研究型实验在高中生物教学中的实践效果及完善

作者简介：宋银（1976～），男，汉族，安徽六安人，合肥一中，研究方向：高中生物教学。

摘 要：高中生物教学之中，实验教学是其重要的组成部分，尤其是研究型实验的开展，对提升学生实践能力与创新能力具有重要意义。因此，教师在开展生物课堂教学活动时，要根据学校发展实际，结合学生认知发展特点，有针对性地开展综合性与连贯性较强的研究型实验项目，全面提升课堂教学质量。当前，我们正处于互联网信息技术快速发展的时代，通过将互联网引入课堂教学，不仅可以有效缓解课堂教学时长不足的问题，使得学生可以全方位地感受实验过程，还有助于全面培养学生生物核心素养，有效提升生物教学质量。基于此，文章以基因工程实验为例，探究高中生物教学中研究型实验的实践效果及完善。

关键词：研究型实验；高中生物；基因工程；生物教学

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1673-8918（2023）08-0126-04

一、 引言

根据生物学教学特点，生物学的实验大致可以划分为观察性、验证性、研究型、设计和制作等实验类型。其中，研究型实验指向的是对探究对象的未知属性、特征、其他因素关系所开展的实验，其主要特征是，当学生在学习过程中，对研究对象并不明确或者并没有完全了解的情况之下，借助实验的方式，进行研究活动并获得最终结论。在研究型实验活动中，要求学生要像科学家一样，完成“提问—设想—设计实验—实施实验—获得结论—表达交流”的过程，从而完成生物实验的获取，并能够在过程中，使用科学的方法、技能，形成科学的思维方式，最终形成科学观点与科学精神。依据研究型实验的特点，学生在这一活动中，将培养学生各项技能，使得学生具备科学思维，形成良好的实验研究能力。

二、 研究型实验在高中生物教学中的实施背景

在《普通高中生物学课程标准》中，明确提出：生物学课程要求学生要主动地参与学习过程之中，在亲历问题提出、信息获取、寻找依据、检验设想与发现规律等学习活动后，完成生物知识的获取，最终形成理性思维的习惯，并在过程中，养成积极的科学态度，成为具备终身学习与创新实践能力的新时期人才。基于以上课程标准，生物教学的最终目的，在于借助研究型实验的开展，在提升学生对生物知识运用能力、合作探究能力的同时，全面培养学生的生物核心素养。研究型实验与传统课堂教学模式相区别的是学生在这种新模式下的课堂教学中不仅能够收获课堂知识，还能激发学生探究兴趣和学习积极性，使其实践创新意识和能力得以有效提升，进而成为新课程标准下培养学生学科核心素养的重要载体和有效路径。

对于高中生而言，基因工程类的知识相对较为困难，这是因为基因工程相关理论知识与研究对象前沿性与实践性较强，相对较为抽象。此外，高中生物课程中有关于基因工程类的实验项目，操作极为烦琐，耗费时长高于其他实验内容，而高中生在做实验过程中，整体的成功率也是偏低的，这就导致基因工程类实验的项目内容较为分散，且不具备较好的连贯性。此外，高中生面临较大的学习压力，在时间分配上有一定的困难，在实际的实验过程中，学生并没有选择前期实验内容的机会，很难理解实验的内容及最终的目的。学生在实验过程中，往往缺乏较好的实验状态，势必影响对学生问题思考及解决问题能力的培养。面对这种发展现状，需要教师在高中生物教学中善于建立并运用实验项目，对传统课堂教学模式进行一定程度的优化，让学生在动手完成实验探究的过程中更好地掌握知识，以此来提升基因工程类研究型实验的教学质量，推动学生生物核心素养的形成。

三、 研究型实验在高中生物教学中的作用

（一）激发学生兴趣，提升学生积极性

大多数的生物研究型实验都与人们的日常生活密切相关，在创造与学生生活有关的教学环境中，可以极大地激发学生对生物学和探究的兴趣，使其能够更好地了解自己的研究对象，从而使其产生求知欲。当学生的探究兴趣被激发时，他们会积极地投入探索的活动中，在收集整理材料、制定实验计划、进行实验、总结等方面，以达到探索的愉悦和成就感。由于学生是教学的主体，是以团队为单位进行竞争和协作的，而且由于实验方案的不同而产生的效果也不尽相同，所以在学习过程中，学生参与生物研究型实验的积极性与主动性更强。

