高中生物课程实验探究能力的培养

本文立足高中生物课程教学实践，结合《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（下称《生物课标》）所提出的学科核心素养导向要求，聚焦于学生实验探究能力的培养，对高中生物实验教学提出建议与思考，如核心问题激发探究热情、信息技术打造探究情境、小组合作拓展探究深度等，并运用案例分析法进行了实证，旨在通过对高中生物实验教学模式的创新，更好地反映生物学科的自然科学本质，让学生在深刻领悟生物实验探究意义价值的基础上，得到生物核心素养的良性发展。一、核心问题激发探究热情在高中生物教学中培养学生的实验探究能力，最为直接有效的手段便是提升学生的生物实验参与度，调动学生的实验探究热情。但受繁重学业压力与“升学”负担的影响，多数学生以敷衍、应付的态度对待生物实验，在生物探究实验的思考集中度与专注度也不突出，严重阻碍了学生生物实验探究能力的良性发展。因此，为了切实解决高中生普遍存在的这一问题，确保学生更积极主动地投入生物实验探究，高中生物教师在组织生物探究实验教学活动时，便可以在探究实验进行前设置与实验内容相关的核心问题，启发学生思维，促进学生深度思考，让学生以解决问题为目的展开深度实验探究。例如，在人教版高中生物必修第一册教材“被动运输”一课中，开展“探究植物细胞的吸水和失水”生物探究实验活动前，教师便可以在学生掌握水进出动物细胞原理、水进出哺乳动物红细胞原理等理论知识后，为学生设置以下核心问题，驱动学生展开思考：【核心问题一】水进出其他动物细胞的原理与进出哺乳动物红细胞的原理是一致的吗？都是通过什么作用？【核心问题二】在现实生活中我们可以发现，将有些萎蔫的绿叶菜浸泡在水中，没一会儿菜叶就会变得坚挺；在做白菜猪肉馅饺子时，将白菜剁碎加入一点盐，不久便会看到有水分从白菜中渗出，这些现象说明了什么？植物细胞是否也会像动物细胞或红细胞一样发生吸水、失水现象呢？水进出植物细胞的原理与水进出动物细胞或红细胞的原理是一致的吗？【核心问题三】探究水进出植物细胞的原理需要考虑哪些因素？植物细胞的质壁分离与复原现象说明了什么？水分子进出细胞这两种被动运输方式有怎样的特点？两者之间有怎样的异同？“探究植物细胞的吸水与失水”是高中生物必做实验之一，通过对本次实验的深度探究，不仅能够让学生更全面地把握像水分子这样的物质以扩散的方式进出细胞的特点，深刻理解被动运输的实质，也有利于学生科学思维、科学探究以及生命观念等生物学科核心素养的良好养成与有机发展。因此，为了让本次实验的育人价值与优势得到最大限度的开发，笔者便以启动学生科学探究思维，提高学生探究实验参与度为出发点，提出以上三个具有明显层递关系的核心问题：通过对【核心问题一】的思考，学生可以综合迁移运用所学知识，归纳出水分子进出动物细胞和哺乳动物红细胞原理的一致性，即都是通过渗透作用。由此，学生便会生成对水分子进出植物细胞方式的好奇心与探究欲。通过对【核心问题二】的分析，学生则会主动从生活实际出发，列举水进出植物细胞的实例，并主动结合所学的水分子进出动物细胞、红细胞原理与植物细胞结构（如图1所示）提出合理猜想：猜想一：植物细胞结构与动物细胞、红细胞结构明显不同，所以水进出植物细胞的方式不是通过渗透作用完成的。猜想二：对于水分子来说，细胞壁是全透性的，即水分子可以自由通过任何细胞壁。所以，水进出植物细胞的方式与水进出动物细胞和红细胞的方式是一致的，都是通过渗透作用。猜想三：水进出植物细胞，主要指的是水进出植物细胞中的液泡，其中需要穿过植物细胞的细胞膜与液泡膜（原生质层）。所以，水进出植物细胞需要通过渗透作用，同时需要特殊方式……在交流探讨、假设猜想的过程中，学生的思维与意识便会得到全面启发，生物实验探究热情也在悄然间生成。而通过对【核心问题三】的分析，学生则会从更全面的角度思考影响实验探究成效的因素，实验设计思路、实验方案与实验步骤自然也会因此而逐渐清晰，生物实验探究效果与科学探究能力便会在思维意识与兴趣的助推下得到提升。二、信息技术打造探究情境信息技术在高中生物课程教学中起到的积极影响与推动作用是显而易见的。在以培养学生生物实验探究能力为主要目标开展高中生物实验探究活动的过程中，教师也可以充分借助信息技术图文并茂、视听结合的优势创设生物实验探究情境，在有效提升高中生物探究实验教学效率的同时，让学生更深入地参与实验探究过程，领会生物实验的独特魅力。