高中生物学探究性实验教学的优化策略分析

摘要：探究性学习不仅是新课改的研究热点，还是课堂授课的重要切入点，促使教师投入更多的时间和精力开展探究性实验教学。高中生物学教学中，实验的地位和作用也越来越突出，探究性实验也需要优化，达到提高学生操作技能、科学思维的目的。文章简述生物探究性实验教学内容的设计形式，并从实验准备、实验预习、提出问题、实验设计、交流评价等多个方面，探究如何优化高中生物探究性实验教学过程，旨在提高生物实验教学质量，助力学生科学素养形成。关键词：高中生物学；探究性实验；优化当前教育体制下，高中生物学教学中，学生不仅要熟练掌握专业知识和技能，还要加强对学生核心素养的培养，包括科学探究能力、实践能力和创新思维等。高中生物是一门以实验为基础的学科，教学中合理利用探究性实验能助力学生知识、技能和素养的发展。对此，教师应主动优化探究性实验，教学中加强对学生的引导，使学生充分利用已有条件参与到探究之中，进而掌握和理解生物知识。一、高中生物探究性实验教学内容设计形式（一）挖掘教材内容，注重经典实验从学生认知规律出发，实验教学需要以学生现有知识、经验为基础，通过探究和分析建构新的知识体系。而教材中的实验是学生学习的基础内容，也是探究其他实验的基础，教师应依据教学目标要求，参考学生学情，对教材实验进行适当的加工、补充和简化，作为探究性实验的补充材料，如教师可以将验证性实验改编为探究性实验[1]。另外，教材受到篇幅的限制，部分实验过程被简化，教师可以将其作为重点探究内容，引导学生通过实验设计和操作，提高实验设计能力。（二）精细挑选内容，激发探究兴趣学生需要对探究实验有足够的兴趣，才能主动沉浸其中，这就意味着教师所挑选的探究内容必须满足以下三点要求：第一，实验内容要贴合学生生活，如在探究环境因素对光合作用强度影响时，可以选择“如何提高农作物产量”来切入实验；第二，实验内容要具有一定的难度，且贴合学生的“最近发展区”，这样既可以保证实验中提出的问题具有探究价值，又可以避免因实验难度过高打击学生的探究热情；第三，实验内容要具有可操作性，教师应选择现象明显、实验周期短的实验，不能选择对仪器、环境严苛的实验，如此才能保证探究结果的有效性。（三）巧妙设计实验，培养实践能力探究性实验的特别之处在于能有效培养学生的创新精神和实践能力，实验过程中，学生通过操作了解实验过程，探究科学本质，领悟其中的科学精神，并逐步形成科学方法观[2]。因此，教师在设计探究性实验时，要对教学环节进行巧妙的设计，以保证实验流程具有探究性。二、高中生物学探究性实验教学的优化策略对于高中生而言，探究性实验教学的开展，是助力其知识、技能和素养发展的重要举措。教学中每一个环节都至关重要，因此，教师在优化时应从具体环节入手，具体内容如下：（一）优化实验准备环节，扫清正式教学障碍所谓“实验准备”环节，指的是教师在备课时提前进行的预实验。正所谓：纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。教材中的理论较为浅显，教师为了保证探究性实验顺利开展，需要提前操作实验，梳理实验操作中的干扰因素、过失因素和注意事项，从中提炼出学生探究的重难点，并针对性优化实验开展方案，为正式教学扫清障碍[3]。以人教版高中生物选择性必修2《第5节生态系统的稳定性》教学为例，本课中教师多是通过指导学生完成“生态缸”的制作，在观察中分析生态缸中生物种类和数量的变化，探究“生态缸的稳定性”。但考虑到生态缸中生物组成结构复杂，教师应提前对实验进行操作和分析，以保证课堂顺利指导学生完成实验探究。首先，教师应确定实验探究目标和原理，即用生态缸来模拟简单的生态系统，通过对其中基础成分的合理组织以及营养级比例的控制，保证人工微生态系统的科学性与合理性。其次，教师要结合对探究性实验的分析，来选择恰当的实验材料，如玻璃板和黏胶可以用来搭建生态系统的框架，但要注重密封性，避免因人工微生态环境与自然环境“连接”而影响实验结果。