凸显学科实践的高中生物学实验教学创新研究

［摘要］ 面对高中生物实验教学中仍存在的实验内容单一、实践深度不够、缺乏互动性和探究性等问题，强化学科实践理念的实验教学创新显得尤为重要。从梳理实践经验出发，文章提出了一系列凸显学科实践的实验教学创新实施策略，包括设计多样化的实验内容、鼓励学生主动参与实验、引入技术手段等，从而激发学生兴趣、增强他们的科学思维能力。通过创新高中生物学中的叶绿体系列实验，明确以事实依据映射“双基”、协同思考体验项目学习、整合实验历程建构观念的基本实施路径。

［关键词］ 高中生物学；实验教学；学科实践；科学思维

基于学科实践的教学观认为，知识内蕴在探究、建构、运用和实践过程中，知识的本质不是脱离具体的生活实践情境和个人经验而独立存在的，而是个体解决问题的工具，在实践中创造、生成的产物，具有生成性、动态性。生物学科的本质属性便是实验与实践，高中生物学课程高度关注学生学习过程中的实践经历，通过探究性活动或完成工程学任务，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神。目前，高中生物学实验教学中仍存在着一些问题，如实验内容单一、实践深度不够、缺乏互动性和探究性等，限制了学生的实践体验和探究能力培养。学科实践的育人理念对高中生物实验教学创新具有重要意义。一方面通过亲身实践，学生的综合素养受到多方面、浸润式影响，能将抽象的生物学概念和理论转化为具体的实验操作与观察，提高理解与记忆能力。另一方面，学生根据实验目的和要求进行实验设计，选择合适的实验方法和工具进行实验操作，有助于掌握科学实验的基本原则和技巧，提高实验能力。同时，在实践中学生需要积极观察、实验和分析，从而发展观察力、逻辑思维和实验推理能力。这些能力对学生的科学素养和终身学习能力培养至关重要，使他们在解决实际问题和应对生活挑战时更具自信。gueLYkeati7zz9flgi9iCg==此外，运用学科经验进行实践活动，不仅需要学生亲自动手，直观感受科学的乐趣和挑战，还可以小组合作的形式展开，提倡同伴协作共同完成实验设计和操作，并组织观点交流和成果分享。

一、凸显学科实践的高中生物学实验教学的策略

1.设计多样化的实验内容

多样化的实验内容能够更好地契合学科实践的核心要求。学科实践注重培养学生的实践能力、创新思维和问题解决能力。通过设计多样化的实验内容，比如简单的验证性实验，还有探究性实验和综合性实验，学生能够在不同的实验情境中应用所学知识，锻炼实际操作技能。多样化的实验内容还可以激发学生的学习兴趣和主动性。不同类型的实验能够满足学生的不同需求和兴趣，使他们更愿意积极参与实验过程。这样有助于增强学生的学习效果和学习动力。此外，多样化的实验内容有利于拓宽学生的知识面和视野。具体而言，在生物学实验教学中，教师可以设计多样化的实验内容，引入不同的技术手段等，包括计算机模拟实验、观察实验、探究实验等。比如利用“慕课”，通过混合式教学的形式，将面对面的教学过程与线上学习进行有机融合，增强学生活动实践的互动性和趣味性，从而实现学习目标的最优化；也可以通过“NOBOOK虚拟仿真实验软件”等，进行生物学实验的模拟和操作，提高实验的灵活性和可控性。此外，还可以建立实验室合作网络等，多渠道增加实验资源的丰富度和多样性。

2.引入探究式学习

从学科实践的本质来看，探究式学习强调学生的主动参与和自主探索。这与学科实践的核心理念高度契合，有助于培养学生的实践能力和创新思维。考虑到学科实践的目标，引入探究式学习能促使学生更加深入地理解生物学知识。通过亲身实践，学生真切体验知识的形成过程，从而加深对知识的理解和掌握。同时，探究式学习为学生提供了一个真实的问题情境，让他们在探索过程中学会运用所学知识解决实际问题。这充分体现了学科实践注重培养学生解决实际问题能力的特点。具体而言，教师应激励学生积极踊跃地参与实验设计及实验进程，提出诸多问题或设定相关主题，赋予学生一定的实验自由度与选择权，引导他们进行实验探究，充分发挥其主动性与创造性。由此，使得学生在实践中达成思维的深度碰撞与知识的广泛交流，悉心培育他们的科学思维、团队协作以及问题解决能力。

