基于发展科学过程技能的高中生物学实验单元教学实践

摘" "要：文章探讨了高中生物学教学中科学过程技能培养的重要性，并提出了以单元教学理念设计的实验课程来促进科学过程技能培养的方法。以“酵母菌的培养及观察种群数量的变化”为例，通过将教材中相关实验教学内容包括实验室无菌技术、酵母菌纯化培养、酵母菌计数、培养液中酵母菌生长曲线绘制等技术原理与实践操作有机融合，有助于学生自主建构重要概念、培养科学思维、掌握科学过程技能。

关键词：高中生物；科学过程技能；单元教学；实验课程

科学过程技能是高中生物学课程的重要目标，《普通高中生物学课程标准（2017年版2022年修订）》提出的课程理念之一是教学过程重实践[ 1 ]。强调引导学生在自主探索过程中不断认识自然界，构建科学概念，同时掌握基本的科学研究方法和技能，这些技能被称为“科学过程技能”[ 2 ]。

1" 高中生物学教学中需要重视科学过程技能的培养

科学过程技能是科学教育的重要内容。高中生物学实验中蕴含着许多技能方法，如基本技能（观察、推理、测量、交流、分类和预测）和综合技能（控制变量、形成假设、解释数据、进行实验和构建模型），这些技能不仅对于生物学学习至关重要，对于学生未来的科学研究和职业发展也有很大的帮助[ 1 ]。培养学生的科学过程技能也是是高中生物学教学的重要任务之一。通过培养学生的观察、实验、推理和分析能力，可以帮助学生更好地理解生物学知识，掌握科学方法和技术，发展科学思维和创新能力。

第一，高中生物学教学需要重视培养学生的观察和实验的能力。观察是科学研究的起点，也是科学探究的基本方法之一。在生物学教学中，教师需要引导学生通过观察生物的形态、结构和功能，发现生物学现象，提出问题，进一步开展科学探究。实验是生物学教学的重要手段之一，实验可以帮助学生理解生物学现象的原理和规律，掌握科学方法和科学技术。教师还需要指导学生进行实验设计、操作、数据记录和分析等环节，提高学生的整体实验能力。

第二，高中生物学教学需要重视培养学生的推理、分析能力。推理是科学探究的基本方法之一，也是科学过程技能的重要组成部分。在生物学教学中，教师需要引导学生通过归纳、演绎、类比等方法进行推理，帮助学生理解生物学原理和规律，发现新的科学问题；需要引导学生通过分析实验数据、图表等形式呈现的信息，得出科学结论，发展学生的分析能力。

因此，教师在生物学教学中需要重视学生的科学过程技能的培养，为学生未来的发展奠定坚实的基础。通过引导学生参与较为完整的科学实践过程，有助于其更好地理解科学知识，自主建构重要概念，培养科学思维，掌握科学过程技能。

2" 单元教学在培养科学过程技能中的作用

2.1" 单元教学的特点

单元教学以一个中心主题为核心，将相关的内容、技能、概念整合在一起，有助于学生将不同模块的内容联系起来，形成更完整的认知图景，并且有助于提高学生自主学习能力和发展解决问题的技能。在由“解题”到“解决问题”的新高考要求转变形式下，应更加注重学生对概念的深度学习，提高对所学知识和方法灵活运用的能力及解决实际问题的能力。通过制定适当的单元主题，创设真实的“解决问题”的情境，激发学生求知的欲望，有助于发展其生物学的核心素养和关键能力。

2.2" 单元教学有助于培养科学过程技能

科学过程技能包括观察、实验、推理、分析和解释数据等。单元教学强调课程内容结构化，通过将教学内容按照一定的逻辑结构进行组织，特别是实验课程的整合，有助于学生在单元主题下开展一系列实验[ 3 ]。这些活动需要他们运用多种科学过程技能来探究和解决问题，从而加深对概念和原理的理解，也有利于整体概念体系和实验方法体系的构建。围绕“酵母菌的培养及观察种群数量的变化”开展实验单元教学，将教材中相关的实验教学内容进行整合，包含实验室无菌技术、酵母菌或者细菌的数量计数、搜集相关数据进行分析整理并进行酵母菌生长曲线绘制等技术原理与实践操作有机融合，有助于学生在整个科学实践过程中自主建构科学概念、培养科学思维、掌握科学过程技能。