另外，在收集生态系统基本成分时，要选择腐殖质较多的土，以及动植物、微生物等，构成合适的食物链结构，保证其中有物质循环和能量流动。最后，布置好生态缸后将其放在通风且光线较好的位置，并观察其中生态系统的变化，结合真实结果分析实验的成功之处和失败之处，再针对失败之处进行合理优化，总结容易对实验造成干扰的条件，避免学生在探究时走进思维误区。值得注意的是，人工生态系统的稳定性是有条件的，也是暂时性的，非常有可能因为某个条件的变化打破稳定性，因此，教师要做好应对突发状况的准备，并将这种“变化”作为深入探究的契机。（二）优化学生预习环节，调动参与实验积极性预习是教学活动的开始，也是学生作为主体参与的首要环节。常规预习方式中，学生多是带着问题去看书，思维仍然顺着教材编排方向前进，无法准确抓住实验预习的重难点。对此，在探究性实验优化中，教师要注重优化学生预习环节，要求其在自主预习后，设计“图表式实验学案”完整呈现实验流程，包括实验原理、实验操作、实验分析和实验结论[4]。同时，为了降低学生的实验预习难度，教师应对实验的关键点给予提示，方便学生抓住预习要点，进而最大程度上调动学生参与实验的积极性，以保证实验教学的效率。以人教版高中生物必修第一册《探究·实践用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动》教学为例，教师应为学生提供预习任务单，给出实验中的关键信息，并要求学生在预习中完成对“叶绿体和细胞质流动”的观察。首先，教师向学生分享微课视频，展示某两位学生在显微镜视野下拍摄的黑藻胞质视频，一个视频中有明显的胞质环流现象，另一个视频中的胞质环流现象却不明显。而后，教师在预习任务单中提出引导性问题：①通过收集资料，探究细胞质的流动与哪些因素相关？②自行利用黑藻、显微镜、水浴锅、胶头滴管、吸水纸、载玻片、盖玻片等材料完成实验，验证自己的猜测。其次，学生在预习环节中，通过理论知识的学习猜测“光照、温度、叶龄”可能是影响黑藻胞质环流的关键因素，并结合自身的观点独立尝试设计实验，如在验证“光照”对胞质环流影响时，对黑藻叶片分别进行强光和弱光处理，再对比不同光照下黑藻胞质环流的速度；在验证“温度”对胞质环流影响时，将黑藻分别放在高温、适温、低温不同环境下，再用显微镜观察黑藻胞质环流的速度；在验证“叶龄”对胞质环流影响时，选取黑藻上的老叶和幼叶分别制作成水装片，观察其中黑藻胞质环流的速度。最后，根据实验探究结果，撰写“图表式实验学案”，将实验猜想、设计方案、探究过程以文字、图片的形式呈现出来，学会用科学的思维来解决问题。同时，还要将实验中遇到的困惑整理起来，课堂中与师生共同探究解决。（三）优化提出问题环节，突出实验探究难点问题是开展探究活动的源头，学生只有认识问题、发现问题，才会积极动脑思考去解决问题。爱因斯坦认为“发现问题往往比解决问题更重要”，这充分说明了发现问题才是解决问题的前提。因此，教师应重视对“提出问题”环节的优化，具体来说，教师可以将探究性内容转化为问题情境，引导学生沉浸其中，并主动搜集资料分析问题，这一过程中，教师要给予学生更多的鼓励，敢于发散思维大胆想象。此外，教师还要注重启发学生主动提出问题，在问题情境的启发下，提出实验中遇到的问题，并作为实验探究中的重难点，引导学生在比较、分析、概括、重组中有序解决，最终提炼出实验的原理及相关知识，构建更完善的知识体系。以人教版高中生物必修第一册《探究·实践探究植物细胞的吸水和失水》教学为例，教材中的实验是利用“特定浓度的蔗糖溶液”来完成实验，为了突出实验的探究性，教师应对实验过程中的提问方式和内容进行优化，达到有效启发学生思维的目的。首先，教师指导学生按照教材中的提示操作实验后，提出问题：“教材中为什么要指定蔗糖溶液的浓度？不同浓度的蔗糖溶液会对实验结果造成怎样的影响？”让学生在规定的时间内展开讨论，并尝试通过控制变量的方式设计对照实验，将蔗糖溶液浓度改为30%、40%和50%，分别完成实验后观察细胞的吸水和失水状况。