（二）培养学生生物研究实验能力

在研究型实验中，学生会根据自己的实验计划，挑选实验工具、实验材料、实验模型，但由于实验材料和实验工具的选用不恰当，实验的效果往往不理想，这并不意味着实验的失败，相反，学生会反思实验的整个过程，寻找问题，给出相应的解决办法，从而改进实验。科学不可能一蹴而就，那些伟大的科学家也不可能一步登天，他们都是经过了无数次的失败，所以在不断的总结和分析中，他们的生物探索能力肯定会有所提升。同时，在探究的过程中，学生也会发现，不管是在开始的时候，还是在进行探索的过程中，或者在探索的最后，都会从问题中寻找答案，这与科学探究的基本步骤相一致。

（三）开拓学生思维能力

学生的想象力很强，但前提是教师不能拘泥学生思维，不然就如同鸟儿折翼，再怎么努力也不可能飞得更高。通过设计有效的实验方案并实施解决问题，引导学生积极参与思考，增强学生思维活跃性，进而有效培养和提升学生的思维定量分析能力。在平时的生物学教学中，聪明的学生都会通过思考，不断地总结出符合这个理论的探索法则，来解决新的问题，这有助于转变传统的机械式学习活动。通过积极的思考与研究，可以使学生能够在问题中不断地发挥自身的创造力，从而获得新的知识。

四、 開发综合性、连贯性强的研究型实验项目

研究型实验的开展，需要学生经历多个步骤来完成，而传统的实验教学模式，其主导者是教师，在整个实验过程中，学生始终处于被动地位，难以有效激发学生的学习主动性。一般来说，研究型实验的过程首先由学生提出问题，学生在问题探究解决的过程中掌握课堂知识。然而在传统实验教学中，问题的提出则是教师依据课程教学进度，将实验教学内容分配给学生。在这一教学环节之前，教师要将实验教学内容、操作步骤给学生进行演练讲解，尤其是要特别强调实验过程中的注意事项，学生在此基础上完成相应实验内容。

为了解决传统实验模式中所存在的局限性，教师需要对教材中的教学内容展开整合，可以将传统发酵技术，微生物培养、分离与计数、种群数量变化、DNA提取以及PCR扩增、分子鉴定等相关内容，进行融入，串联起生物学教材中的内容，开发出综合性与连贯性强的研究型实验项目。在正式开始实验之前，教师可以以流程图的形式向学生展示实验过程，帮助学生明确实验项目的各个环节，进而对每个实验预期获得的结果有初步认知。依据这一过程所涉及的实验环节，是具有联系性的，上一个实验的结果是下一个实验的材料，学生在观察完实验流程图之后，对于实验目的与意义将有一个新的认识，也会整合自身所学知识，探究如何获取预期实验结果，这有助于增强学生参与实验的积极性，充分发挥学生在实验中的主观能动性。

图1 实验项目设计流程图

图1所示的流程图就是整个实验项目的完整涉及，学生在观察流程图之后，即使尚未参与实验活动中，但是对于整个实验各环节的原理与联系有一个明确的认识。通过实验流程图的展示，学生能够在充分了解实验目的的基础上有效完成实验问题探究，进而有效调动学生参与实验探究的积极性与主动性。学生通过对实验设计、实验过程及实验操作等各环节的深入思考，发现问题并解决问题。学生也将在实验过程中掌握实验的基本能力与实践动手能力，逐步形成科学严谨的精神，有助于提升学生的生物学核心素养。

五、 采用互联网+实验教学的授课模式解决课时不足的问题

对于高中生而言，其面临的学习压力是巨大的，因此每门课程所能分配的课时都是有限的。由于时长限制，就意味着耗时较长的生物学实验很难开展，如前面所述的研究项目就很难在某一教学阶段完成，这要求教师根据教学内容合理安排教学时间，定期按照教学任务进行实验子项目的实施。因此，选择这一项目实验的学生，可向学校申请以“长短课”结合的方式，在校本课程中完成实验项目，教师可根据学生的时间，展开恰当的授课安排。以上述實验项目为例，其具体授课模式如下所示：