3" 基于发展科学过程技能的单元教学主题的确定

3.1" 从解决学生的认知难点出发

“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”是人教版教科书生物学选必2（2019版，以下同）第一章第2节的内容。学生在学习了种群数量的变化后的“探究.实践”活动，已经理解了“取样调查”的思想，学习了种群数量变化有增长、波动甚至下降，掌握了通过数学模型表现事物发展的规律。但笔者在教学实践中发现学生理解这部分内容时出现了认知难点，主要原因是这部分内容需要学生从宏观角度解释生命现象。在这之前学习选必1时，要求学生对个体水平的生命现象的理解，内容较贴近生活，教师讲解时可以举许多生活的实例帮助学生理解，而本实验的内容既是微观的微生物的生命现象又是种群水平的宏观现象，对学生的科学思维能力要求提高了不少。对于这部分内容创设真实的情境有一定难度，笔者认为可以通过对“酵母菌实验”相关内容进行整合的基础上开展一系列的实验，让学生边动手边思考，逐渐由对酵母菌个体水平的认识转化为对群体水平现象的理解，在获得真实体验的同时理解概念，由感性认识上升到理性的科学思维，从而理解宏观层次的生命系统。

3.2" 从教学内容的内在逻辑出发

实验教学在高中的生物学教学中的地位举足轻重，对培养学生的科学思维和科学探究素养十分重要，但教材中实验内容往往分布于不同模块不同章节中，虽然遵循了学生循序渐进的学习规律，但在具体实验中学生往往需要完整的实验相关知识和技能，才能更好地完成实验和理解实验中的规律。否则，学生在实验中只能被动地跟随教师讲解的实验步骤进行，无法发挥实验课程真正的作用，更无法实现学生在实验中发现真理、理解概念的作用。例如在探究酵母菌种群数量变化实验中，学生往往会提出培养液中是否有其他菌体存在而影响计数的准确性，如何使酵母菌纯化？而相关知识需要选必3模块才接触到。教师往往困于课时限制，无法对学生深入讲解，不利于学生对实验的整体理解，甚至这样的知识“倒装”会降低学生的积极性。如必修2模块中“探究抗生素对细菌的选择作用”，已经涉及微生物的培养和利用培养基中的特殊成分对微生物进行筛选，但学生此时还未接触培养基的配制知识，容易产生疑问。到选必3模块的相关探究实验中，学生需重新花时间学习微生物的培养和通过选择培养基对特定微生物的筛选，在知识上出现重复现象。而通过单元教学将教材内容按照学生的认知需求重新整合，符合学生的认知规律且避免不必要的重复，有助于学生完善概念体系的构建。

4" 单元任务的设定

布鲁纳的发现教学法认为：向学生传授现成的知识不能成为教师的主要任务，而是要为学生的发现活动创造条件、提供支持。以往本实验由教师准备材料、配制培养基、准备菌种、接种培养等，再由学生取样计数，学生的活动简单、机械，最终通过数据进行分析“种群数量的变化”的体验感不强。笔者尝试打破教材不同模块的界限，将与本单元相关的内容加以整合，达到“用教材教”而非仅是“教教材”。因此，依据课标要求及发展学生核心素养的目标，制定本单元教学任务如表1所示。

通过设置单元任务，达到培养学生科学过程技能，为学生的探究活动创造条件、提供支持，让学生在真实的情境中体验科学过程、掌握科学技能、团结协作、充分表达与交流、获得探索乐趣，以达到发展生命观念、科学思维和科学探究能力的目标，同时也能提升学生的社会责任感。