其次，当学生认识到蔗糖溶液浓度对细胞吸水、失水的影响后，教师再次提出问题：“能否用其他溶液来代替蔗糖溶液？”启发学生联想生活经验展开思考，如西红柿切成块撒上白糖后，会有较多的水分析出；青菜加盐腌制后也会有水分析出等。通过一系列的生活现象推断出，一定浓度的NaCl溶液可以代替蔗糖溶液完成实验。最后，教师鼓励学生设计以“特定浓度的NaCl溶液”探究植物细胞吸水和失水。基于此，通过提问将验证性实验转化为探究性实验，并在过程中注重培养学生的发散性思维和主动探究能力，激活学生的思维灵感。（四）优化实验设计环节，锻炼解决问题能力实验设计是保证实验顺利操作的关键环节，也是将问题与结论联系起来的“桥梁”，能否制订出切实可行的实验方案，能间接体现出学生解决问题能力水平。教师作为课堂中的引导者，不能一味地帮助学生制订实验方案，而是要帮助学生根据自己的设想去制订方案，并在操作中沿着方案思路解决问题。一般来说，教师可以从两个方面优化实验设计环节，一方面，搭建问题框架，借助问题助力学生明确实验设计的重点和关键，另一方面，抓住实验设计的核心，训练学生运用科学的方法来建立实验过程，如求同法、剩余法、共变法等[5]。如此一来，学生从发展变化视角出发操作实验，并利用辩证思维去分析实验，优化实验中的不足。以人教版高中生物必修第一册《探究·实践探究酵母菌细胞呼吸的方式》教学为例，教师应突出学生主体地位，鼓励其自行设计实验方案。首先，教师指导学生明确实验探究主题，并在要求学生设计实验前，先解决如下问题：①实验中有哪些自变量、哪些因变量？②为了探究氧气对实验结果的影响，怎样控制有氧、无氧的条件？③特定浓度的NaOH溶液作用是什么？学生需要弄清楚以上问题后，再与小组成员根据观点来设计实验方案。其次，学生设计包含“探究课题、实验材料、实验用具、实验步骤、预期结果、注意事项”的探究性实验表格，实验操作中将实验信息记录下来，用以解决以上问题，如学生在实验中发现，有氧、无氧条件下澄清石灰水都会变得浑浊，但有氧环境下石灰水浑浊度更高。同时，有氧条件下酸性重铬酸钾不变色，而在无氧条件下酸性重铬酸钾会变成灰绿色。由此，学生通过分析得出结论，酵母菌有氧呼吸会产生二氧化碳和水，而无氧呼吸则会产生酒精和二氧化碳。（五）优化交流评价环节，解决实验探究疑惑探究性实验开展的目的是吸引学生真正参与到探究过程，掌握科学探究方法的同时培养创新意识，因此，不必过于重视实验结果是否统一。优化过程中，教师应将实验评价环节分为两个模块，一是实验前交流，鼓励学生提出探究问题及设计的实验方案，评价学生的猜想和假设是否贴合探究主题，二是实验操作后交流，通过集体交流的方式，对实验中的疑惑和结论展开进一步探究。值得注意的是，部分学生操作实验解决问题的基础上衍生出新的问题，无法通过原有实验进行验证，教师应在交流评价中引导学生集体讨论，为每个学生提供发表观点的机会，并自主设计新的实验解决生成的新问题，形成一个良性的学习循环。以人教版高中生物必修第一册《探究·实践影响酶活性的条件》教学为例，教师指导学生分组完成“用淀粉酶探究pH值对酶活性的影响”时，不同小组的实验结果存在差异，可以借助设计交流点评活动，帮助学生解决实验中产生的疑惑。首先，教师在各小组完成实验操作后，邀请各小组代表上台汇报实验探究结果，并鼓励其他小组认真聆听后，对实验过程和结论展开交流和评价。如某小组在实验过程中，遇到“淀粉酶遇碘不变蓝”的意外情况，探究后小组成员初步猜测“与实验中的碱性环境”相关。为了验证这一猜想的正确性，小组成员开展了新的探究实验：①根据溶液不变蓝这一现象，质疑“试管中的淀粉完全分解了吗？”，并用斐林试剂加以验证，得出“淀粉未被完全分解”的结论；②分析“淀粉和碘液相遇不显色”的原因，对比实验中材料、试剂和环境的异同，发现pH值是唯一的“变量”，进而提出新的猜测“碘液在碱性条件下会与淀粉发生反应”。而后，在溶液中加入1ml的HCl溶液，中和其中的NaOH溶液成分，由此，再滴加碘液后溶液顺利变为蓝色。其次，小组阐述问题和解决方法后，认识到是因为检测试