高中生物探究性实验开放式教学模式的探索与研究

2021-09-12张媛

海外文摘·学术 2021年9期

张媛

摘要：开放式实验教学模式，突破传统被动教学模式羁绊，拓展学生的思维空间，通过创新、包容、灵活的方式，充分利用或者调动课堂内外的教育资源，发挥教师引导作用，激发学生学习兴趣，培养学生学习的主动性、严谨性和科学性。本研究以高一年级222名学生为研究对象，运用SPSS25.0统计软件，分析了10个指标以及对生物学习成绩影响的主要因素。经过降维、主成分统计分析得到，影响学生生物成绩的5个主成分依次为“开放式教学模式内涵”“开放式教学维度”“开放式教学模式评价”“合作式的开放式探究性实验”“培养创新能力”。研究结果表明“导师制度下，学生为主体”的个性化课程的开发是高中生物探究性实验开放式教学模式的关键，个性化课程是学校实现特色发展的关键。

关键词：高中生物实验;开放式教学模式;主成分分析

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1003-2177（2021）09-0093-05

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》之实施建议中明确指出，加强和完善生物学实验教学。高中生物教学过程中，引导学生能够对实验中的知识进行迁移、灵活运用非常重要。开放式教学模式应运而生，突破传统教学模式羁绊，注重学生科学态度、创新精神和实践探究能力的培养。通过开放式教学模式的实施引导学生积极主动的参与教学活动，全面实现学生教学主体性和主观能动性的有效发挥，为学生生物综合能力和素养的提升奠定坚实基础。因此，对高中生物学开放式探究性实验教学模式的内涵、维度、意义及其影响因素的可行性等问题进行探讨，有一定的现实意义。

1高中生物探究性实验开放式教学模式的内涵

开放式实验教学是教学改革过程中产生的一种新型的实验教学模式，以布鲁纳的结构主义发现学习理论和霍华德·加德纳的多元智能理论为基础，强调突出开放的实验教学环境中，以学生为教学的中心。在实验教学开展过程中，给予学生充分自主权，让学生能够根据自己的兴趣爱好和能力水平，选择适合学生自己的实验课题。通过设立探究实验目标，采取问题驱动的方式，自主设计实验方案（包括步骤及实施过程），在教师的引导和点拨下，有目的地开放实验资源，增强生物实验教学的自主和处理能力、批判思维能力、分析和解决问题的能力，达到探究性实验教学目标的要求，强调自我学习的过程，独立完成生物实验，突出倡导探究教学模式，体现鲜明的科学色彩和探究学习理念，培养学生创新思维，发展学生解决问题和创造能力。

本课题中高中生物探究性实验开放式教学是指以本校生化分子实验室为实践平台，以高一年级为主体，施行导师制度，在完成常规生物实验教学任务前提下，督促学生通过主动查阅背景资料、理解实验原理、讨论并预设实验方案、进行实验并同步分析实验及随时进行生生交流和师生交流等有效途径，获取科学知识，领悟核心概念，形成自己的观点，发表自己看法，达到探究性实验教学目标的要求，强调自我学习的创新性思维。

2开放式教学模式在生物实验教学中发展历程及现状

“开放式教学”是近现代教育改革中逐渐发展的，最初起始于人本主义教学理论中“课堂讨论模型”和“开放课堂模型”以及建构主义的教学模式[1]。20世纪70年代日本学者在《日本课堂活动中的开放式数学教学》报告中主张对教学思想和教学行动进行开放[2]。从美国的开放式教学模式的发展历程来看，该模式主要目标在于培养学生的探究精神，使学生注重探究过程，发展学生解决问题的能力和创造能力[3]。在美国高中课程选修中，约有2/3的学生选择生物学[4]。我国生物学科开放式教学模式的研究和应用相对滞后，至今已有接近百种教学模式被高中生物教学借鉴和发展[5]。2009年由北京大学、浙江大学等学校共同承担的高等教育教学专题题目“高等学校开放式创新性实验教学体系的研究与实践”，在160余所高校共同参与下完成验收，系统论述了关于开放式教学在高校实验教学中应用的各方面问题，成为开放式教学在实验教学中应用研究的标志性成果[6]。对高中生物探究性实验教学模式的研究在中国还属于探索阶段，尚未形成一个比较完整的理论体系[7]。2011年，《重视开放式实验教学提高学生综合能力》一文主张开放式实验教学要从教学的各个环节入手，变革传统实验教学方法，突出学生主体性，把实验教学和学生发展的需要紧密联系起来[8]。2012年主张开放式教学模式在高中生物實验教学中，对生物实验内容的开放，围绕实验内容的开放对实验教学中涉及的教学方法、教学时间和空间等要素调整和优化，达到提高实验教学效果的目的[9]。宋国利等研究者指出开放式实验教学模式中实验课程模块化和项目层次化是开放式实验教学模式的主要内涵[10]。对高中生物探究性实验开放式教学模式的研究在中国还属于探索阶段，通过高中生调查数据的整理、分析开放式教学模式对生物学习成绩的影响及相关因素的分析尚属空白。