3.实施项目化实验学习

生物学实验应当与课堂教学相结合，引入项目化学习。一方面，学科实践强调学生的主体地位，而项目化实验学习能充分发挥学生的主动性。学生主导实验项目，从选题、设计到实施、总结，全程参与，自主探究，切实提升实践能力。另一方面，学科实践追求真实情境下的问题解决，项目化实验学习正好满足这一需求。学生面对真实的实验问题，通过独立思考、团队协作，寻找解决方案，培养问题解决的能力。此外，学科实践关注学生的创新精神，项目化实验学习有助于激发学生的创新潜能。在项目实施过程中，学生不受传统实验方法的束缚，可以自由探索，尝试新的实验思路和方法，培养创新思维。具体操作方面，实验前，教师可以引导学生预习相关理论知识，提供实验前的背景知识，让学生通过设计和实施整个实验项目来深入学习相关内容。通过项目化学习能帮助学生将知识应用到实际情境中，培养他们的综合能力和创新能力。实验后，教师进一步引导学生对实验结果进行讨论，与相关科学史知识进行比较，以加深学生对生物学原理的理解。

4.加强实验数据处理和分析

实验数据的处理与分析是科学探究的重要环节，通过对数据的整理、归纳和解读，学生能够学会运用科学方法进行推理和判断，从而培养科学思维。这一过程契合了学科实践注重培养学生科学思维和探究能力的要求。与此同时，加强实验数据处理和分析还有助于提高学生的实验技能。在处理数据的过程中，学生需要掌握数据收集、整理、统计等方法，以及运用相关软件进行数据分析的技能。这些技能的提升，将使学生在今后的学习和研究中受益无穷。有效的数据处理和分析能够增强学生对实验结果的理解和解释能力，通过对数据的仔细分析，学生可以发现实验结果中的规律和趋势，进而深入理解生物学现象背后的原理。这不仅有助于提高学生的学习效果，还为他们今后的科研工作奠定了基础。并且，在数据处理的过程中，学生需要遵循科学规范，认真对待每一个数据，避免主观臆断和误差，认识到学科实践内化的严谨态度和科学精神，这将对他们未来发展产生积极的影响。此外，实验教学中教师也应注重培养学生的实验设计和数据分析能力。学生不仅要开展实验操作，还要学会整理和分析实验数据，思考实验的目的、方法和预期结果，并对实验结果进行深入分析和解释。通过反思和讨论，最终提高学生的实验设计和数据处理能力，培养科学思维和实验推理能力。

二、凸显学科实践的实验教学创新实施案例

Wilson在最初构建“能量”主题进阶学习时，将其分为：引出概念→找出关联→构造概念图→建立事实联系强化理解。随后，Neumann等人基于Wilson的进阶学习理念将能量主题整体学习分为“事实→映射→关联→概念构建”四个层级。该划分体系，从以事实为基础到实际运用再到整合构建，具有很好的理论性和实证效果。在高中生物学实验教学中，以叶绿体为主题的系列实验同样适用于上述层级的划分，并且对应新高考评价体系下的生物学核心素养和关键能力培养（见表1）。

1.以事实为依据，映射出光合作用相关基础概念和学生基本能力

课前教师要求学生自己了解、搜集以往科学家所做的叶绿体的相关实验，课堂上让学生自主交流学习，然后带着学生进行演绎推理，通过探究学习的方式（确定实验目的→明确实验原理→提出实验假设→控制实验变量→演绎推理实验过程→观察记录实验现象→得出实验结论并讨论实验结果），交流分享几个著名的光合作用的相关实验，并尝试用数轴法来表示光合作用相关的科学史（图略），以加深学生理解。