例如，在人教版高中生物必修第二册教材“孟德尔豌豆杂交实验（一）”一课中，引导学生根据孟德尔假说展开“性状分离比的模拟实验”时，教师便可以利用微课、希沃白板、多媒体电教设备等信息技术教学手段创设形象生动的生物实验情境，驱动学生展开小组合作探究。首先，教师利用多媒体设备为学生播放纪录片《你最想知道的科学》第三集片段，再现孟德尔在修道院园地中对豌豆、山柳菊、玉米等多种植物做杂交实验，潜心研究豌豆杂交实验数年，最终发现生物遗传规律，创设生物探究实验情境，利用科学家的故事与生物史料调动学生的兴趣，激活学生的生物探究热情。其次，教师利用希沃白板呈现人工异花传粉示意图、豌豆的7对相对性状示意图、高茎豌豆和矮茎豌豆杂交实验示意图、孟德尔豌豆杂交实验结果以及高茎豌豆和矮茎豌豆杂交实验的分析图等，让学生结合形象直观的图例认识豌豆作为遗传实验材料的优势、把握孟德尔设计一对相对性状杂交实验的过程、理解性状分离的实质、了解孟德尔对分离现象的原因所提出的假说，促使学生在感知孟德尔豌豆杂交实验伟大之处的同时，学习孟德尔的科学探究精神与求真务实的科学态度，进而深受科学家精神意志的熏陶，主动围绕孟德尔对分离现象所提出的假说展开模拟式生物探究实验。最后，教师利用微课演示用不同彩球模拟性状分离比的实验视频，并鼓励学生在观看视频的同时对实验方案进行质疑，提出更具有创新性与可行性的优化路径，自主设计实验方案、展开实验操作。之后，教师便可以让学生两两一组，利用装有不同颜色彩球的水桶合作展开性状分离比的模拟实验，引导学生总结实验结果、分析观察实验现象的方式，验证孟德尔假说的合理性，从而自主推导出孟德尔第一定律，即分离定律，实现深度的生物学习，得到生物核心素养的发展。将资源丰富、手段灵活、形式多样的信息化教学技术以合理的方式引入高中生物理论教学与探究实验教学中，为学生创设直观形象的实验情境，不仅能够让学生更深刻地领会到生物学科的实质，感知到生物实验探究的意义，而且学生在结合图文影像和数据资料分析生物问题、探索生物定律、解释生物学原理的过程中，潜移默化地形成了科学探究的基本思路与一般方法。更重要的是，学生在质疑既定模拟实验方案时，其创新思维和演绎推理能力也得到了相应的锻炼，这对高阶思维品质的形成与生物实验探究能力的发展起到非常显著的促进作用。三、小组合作拓展探究深度单丝不成线，独木不成林。在高中生物实验教学中应用小组合作学习模式引导学生展开生物实验探究，能够有效弥补学生“单打独斗”式学习过程中存在的不足，学生在小组合作探讨不同实验设计思路和不同实验猜想，以及分析实验数据的过程中，其实验设计能力、观察能力、数据分析能力与创新能力得到相应的提升。因此，高中生物教师在实际教学过程中必须重视起对小组合作学习模式的利用，合理组建实验探究小组，科学设置教学支架，驱动学生展开更高效、更有意义的生物实验探究。例如，在人教版高中生物教材选择性必修一“植物生长调节剂的应用”一课教学中，在学生掌握植物生长调节剂的几种类型与简单应用等理论知识后，教师可以设置【思考·讨论】话题“植物生长调节剂在生产中应用的评述”，并提供生活实例，如加入大麦芽（α-淀粉酶）生产啤酒；用膨大剂（膨大素）催熟西瓜、葡萄、草莓等水果；用青鲜素延长土豆、大蒜、洋葱等的储藏期，让学生结合植物生长调节剂的应用实例思考植物生长调节剂的应用范围、影响植物生长调节剂效果的因素、我国禁止使用的几种植物生长调节剂及其危害等问题。在学生围绕生活实例展开深度探讨后，教师便可以根据学生的认知情况、学习水平以及思维能力发展情况，将其分为A、B、C三个层次，并按照A∶B∶C=2∶3∶2的方法对学生科学分组，引导学生以小组合作的形式展开“生长素类调节剂促进插条生根的最适浓度”探究实验。通过对前置性话题的探讨，学生很快合作设计出实验方案，如表1所示。而在各个小组根据自主设计的实验方案展开充分的探究后，教师要鼓励学生将整个实验探究过程（包含问题的提出、实验猜想、实验原则、实验材料准备、实验设计思路等内容）制作成PPT，并在下次生物课堂进行讲解，与其他小组交流实验探究心得。在这一过程中，教师还可以将多元教学评价嵌入学生的成果分享中，促使学生吸收可行建议，对生物实验探究过程查缺补漏、自我完善。以小组合作学习模式引导学生展开生物实验探究，能够更好地体现核心素养视域下高中生物课程教学“以人为本”“一切为了学生发展”的素质教育思想，学生在小组合作研讨实验问题、处理实验数据、总结实验结论的过程中，其生物实验探究能力与科学思维水平呈现稳定进阶的良好态势，生物核心素养得以良性发展。四、结语总而言之，生物是一门研究生命现象