（一）理论知识教学

按照实验教学进度，教师在学生进行实验之前，需要向学生讲解相应的实验内容，让学生在实验活动实施之前能够了解并掌握相应的理论知识。理论教学对于研究型的基因工程实验来说，是必须的，通过理论知识的学习，可以引导学生在实验前自主完成思考，并提出实验探究问题，这在一定程度上体现了理论知识与实践探究相结合的发展理念。当教师在开展《生物课程选修一》中的传统发酵技术、微生物的实验室培养、基因工程的基本操作程序、DNA的粗提取与鉴定、PCＲ、琼脂糖电泳等理论知识教学时，要结合学生实验所需，根据实验教学具体内容选择探究性教学模式，让学生在参与实验流程图设计的过程中，使学生能够将自身所掌握的理论知识与实验项目相结合。

（二）实验技能培训

为充分保证研究型实验项目的顺利开展，教师在实验项目正式实施前，首先让学生掌握简单基本的实验技术，掌握微生物培养技术，了解并掌握培养基的配置、接种与培养，使用分光光度计提取DNA、PCR等基本实验操作。学生通过掌握上述基本技术与技能，能够最大限度减少实验项目实施过程中的失误概率，避免最终实验结果不理想。

（三）应用“互联网+”，优化教学手段

借用信息技术可以为师生的教学带来丰富的资源与便捷的路径，为了有效解决高中生物实验教学中课时不足的问题，可通过如下措施来提升实验教学质量：

尝试使用微课的方式，对关键的实验操作进行录制，如试剂配制、培养基的配制、分光光度计的使用、血球计数板计数、DNA基因组提取、PCR扩增及电泳实验等内容。教师在实验前，将相对应的微课发送给学生，学生根据微课内容，自主完成知识及操作的学习与探索。与此同时，微课形式的应用，还能够方便学生实现自主学习。如学生可以利用课余时间对相关教学视频进行反复观看，便于掌握和巩固课堂知识，进而在增强对实验操作流程印象的基础上提升自身实验技能。

结果表明，通过互联网+实验教学模式，可以借用丰富的线上资源与途径使学生尽可能掌握相关的实验原理与操作技能，充分发挥出实验教学的价值，进一步提升学生的动手能力、合作学习能力及解决问题的能力。除此之外，借助长短课结合的方式，还能够有效解决高中生物研究性实验中课时不足的问题，有效提升教学效果。

六、 基因工程教学实验的不足及完善

在高中生物课程之中，研究型实验的开始时间相对较短，因此在课程设置与实验设置上，仍处于起步阶段，经验也相对不足，在实践过程中存在诸多问题。现存的主要问题集中在师生角色上，在课程设计上，教师始终占据着主导地位，学生的参与机会不足。在现阶段的实验课程中，往往是教师制定出实验方案，而学生的参与比较少，之所以如此，是因为高中生的知识与能力情况不足所决定的，但是在实际的实验中，教师也可以尝试将部分实验方案分配给学生，增强学生对实验的认识与理解。此外，尽管学生在课堂前期能够完成对整个实验流程的设计，但对于理论知识相对比较薄弱的学生而言，由于理论知识的匮乏，使其在后续实验环节中，可能会出现无法准确理解和认识实验原理及实验目的的情况，更为严重的是部分学生会出现为了实验而做实验。教师在教学中，为学生录制了相关的实验微课，但是基因工程的相关实验存在取样操作严格、试剂需要量少、各组分加入量要精确等特点，而学生的基本实验技能欠缺，导致学生的实验成功率较低。

因此，为了解决这一问题，教师需要增强对学生基本实验技能的培训，如移液器的正确使用方法、实验试剂的配制及实验材料的高温灭菌、试剂的正确加入方法和顺序等内容。

七、 结语

在现代生命科学飞速发展的今天，越来越多的前沿技术运用到高中生物教学过程中，基因工程作为其中重要组成部分，不仅能够使学生技能达到教学要求，还能够让学生在教师实施的具有针对性的综合型与研究型的实验过程中发挥主观能动性，使学生能够独立地进行实验，从而使其能够更好地理解微生物实验室培养、基因工程实验的设计思想和操作流程。通过开展研究型实验，可以帮助学生了解理论知识，激发学生的思维，锻炼学生的独立思维能力，培养学生的核心素养。

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