指向科学思维的高中生物实验教学策略

科学思维可以简单地理解成支撑科学探究、科学实验、科学观察等活动顺利开展的思维逻辑。生物作为一门主要研究各级生物种类、结构、功能、行为、发育、起源和进化以及生物与周围环境关系的科学类课程，在高中阶段着重考查学生的思维能力、观察能力、操作能力和计算能力。实验是学生探索生物世界的直接途径，而科学思维可以保障生物实验顺利开展，因此教师要在教学中重点培养学生的科学思维，指导学生完成实验活动，确保学生在科学思维的指导下有所成长、有所收获。

一、科学思维下开展高中生物实验教学活动的意义

科学思维本就是构成生物学科核心素养的一大要素，就这一层面而言，教师要围绕生物学科核心素养设置实验主题和实验内容，经由实验培养学生正确的思维观念。

（一）有助于培养学生的生命观念素养

高中生物的主要研究对象是自然界中的大小生命，小到细胞、微生物，大到动物、植物。生命观念，即用于解释科学观察得出生命现象，以及现象生成背后奥秘的事项或观点。培养学生积极、健康的生命观念，有助于学生形成爱护自然、保护自然的良好品格，如此一来，学生在生物实验中才会更谨慎、更认真，从而避免实验污染情况出现。

（二）有助于培养学生的科学思维素养

自然事物都是按照客观规律存在并发展的，尊重自然事实和证据，遵循严谨务实的态度，以科学的方法认识事物、解决问题，便是科学思维素养的内涵。生物实验背后蕴含着专业的生物知识，因此教师需要在实验开始前告知学生注意事项，借助提问手段启发学生思考，让学生带着问题动手操作，如此一来，学生才能通过实验养成科学思维意识。

（三）有助于培养学生的科学探究素养

探究和实验是学生学习生物知识最常使用的两种手段，科学探究过后，学生就能发现现实世界的生物问题，围绕特定的生物现象完成实地观察、资料搜集、实验设计、实验操作、实验总结等一系列的活动，在循序渐进的活动实践中养成科学探究意识和科学探究思维，以全面提升学生的生物学科核心素养。

（四）有助于培养学生的社会责任素养

学习生物知识不只是为了提高成绩，更重要的是帮助学生掌握知识、活用知识，确保所学知识为学生的生活服务。事实上，人类文明发展至今，人地矛盾、人与动物间的生存矛盾等日益严峻，将这些矛盾转化为实验主题有助于唤醒学生的社会责任意识，透过实验助力学生成长为有底线、有道德、有追求、有信念的优秀个体。

二、科学思维下开展高中生物实验教学活动的原则

（一）安全性原则

安全性原则一方面可以保障学生的操作安全，另一方面可以保障操作环境安全。以“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”实验为例，这一实验会用到试管、烧杯、酒精灯、温度计等道具，酒精灯的出现意味着这项实验需要加热操作，因此科学引燃酒精灯、安全熄灭酒精灯成为师生双方需要注意的事项。

（二）环保性原则

环保性原则与安全性原则存在一定的相似之处，两者都强调实验操作的规范性和实验环境的清洁性，区别在于安全性原则更看重学生的人身安全，而环保性原则更看重实验道具的绿色安全。就这一层面而言，环保性原则又称“绿色性”原则，“绿色”实验有助于增强学生的社会责任感，经由实验将环保理念根植于学生内心。总之，环保性原则要求师生尽可能选择绿色无污染的素材进行实验，如落叶、喝了一半的饮料等便是极其合适的实验素材。

（三）科学性原则

生物实验是讲究科学道理的，科学性原则是生物实验顺利开展的基石，师生如果在实验过程中违背科学性原则，则无法顺利完成实验（或在实验中遭遇风险），实验活动也就失去了原本的价值。以“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验为例，阳光、空气、水是维持植物生长的三大要素，而光合作用则是植物通过体内产生氧气、输送氧气的生存原理。对此，学生应采取控制变量法完成实验，即在保持阳光、空气、水三要素中的两种要素数值不变的情况下，调整剩余一项要素的数值，以保障对比实验的准确性、有效性、科学性。

（四）创新性原则

学生的学习水平和学习兴趣会随着时间的推移而发生变化，如果生物实验类型和实验过程一成不变，学生的热情便会消失殆尽，直接影响实验结果。创新性原则要求教师开阔教学视野、丰富教学内容，在生活元素、自然元素的加持下使生物实验更多样、更有趣，从而提升学生的创新思维和创新能力。