①1881年法国席姆佩尔发现淀粉在植物细胞的特定部位形成，1883年他将这些实体命名为叶绿体，并证明新的叶绿体可以从已存在的叶绿体分裂产生。

②1913年R.M.威尔施泰特阐明了叶绿素的化学组成，1940年德国化学家G.A.考斯奇和H.菲舍尔发现了世界上第一张叶绿体的电镜照片。这些工作为提出“光合作用中心”“色素吸收光子”“能量传入光合作用中心”的发现奠定了基础。

③20世纪40年代初，英国植物生理学家用离体叶绿体做实验，检测到了放氧反应，但还不能肯定这个反应是光合作用的一部分。直到1951年，它才被证实是光合作用的一部分。

④1954—1955年，美国化学家D.I.阿尔农和美国微生物学家M.B.艾伦发现叶绿体既能够释放氧气又能同化二氧化碳，证实了叶绿体的确是光合作用的场所。

通过以上科学史的梳理，引导学生意识到科学研究是在前人的研究上不断证实与改进，科学发现是随着时间的推移不断突破和完善的。帮助学生形成系统的生命观念，培养科学思维和科学探究的能力。

2.促进知识概念协同，突出项目化实验学习体验

以叶绿素提取为例，教材中列出的提取方案在实际操作中也存在一些安全隐患，因而在项目化教学中，可以引导学生根据具体条件，讨论如何进行合理化创新设计（见图1）。比如，讨论如何简化实验操作、避免有毒试剂的使用等。又如，在对叶绿素进行层析的间隙，可以安排学生观察不同生长环境下，植物的叶肉细胞的叶绿体数量及分布特点等，从而充分利用课堂教学时间，拓展实验教学内容。层析结束后，再仔细观察分离后的色素的种类、颜色、含量、溶解度和扩散速度分别如何，并进一步分析这些差异与植物生长环境、叶绿体数量及分布之间的相关性。

获取以上知识之后，可以进行色素吸收光谱的创新实验设计。我们知道，阳光是由不同波长的光组合而成的复合光，科学家发现，在色素和阳光之间放置一块三棱镜，光在穿过三棱镜时，不同波长的光分散开形成不同颜色的光带，并将其称为光谱。同理，分别让不同颜色的光照射色素就可以得到不同色素的吸收光谱。由此，鼓励学生用生活中常见的材料自制光谱仪，观察不同色素的吸收光谱（见图2）。通过不同实验的关联，有效提高学生的动手操作能力、实践探究能力，从而促进学生对生物学现象的观察、解释、讨论与分析，增强学生的生物学习兴趣。

3.整合实验历程建构学科观念，实现层级进阶

整合实验历程建构学科观念，意味着将实验的整个过程进行梳理和整合，以此来构建起关于该学科的核心概念和思想体系，并逐步实现从基础到高级、从简单到复杂的层次递进。具体的教学创新中需要全面整合，即不仅仅关注单一的实验操作或结果，而是将多个实验、不同阶段的实验经历有机地结合起来。同时，还需要通过对实验历程的分析和总结，提炼出学科的本质特征、基本原理和重要概念，形成对学科的深入理解和认识。凸显学科实践的实验教学，可以基于具身参与进行表象认知，厘清基础概念，经历“学习理解→应用实践→迁移创新”，逐级搭建进阶学习平台。在实验操作过程中，帮助学生搭建概念学习网络，明晰不同实验操作的原理与目的，分析实验现象与结果，形成创新思维。在深度理解光合作用系列实验之后，促使学生形成叶绿体相关的结构与功能观，进而实现“事实→映射→关联→整合”的层进式学习进阶，充分发挥生物学学科实践的作用。

［江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目“高中生物学具身创造式学习模式建构与深化实践”（项目编号：2022JSQZ0201）和江苏省教育科学规划重点课题“工程教育视野下高中生物学学科实践学习空间的开发研究”（项目编号：B/2023/03/46）研究成果］

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［6］陈廷华.具身创造式学习——创新教学设计[M].北京：光明日报出版社，2022.

赵 宁 江苏省无锡市辅仁高级中学。

陈廷华 江苏省无锡市辅仁高级中学，正高级教师。