3 开放式教学在高中生物探究性实验教学中的开展与实施

3.1高中生物探究性实验开放式教学模式的探索与研究的目标

本研究利用统计软件SPSS25.0[11]，运用主成分分析的方法[12]，对高一年级学生进行了开放式教学模式相关因素及对成绩的影响进行了系统分析，为提高探究性实验教学质量及提高学生生物素养提供基础依据[13]。在探究性实验开放式教学模式下，相关因素对学生生物成绩的影响，不仅反映出学生牢固掌握生物知识的程度，还能反映出培养学生良好思维方式和学习能力。

3.2主成分分析过程

3.2.1主成分分析的基本思路及原理

主成分分析是降维，在损失极少信息的前提下，将多个指标转化为几个综合指标的多元统计方法。将多个自变量通过线性变换以选出较少重要变量的一种方法。主成分分析的思想是将原来众多具有一定相关性的变量，重新组合成一组新的互相无关的综合指标来代替原来的指标。它借助一个正交变换，将其分量相关的原随机向量转化成其分量不相关的新随机向量。

3.2.2主成分分析的数学模型

设有n个样本，每个样本观测p项指标（变量）： X1， X2， ……， Xp，得到原始数据资料阵：

其中XI=（x1ix2i…xni）′，I=1，2，…，p

用数据矩阵X的p个向量X1， X2， …， Xp，作线性组合为：

Fi=a1iX1+a2iX2+…+apiXp， i=1， …， p，其中Xi是n维向量，所以Fi也是n维向量。其中a1i，a2i， ……，api（i，……，m）为X的协方差阵∑的特征值对应的特征向量，X1，X2，……，Xp是原始变量经过标准化处理的值。

4影响学生生物成绩的10个指标相关性分析

以本校高一年级222名学生作为调查对象，进行高中生物开放式探究性实验教学情况调查，有效样本为216人。原始数据来自两部分：一是来自《高中生物开放式探究性实验教学情况调查问卷》的数据，参照相关指标设计该问卷调查，希望此调查结果为今后高中生物开放式探究性实验教学模式的探索和发展提供实践参考。本问卷采取匿名的方式，由高一的同学们亲自完成问卷填写。问题既有单项选择题，也有多项选择题。二是来自2019年高一年级生物期中考试成绩表。文中所有数据处理与分析均在SPSS25.0中进行。

