運用科學(xué)術(shù)語報告結(jié)果[1]75

（二）分析學(xué)生初始水平

學(xué)生是教學(xué)活動的主體，教學(xué)的最終目的是促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。為達(dá)成教學(xué)目的，教師除了明確學(xué)業(yè)質(zhì)量的潛在水平，還應(yīng)關(guān)注學(xué)生的現(xiàn)有水平。學(xué)生在日常生活中積累的經(jīng)驗、在以往的學(xué)習(xí)中獲取的知識、在實踐活動中形成的能力都會影響教學(xué)的效果。教師在設(shè)計教學(xué)活動時應(yīng)尊重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，認(rèn)識到學(xué)生是主動的知識建構(gòu)者，同時學(xué)生的認(rèn)知又具有階段性和限制性[5]。在指向科學(xué)探究素養(yǎng)培育的實驗教學(xué)設(shè)計中，除了分析學(xué)生原有知識和經(jīng)驗，還應(yīng)分析學(xué)生的初始探究能力。

學(xué)生在日常生活中經(jīng)常食用發(fā)酵食品，對發(fā)酵技術(shù)有一定的了解。生物學(xué)教材也多次提及傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作，例如：人教版初中生物學(xué)教科書八年級上冊介紹了利用酒曲中的微生物制作米酒；人教版高中生物學(xué)教科書必修第一冊介紹了發(fā)酵食品的制作與微生物的細(xì)胞呼吸有關(guān)，選擇性必修第三冊以“制作泡菜”“制作果酒和果醋”為例介紹了傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)；初中教材還編入了“制作米酒”實驗，由于一節(jié)實驗課不能完成米酒的制作，教師通常建議學(xué)生在家長的協(xié)助下完成實驗。而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，極少學(xué)生課后能親自動手操作，由于學(xué)生缺乏實踐體驗，真實的動手實踐將給學(xué)生帶來一定的挑戰(zhàn)。

（三）明確“三層進(jìn)階”內(nèi)容

教師根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求和學(xué)生初始水平，即挖掘?qū)W生的最近發(fā)展區(qū)，刻畫出學(xué)生的潛在水平。根據(jù)“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)理念，教師圍繞某一特定教學(xué)主題，設(shè)計不同學(xué)段的進(jìn)階水平以及能支持學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)活動，使學(xué)生逐步提升至《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平。甜酒是深受人們喜愛的食品，其制作工藝簡單，故以“釀制甜酒”為主題在三個年級統(tǒng)籌設(shè)計“三層進(jìn)階”實驗教學(xué)，具體內(nèi)容如表1所示。

（四）實施“三層進(jìn)階\"教學(xué)

1.實踐體驗一一利用不同的糧食釀制甜酒

真實的體驗才能引發(fā)真實的問題，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生尋求答案的熱情。教師為學(xué)生設(shè)置真實的情境，學(xué)生親自動手實驗，進(jìn)行科學(xué)觀察，才能提出可探究的問題。進(jìn)行實驗觀察時，僅通過自身感官直接觀察是不夠的，還應(yīng)借助儀器有目的、有計劃地觀察，以獲得有價值的科學(xué)事實。在提出問題、做出假設(shè)環(huán)節(jié)，教師需引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分不同類型的問題，特別是明確哪些問題具有研究價值且可通過實驗檢驗，并可用清晰的術(shù)語界定。學(xué)生分析問題，探討其中的因果關(guān)系，通過查閱資料等方式對提出的問題進(jìn)行暫時性的解釋。

以“釀制甜酒”教學(xué)為例，在生活中人們通常選用糯米制作甜酒，實際上含淀粉的糧食都能釀制甜酒，如大米、黑米等。教師給學(xué)生提供三種實驗材料一一糯米、大米、黑米，學(xué)生選擇其中一種完成實驗并展示。在展示評價環(huán)節(jié)，除品嘗外，學(xué)生用濁度計、酒精計、糖度計等儀器測量發(fā)現(xiàn)，不同材料制作的甜酒的澄清度、酒味和甜味不相同。學(xué)生查閱資料發(fā)現(xiàn)，不同糧食的直鏈淀粉和支鏈淀粉含量不同，這影響甜酒發(fā)酵的結(jié)果。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步提出可探究的問題，如酒曲種類和用量、發(fā)酵溫度和時間是否影響甜酒風(fēng)味等。