三、科学思维下开展高中生物实验教学活动的要点

与初中阶段相比，高中生物课程学习难度更大、涉及的知识面更广，在科学思维的指导下，学生能够形成更清晰的实验动线，相关实验能力也能得到全面提升。

（一）培养学生的归纳与概括能力

高中生物知识是存在相互联系的，以“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”为例，显微镜下的植物内部细胞清晰可见，叶绿体及细胞质的流动关系与人体内血液、氧气输送逻辑较为相似，因此，透过植物细胞观察实验，学生可以总结出细胞基本结构和细胞基本功能等知识，以有效锻炼归纳与概括能力。

（二）培养学生的演绎与推理能力

演绎和推理含义基本一致，是指学生在获取已知信息或完成前期调查后，在现有信息的基础上加以推测、分析的行为。多数生物实验需要历经一定的时间才能出现变化、学生才能获取新鲜数据，因此，在实验开始前和实验过程中，学生需要进行初步演绎与推理，以思考实验方向是否正确、实验步骤是否需要调整。以“使用高倍显微镜观察几种细胞”实验为例，植物细胞和动物细胞在构成方面存在一定的出入，因此学生在使用显微镜观察的过程中需要从“细胞壁”“细胞液”“细胞质”等细节处判断自己观察的是哪种细胞，以做出正确的、科学的演绎与推理。

（三）培养学生的模型与建模能力

模型是辅助学生探究生物世界的基础道具，像细胞这种微小存在便是肉眼无法看到的，因此制作特定的模型既能锻炼学生的思维能力和动手能力，又能有效降低学生的理解难度。以“制作DNA双螺旋结构模型”实验为例，DNA是生物体内最重要的遗传物质，制作模型后学生才能直观地感受到DNA上碱基配对的一般规律，以全面掌握“碱基互补配对原则”知识。

（四）培养学生的质疑与反思能力

不只是学生，专业生物学者在科学探究过程中也会产生这样那样的问题，在质疑驱动下生物实验产生，经由实验学者的所思所想才能得到验证，学者的观点也才有机会成为现实。对于高中学生而言，其应向学者学习勇于质疑的实验精神。当然，生物实验也不可能总是一帆风顺的，出现问题后学生要善于总结、善于反思，思考“我要改进什么”“我要坚持什么”，如此一来，生物实验才能顺利开展，从而发挥出应有的教学价值。

（五）培养学生的创造与创新能力

不同的学生在面对相同的知识时可能会产生不同的看法。同样，不同的学生在面对相同的实验主题时，很有可能设计出不同的实验方案，给出不同的实验操作。就这一层面而言，培养学生的创造能力有助于其深入实验，有效锻炼学生的实践操作能力。而培养学生的创新能力有助于学生在前人成果上做出个性优化，以培养学生的创新思维和发散思维。

四、科学思维下开展高中生物实验教学活动的策略

（一）开发实验资源，拓展实验类型

正如上文所述，生物实验既是学生学习生物知识的主要途径，也是培养学生科学思维的重要方式。为了进一步拓展生物实验类型，教师要积极开发生物实验资源，以满足高中生物教学需求。

1.挖掘教材中的实验资源。

现行高中生物教材虽然包含大量的生物实验内容，但是这些实验基本上都清晰标注了实验步骤和实验原理，无形中限制了学生科学思维的发展。对此，教师一方面要积极开发教材中的实验资源，对已有实验进行创新，以设计出更切合学生学习水平和兴趣偏好的实验活动。另一方面，教师要善于总结实践经验，让教学视频成为拓展实验资源的重要内容。以《自然选择与适应的形成》为例，生物在进化过程中会因自然环境差异出现体型、体态、生活习性等的不同，对此，教师可以设计模拟分析实验，通过控制变量法推理生物进化和演变过程，以创新化的手段带领学生深入学习教材知识。

2.挖掘教材外的实验资源。

除了教材资源之外，教师还要留心生活，在观察校园环境的同时搜集教材外的实验资源，让生活元素、自然元素在生物课堂发挥更大的作用。仍然以《自然选择与适应的形成》为例，教师可以拍摄校园不同环境中的同一类植物，引导学生进行对比，思考环境之于植物生长的作用，加深学生对植物生长要素知识的认知。