5" 单元教学的实施

5.1" 课前准备

教师通过微课推送的形式，学生自主学习：①酵母菌的特点、代谢类型、出芽生殖和有性生殖等相关知识；②高压蒸汽灭菌锅和干热灭菌箱的使用方法；③数码显微镜的构造和使用方法，学生完成相关学习任务单提交，教师评价（表2）。由于实验室容量有限，课前分小组，7-8人为一组，选出小组长，利用课余时间由各小组长共同进行酵母菌培养液的配制，由实验教师为小组长示范高压蒸汽灭菌锅的使用方法与注意事项，学生边操作边讨论、交流，共同完成培养液的配制和灭菌以及将要用到的器皿的干热灭菌、培养液定容等。

5.2" 实施课程

[课时1] 学生以小组为单位共同设计实验、写出实验思路、预期实验结果，对实验方案进行交流、相互评价。学生提出若按照教材中每日取样计数的方法，不仅耗时长，而且容易造成杂菌污染，通过查阅资料和进一步讨论，两个教学班学生决定分别采取不同实验方案：其中一个班采取1-7日每日由不同小组分工接种酵母菌于培养瓶后，放置恒温培养箱中培养，以期能在同一时间对分别培养1-7日样品的取样、计数；另一个教学班采用与教材一致的方法做7组实验，每日进行计数、分析，其中遇到周末时间则将酵母菌培养液放置4 ℃冰箱保存（经查阅资料，酵母菌在4 ℃时繁殖缓慢，几乎不影响种群数量计数）。通过学生小组合作制定实验方案，培养合作精神。

[课时2] 酵母菌的纯化培养采取稀释涂布平板法，学生利用课余时间到实验室完成倒平板，课上学习涂布平板和无菌操作后，对已经活化的酵母菌进行稀释涂布平板并做好标记。期间学习并实施对培养液中微生物的稀释方法，学生依实验方案进行实验，在实验中依据实际情况对实验方案做出合理修正，培养了勇于克服困难、敢于质疑、锲而不舍的科学精神。

学生利用课余时间对纯化的酵母菌取样接种到已配制好的培养液中，根据不同实验设计采取不同接种方式。

[课时3] 教学班1采取集中对培养不同时间的培养液中酵母菌进行取样、稀释、计数，因采用数码显微镜计数，效率较高，学生能自行设计统计表格，课后对数据进行整理、绘制生长曲线。教学班2采取小组接力计数法，每天由一个小组利用课余时间对酵母菌计数、记录数据，期间要特别注意无菌操作，最后汇总数据、绘制生长曲线。学生经历了完整的实验过程，培养了科学过程技能，科学过程“蓝图”在学生脑海中更加清晰。

[课时4] 选取小组代表汇报整个实验过程、呈现原始数据和建模结果，期间其他小组成员对该小组的实验实施过程进行评价，通过讨论交流和相互评价，提高了学生的辩证思维能力，同时发展了科学思维和科学探究的生物学核心素养。

6" 反思

在实验课程教学设计过程中，教师需明确每个单元的教学目标，并精心策划富有探索性的学习活动，这不仅让学生亲自动手实践，观察科学现象，还能培养他们分析和总结的能力，从而真正掌握科学过程技能。此外，教师也可利用小组讨论、团队合作等方式，激发学生的互动和合作精神，促进彼此间的交流与共同进步；充分利用现代科技工具，如数码显微镜、在线数据库等，帮助学生更深入地理解和掌握科学知识。在教学过程中，教师应时刻关注学生的反馈，根据反馈及时调整教学方法和策略，确保达到预期的教学效果，做到“备-教-学-评”一致性；在实验课程教学中教师还应该鼓励、发展学生的批判性思维，引导他们对科学现象和结论提出质疑，以促进深层次的学习和理解；通过设计有趣的教学活动和实验，激发学生的科学兴趣，使其更加主动地参与到科学学习中来。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020 ：2.

［2］ 王健，姚舒，周有祥，等.中学生物学科学过程技能的培养研究[M].南宁：广西教育出版社，2021：25-26.

［3］ 崔允漷.指向学科核心素养的大单元设计[J].北京教育（普教版），2019（2）：11-15.