2.拓展實驗 探究影響甜酒風(fēng)味的因素

實驗設(shè)計是科學(xué)研究中重要且難度較大的一個環(huán)節(jié)，只有設(shè)計邏輯嚴(yán)密、合理的實驗方案，才能確保實驗結(jié)果是可信的。由于課本實驗以操作性實驗或驗證性實驗為主，學(xué)生缺乏自主設(shè)計探究實驗的訓(xùn)練和指導(dǎo)。通過高一年級的實踐體驗，學(xué)生掌握了基本的發(fā)酵知識與技能，在高二年級可進(jìn)一步開展相關(guān)的拓展實驗教學(xué)。教師教會學(xué)生像科學(xué)家一樣有條理地思考和行動，解讀實驗設(shè)計、實驗實施的內(nèi)涵，列出清晰的拓展實驗教學(xué)任務(wù)（如表2所示），從識別和控制變量、設(shè)計對照實驗、開展重復(fù)實驗等三個環(huán)節(jié)進(jìn)行拓展實驗教學(xué)。

3.課題研究——如何提高自釀甜酒的經(jīng)濟效益

科學(xué)探究是具有創(chuàng)造性的工作，對某些社會問題進(jìn)行課題研究，可以鍛煉學(xué)生基于證據(jù)表明自己的觀點并展開討論的能力，為解決社會問題做出科學(xué)的決策?？茖W(xué)探究還具有公開性和精確性，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)據(jù)深入思考，以符合邏輯的方式呈現(xiàn)資料，用清晰的科學(xué)術(shù)語展開交流。在課題研究環(huán)節(jié)，教師指導(dǎo)學(xué)生制訂調(diào)查計劃、撰寫實驗報告等，并組織開展學(xué)術(shù)報告會為學(xué)生提供交流分享的平臺，讓學(xué)生模擬科學(xué)家開展科學(xué)探究，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

以“釀制甜酒”教學(xué)為例，經(jīng)過高一年級和高二年級的學(xué)習(xí)，學(xué)生熟練掌握了甜酒的釀制方法，弄清了各種因素對甜酒風(fēng)味的影響。如何將這些實驗成果轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益呢？教師借助學(xué)校“美食一條街”的活動，指導(dǎo)高三生物學(xué)興趣小組開展課題研究，調(diào)研消費者的口味偏好，利用實驗室研發(fā)各種風(fēng)味的甜酒。在保證食品安全的前提下，綜合考慮消費者的需求、原料的價格及市場環(huán)境等因素，開發(fā)符合大眾口味的甜酒飲品，并在“美食一條街\"活動中售賣。之后小組成員分享課題研究過程的收獲和不足，總結(jié)提高自釀甜酒經(jīng)濟效益的方法。

三、“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)的成效與展望

2021年進(jìn)入新一輪高中課程改革后，南寧市第三中學(xué)生物學(xué)教研組依托學(xué)校生物學(xué)實驗室、生態(tài)勞動教育基地、校外研學(xué)基地等，探索形成了“三層進(jìn)階”生物學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)，建立了系統(tǒng)的科學(xué)探究素養(yǎng)培育路徑。目前，已取得了一定的成效：學(xué)生在自治區(qū)科普創(chuàng)新實驗比賽中獲獎3項，在全國青少年創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽中獲獎1項，申請設(shè)計專利1項；學(xué)校教師實驗教學(xué)專業(yè)化水平獲得提升，教師參加自治區(qū)中小學(xué)實驗說課活動獲獎5人次。

不過，在實施“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)的過程中也面臨一些問題，如學(xué)生在定量測量、數(shù)據(jù)處理及用數(shù)學(xué)方法分析數(shù)據(jù)等方面表現(xiàn)欠佳，綜合性實驗的設(shè)計思路和研究方法較為局限等。今后實施“三層進(jìn)階”創(chuàng)新實驗教學(xué)時，教研團隊將整合不同學(xué)科的教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實驗裝置，加強定量測量的教學(xué)；將信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合，發(fā)展學(xué)生的數(shù)據(jù)處理、模型建構(gòu)等能力；開展跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生綜合發(fā)展，為學(xué)生未來學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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注：本文系廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度專項課題\"高中生物學(xué)‘雙導(dǎo)三創(chuàng)'實驗教學(xué)培育科學(xué)家精神的實踐研究\"（2024ZJY997）的研究成果。

（責(zé)編 劉小璦）