教师开发的生物实验资源越多，所能设计实施的生物实验活动类型越丰富。概括而言，生物实验可以分为以下几类：

第一，观察实验。观察是科学探究的主要方式，观察实验也是高中生物课堂最常见的实验类型。如“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”“使用高倍显微镜观察几种细胞”便是典型的观察实验。通常情况下，观察实验操作难度低、操作步骤少、实验成果直观，由于这些优点，观察实验通常会成为学生学习新知识的“敲门砖”。

第二，模拟实验。模拟实验是指那些实验环境较为苛刻难以人工模拟的，或实验过程过于漫长需要人为加速的，或实验数据过于庞大需要模拟计算的实验活动。与观察实验相比，模拟实验对设备的要求更高、操作难度更大，部分模拟实验还需要电脑及相应软件的支持。以《孟德尔的豌豆杂交实验（一）》和《孟德尔的豌豆杂交实验（二）》为例，该实验是学生学习遗传知识的“敲门砖”，对隐性和显性因子的探究需要模拟实验的支持。具体而言，学生需要在获知植物母体因子的前提下，用算式列出其可能存在的因子继承类型，以此推算出多个世代因子类型，以列式计算、数学模型模拟相结合的方式完成实验任务。

第三，综合实验。综合实验是对学生观察能力、计算能力、操作能力等进行全方位考查的实验类型，上文提到的“淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用”实验便是典型的综合实验。该类型的实验难度最大、用到的知识最多，是高中生物课堂中培养学生生物核心素养的重要教学活动。

（二）创设实验情境，优化实验氛围

高中生物课程的教学本质是抽象复杂的，学生极易在实验过程中产生畏难情绪，致使实验活动功亏一篑。对此，教师要充分利用现代化教学设备的力量，在课堂中营造具体的、生动的、形象的实验情境，在特定的情境下优化实验氛围，以提升学生的学习感受。以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验为例，教师就可以在课堂上营造专业实验室的氛围（或直接将学生带往生物实验教室），让学生担任“食品健康检测员”，鼓励学生利用烧杯、碘溶液、试纸等工具检测土豆、米饭、面条、牛奶等食品的糖类、脂肪、蛋白质的含量，从而全面掌握“细胞中的元素和化合物”相关知识。

（三）丰富教学手段，激励学生实践

上文提到，为了降低实验难度、激发学生的实验兴趣，教师可以在生物课堂营造特定的情境，带动学生学习，这便是情境教学法的作用。科学思维指导下，“知识灌输”不再是教师的唯一选择，越来越多新颖的教学手段得到广泛实践。

1.提问启发法。

考虑到高中生的年龄特征和学习水平，其在生物学习过程中难免会遇到各种各样的问题，教师需善用提问教学法，即以提问的手段带动学生思考，让学生带着问题投入实验。以“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”实验为例，教师可以在实验开始前提出“叶绿体和细胞质流动方向一致吗”“叶绿体和细胞质流动是否存在规律”“不同植物的叶绿体和细胞质流动会有差别吗”等问题，借助问题开阔学生视野，从而更有效地培养学生的科学思维。

2.分组讨论法。

分组讨论是指教师将班级学生分为人数相等、水平相近的若干个小组，鼓励学生以小组为单位共同学习、共同实验，以达到“1+1＞2”的教学效果。以“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验为例，小组成员可以分别担任“记录员”“观察员”“测量员”等不同的角色，各司其职、各尽其能，共同完成实验操作，在锻炼学生实验能力的同时增强其合作意识。实验过后，组与组之间还可以进行成果分享，以此让学生在有限的教学时长内学到更全面的知识。

五、结语

综上所述，新课改背景下提高成绩不再是课堂教学的唯一重点，师生关系、教学关系的客观变化给予了生物实验活动更多的开展机会。科学思维是支撑学生理解生物知识、运用生物知识、完成生物实验的理论基石，因此，教师需要将科学思维概念融入教学目标和教学活动中，给予学生最佳的学习体验。就具体的实践而言，一方面，教师要自觉提升个人专业素养，在备课阶段理清实验主题、实验目标、实验过程、实验难点等细节，以保障实验活动顺利开展；另一方面，校方要认真聆听来自师生的反馈，不断完善校内实验建设、更新实验设备，以给予生物实验活动顺利开展的空间，满足教师教学和学生的学习需求。