4.1高中生物开放式探究性实验教学情况调查问卷结构指标

本文所选取调查选项来自高一年级生物任课教师提供的资料，经生物教研组骨干教师研讨汇总，总结选取了10个指标，每个指标用X1～X10表示，具体如下：

X1——你认为高中生物探究性实验“开放式”教学模式的内涵是什么？

X2——你认为下面哪项属于高中生物探究性实验“开放式”教学模式的重要要素？

X3——与“开放式”教学有关的教学因素有哪些？

X4——高中生物开放式探究性实验教学的主要内容，应包括哪些？

X5——“开放式”实验教学的方法包括哪些？

X6——你愿意运用已有知识选择或提出探究项目、设计实验方案、组织实验器材、安装调试、排除故障、观察现象、分析数据、获得结论吗？

X7——生物探究性实验教学有利于学生和老师哪方面提升？

X8——生物实验课中，你更喜欢哪种类型的实验？

X9——你希望生物学科采取哪种考核方式才算合理？

X10——你觉得对于生物学科，你需要培养哪方面的能力？

4.2相关性分析

首先通过皮尔逊相关性分析10个指标与学生学习成绩的关系（表1），的能力？**.在0.01级别（双尾），相关性显著。

然后对10个指标进行主成分分析，获得一系列图表，接下来对这些图表进行逐一分析。

5主成分分析

5.1相关矩阵的分析

主成分分析法适用于变量之间存在较强相关性的数据。对主成分分析而言，变量间相关性越高，越适合进行主成分提取，但不是主要判定结果。原始数据大部分变量之间相关系数小于0.3时，应用主成分分析不适合。我们先从以上10个指标间的相关矩阵分析。

10个指标间的积差相关系数呈现一定的相关性（表略）。其中，指标3“与开放式教学有关的因素有哪些”和指标4“开放式探究性实验教学的主要内容”之间的相关系数达0.329，指标4“开放式探究性实验教学的主要内容”和指标7“生物探究性实验教学有利于哪些方面”之间相关系数为0.383，指标2“开放式”教学模式的重要要素和指标7“生物探究性实验教学有利于哪些方面”之间相关系数为0.389。因各指标间存在较高相关性，可以对以上10个指标进行主成分分析。

5.2 KMO和Bartlett的检验分析

KMO取值在0和1之间，KMO越接近1，越适合做因子分析。一般规律是：KMO≥0.9，非常适合;0.8≤KMO≤0.9 比较适合; 0.7≤KMO≤0.8 适合;0.6≤KMO≤0.7不太适合;0.5≤KMO≤0.6 很勉强;KMO≤0.5不适合。对所选指标进行KMO检验和球形假设检验，由表KMO和巴特利特检验的分析结果可以看出KMO检验数值为0.707，适合做因子分析。球形假设检验的显著性水平Sig为0.000<0.05，达到0.05显著水平，说明零假设被拒绝，相关系数矩阵不是单位矩阵，可以做因子分析。此处判断标准是，KMO>0.7， P<0.05则适合做主成分分析。

5.3公因子方差分析

公因子方差取值在0～1之间，取值越接近1，说明公因子解释说明原有变量信息的程度越高。表2中“提取”一列可以观察到抽取的公因子方差都在0.468以上，所以原有变量都能够被抽取的因子解释。如果每个变量包含信息作为初始值1，此处进行主成分的提取，除了“与开放式教学有关的因素有哪些？”指标外，其他提出的信息均还可以。

5.4总方差解释的分析

采用最大方差法对初始因子载荷矩阵作正交旋转，得出解释的总方差表。经过最大方差旋转后，抽取的7个主因子的特征值方差贡献率发生了变化，积累方差贡献率为82.629%。可见，提取的主因子能够解释原有10个指标变量的82.629%方差，可以把这7个主因子作为评价学生成绩影响因素的主因子。合并其中2个內容相近的因子，将10维的变量由5维变量代替，简化了数据结构。

5.5碎石图分析

碎石图又称为山体滑坡图。山坡上越高的点，其势能越大，对研究而言就越重要。观察碎石图图1，该图从图示角度判定提取几个主成分比较合适。提取标准先默认“基于特征值大于1”，看提取的结果。如果特征值大于1发现提取的信息量不够，则降低标准。如特征值>0.8，>0.6，或者直接根据特征值>1的结果，直接选择“固定因子数目”。第一个特征值点在顶点处且最大，途中共有4个点的特征值大于1，整体图像从第6个点开始，特征值点趋于平缓。

5.6成份得分系数矩阵分析

构建主成分与原始自变量之间的方程是主成分分析的重点。SPSS没有直接进行主成分分析的模块，因此无法直接生成主成分，需要手动计算。通常使用成分矩阵中的成分载荷除以各自根号下的特征值得到主成分系数，然后用主成分系数乘以标准化后的自变量X。

6研究结果与讨论

相关性分析结果表明，高一年级开放式教学模式下10个指标与生物期中考试成绩之间具有显著相关性。

为研究高中生物探究性实验开放式教学模式对学生生物学习成绩的影响，调查问卷设计了10个指标：你认为高中生物探究性实验“开放式”教学模式的内涵;高中生物探究性实验“开放式”教学模式的重要要素与“开放式”教学有关;高中生物开放式探究性实验教学的主要内容;“开放式”实验教学的方法;运用已有知识选择或提出探究项目、设计实验方案、组织实验器材、安装调试、排除故障、观察现象、分析数据、获得结论;生物探究性实验教学有利于学生发展;生物实验课中你更喜欢哪种类型的实验;生物学科合理考核方式;生物学科能培养哪方面的能力与生物期中考试成绩之间具有最强相关性0.774**，“开放式”实验教学的方法与期中考试成绩之间具有较强相关性（p=0.502**）;用已有知识选择或提出探究项目、设计实验方案、组织实验器材、安装调试、排除故障、观察现象、分析数据、获得结论与生物期中考试成绩之间有显著性相关（（p=0.337**）。生物学科采取合理考核方式指标与生物期中考试成绩无显著性相关。

分析变量间相关性越高，越适合进行主成分提取。本研究通过主成分分析得到第一主成分在高中生物开放式探究性实验教学模式内涵和意义上进行了解释，所以把第一主成分命名为“开放式教学模式内涵”。指标“你希望生物学科采取哪种考核方式才算合理？”对第二主成分起重要作用，故把第二主成分命名为“开放式教学模式评价”。第三主成分主要解释了“运用以小组合作探究的方式开放实验过程”和“生物实验课中，你更喜欢哪种类型的实验”，将第三主成分命名为“提高探究能力”。通过统计分析可以得到，影响高一学生生物成绩的5个主成分依次为“开放式教学模式内涵”“开放式教学维度”“开放式教学模式评价”“小组合作式的开放式探究性实验”“培养创新能力”。

高中生物开放式实验教学模式下，内容的开放性是根本所在，教师不仅仅要引导学生完成教材内容的探究活动，更需要让学生能够探究其感兴趣或者教材以外的其他内容。在选择探究实验内容时，应该优先选择与教材内容相近的实验，要保证实验内容符合学生的探究兴趣。如果学生能够提出其他实验内容，教师也需要给予支撑和引导，鼓励师生开展相应的探究活动。

采用主成分分析方法，从高中生物探究性实验开放式教学模式影响因素中挖掘出很多信息，如学生对于高中生物探究性实验开放式教学模式内涵与构建的理解、构建科学合理的开放式教学评价模式、小组合作式的开放式探究性实验提高探究能力等指标与生物考试成绩之间有较强的相关性。通过SPSS主成分分析数据结果，旨在为生物科学专业教育教学改革提供科学的方法和理论依据[13]。以往的文献多是从教师视角来谈开放式教学对学生的促进和引导作用，从构建高中生物开放式实验教学模式探索中，摸索出一种改变传统实验教学的新的替代模式，营造一种平等、民主的课堂学习氛围[14-16]。目前的高中生物实验课堂上，实验器材设备有限，课时较少，一些后进生、学困生在较短课堂课时内消化理解实验整个过程有一定难度。所以开放的实验过程，结合小组合作探究，教师通过引导小组学生共同参与完成实验过程。班上绝大多数学生是独生子女，长期在养尊处优环境中成长，比较欠缺合作意识。将合作探究的实验方法融入开放式实验过程中，有助于激发学生的合作意识，引导学生之间相互帮助、相互协作。开放式探究性实验教学模式的内涵就是实验教学的开放性，即实验教学目标、教学主体、教学方式、教学内容、教学与课程资源是开放的[17-19]。

通过以往有关开放式实验教学模式探索文献整理及本课题研究中获得的研究成果，我们高中生物探究性实验开放式教学模式包括以下两大方面：（1）教师角度;（2）学生角度。高中生物课程改革的重要目标是实现学生个性化发展，学生的个性化发展应该是以学校的特色发展为基础的，在不断的教育及办学实践中我们深刻体会到：社会进步的重要标志是对人的尊重，教育进步的重要标志是关注每一个学生，而适合每个学生的重要载体是个性化课程，个性化课程是学校实现特色发展的关键。

参考文献

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