从实验优化到素养提升-问题驱动式教学在高中生物学实验中的应用研究-高一-生物学-论文

从实验优化到素养提升：问题驱动式教学在高中生物学实验中的应用研究田歆珍乌鲁木齐市米东区教育研究室摘要：本文以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验为例，通过问题驱动式教学引导学生使用注射器、输液袋等生活化材料改进实验装置、缩短操作时间并改进检测方法。研究表明，该方法能有效提升学生科学探究能力和合作精神，促进学生生物学核心素养发展。关键词：问题驱动式教学；高中生物学；实验优化；素养提升《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》中提出科学探究是生物学学科核心素养中的一个重要维度，强调学生学习过程是主动参与的过程，要让学生通过探究的形式积极参与到教学活动中，加强基础知识学习和多方面能力的发展。然而传统教学模式下对中学生科学探究的培养相对匮乏，无法满足新课标中提出的要求。因此，如何在教学中更好地培养学生科学探究素养是我们不断追求的目标。一、问题提出：教材实验的局限性与教学改革需求“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学必修1《分子与细胞》的核心实验，在以往教学中发现，按照教材实验方案实施教学时，发现诸多影响探究效果的问题，存在制约学生科学探究能力发展的瓶颈，如：1.教材装置连接复杂，需用橡皮球（或气泵）通气8-10小时，且需在25-35℃环境中培养，实验只能在课后完成，学生无法全程参与探究过程，难以直观感受实验变量控制的关键环节。2.有氧呼吸装置中，用NaOH溶液除空气中的CO2后，无法验证是否除尽，且培养液体积较大时易导致局部缺氧，使酵母菌发生无氧呼吸，干扰实验结果；无氧呼吸装置需静置消耗氧气，但静置时间缺乏明确判断标准，难以确保实验初始条件为无氧环境。以教材实验的局限性为切入点，通过问题驱动引导学生自主优化实验方案，成为提升实验教学质量、培养学生科学探究素养的重要路径。二、问题分析与方案设计：基于问题解决的探究实践教师提供教材实验装置图及相关资料，引导学生以小组为单位，从实验操作、变量控制、结果检测等维度开展分析，学生自主发现的问题有：1.教材装置气密性难以保证，无氧呼吸装置内空气排出不便，有氧呼吸装置供氧方式无法确保酵母菌充分接触氧气。2.通气时间过长、培养周期长，课堂内无法完成全程实验；NaOH溶液除CO2的效果缺乏验证步骤，实验严谨性不足。通过小组讨论、集中交流，学生系统梳理教材实验的核心问题，为后续探究活动奠定基础。这一过程不仅培养了学生的批判性思维，更激发了其主动解决问题的探究欲望。针对梳理的核心问题，提出驱动性问题：“如何优化实验装置和流程，在课堂内完成实验，确保实验结果准确、直观？”引导学生分组开展探究，通过查阅资料、方案设计、可行性论证等环节，形成实验优化方案。实验装置优化：学生结合生活经验和查阅文献，提出多种替代装置方案，如使用一次性手套、密封袋、矿泉水瓶、注射器、输液袋等。经过论证，最终确定注射器和输液袋为核心实验装置，两者通过输液管和流量调节器封口，气密性好、操作简便，且能轻松排出无氧呼吸装置内的空气，便于导出实验产生的气体。供氧方式优化：针对有氧呼吸装置需供应纯净氧气的问题，学生设计了三种方案：购买纯氧、用NaOH处理空气、用H2O2分解制备氧气。通过对比成本、操作难度及知识关联性，最终选择H2O2分解制氧方案，该方案不仅简便易行、节约成本，还能与“比较H2O2在不同条件下的分解”实验建立知识链接，实现知识的融会贯通。各小组结合优化方案，绘制实验装置图、撰写实验步骤，明确变量控制要点，教师通过巡视指导，对方案的科学性、可行性进行点评，帮助学生完善实验设计并理清了实验思路（图1和图2），探讨实验装置连接和使用方法,主要装置见图3。图1用注射器开展实验的基本思路图2用输液袋开展实验的基本思路图3学生实验装置图三、实践验证：基于方案实施的问题再探究学生分组按照优化方案开展实验操作，实验结束后，学生小组汇报实验结果及结论，分享实验过程中发现的问题及可能的原因。学生实验观察到澄清石灰水浑浊度有区别（见图4），得出“酵母菌在有氧条件下能产生大量CO2,无氧条件下能产生少量CO2”的结论。但与此同时,学生发现了新的问题:课堂时间内用澄清石灰水检测CO2的实验现象很不明显，课后延长实验时间后，有氧呼吸产生的大量CO2会使浑浊的石灰水再度澄清。图4检测CO2的实验结果检测酒精时，由于实验时间有限，学生观察到有氧呼吸和无氧呼吸组的培养液都变为灰绿色,查阅资料发现可能是培养液中残留的葡萄糖也与重珞酸钾发生了反应。为了解决上述问题，师生共同讨论并再实践，提出进一步优化的实验结果检测方案并使用注射器设计了实验装置（见图5），通过实践发现：用溴麝香草酚蓝溶液检测CO2，能更灵敏、迅速的观察到实验现象。用呼气式酒精检测仪检测酒精，能准确直观的检测出酒精的含量。图5实验结果检测装置四、知识迁移：基于实验结果的深度思考通过优化后的实验方案，学生小组合作得出实验结论：酵母菌在有氧条件下通过细胞呼吸产生大量的CO2，在无氧条件下通过细胞呼吸产生酒精和少量的CO2。但发现新的问题：个别小组有氧呼吸组的培养液中用酒精检测仪检测出了少量酒精。教师适时的引导学生分析：小组实验哪些环节的操作可能导致酵母菌缺氧进行无氧呼吸？学生反思实验过程，发现以下几点：向酵母菌培养液通入O2不及时，O2不足或反应时间过长O2耗尽，反应过程中晃动注射器不充分，结果检测时未及时将培养液从装置中取出。基于此，继续通过设计递进的问题链，引导学生深化对知识的理解和应用：1.有氧呼吸组装置中气体体积未发生变化，说明什么？若气体体积变大，可能的原因是什么？2.如何利用注射器对实验结果进行定量分析？酵母菌开始无氧呼吸时，O2和葡萄糖是否已耗尽？通过小组讨论、教师点拨，学生不仅巩固了细胞呼吸的核心知识，还学会了运用实验现象推导结论、运用学科知识解释实际问题，实现了从“实验操作”到“思维探究”的提升。五、多元评价：基于探究过程的全面反馈教学评价贯穿整个实验过程，采用过程性评价、结果性评价、自评互评结合的多元评价方式。过程性评价：教师通过课堂观察，记录学生在问题发现、方案设计、实验操作、小组合作等环节的表现，重点评价其探究态度、创新思维和合作能力。结果性评价：从实验装置的科学性、实验操作的规范性、实验结果的准确性等维度，对学生的实验报告进行评价，检验教学目标达成情况。自评互评：组织学生开展小组自评和组间互评，反思实验过程中的优点与不足，分享探究经验，提升自我反思和相互学习的能力。通过多元评价，学生不仅明确了自身的进步与不足，还学会了客观评价他人的探究成果，形成了重视过程、追求创新的探究氛围。六、教学效果与反思（一）教学效果通过问题驱动的实验探究，学生的批判性思维、实验设计能力、问题解决能力和合作探究能力得到有效培养，充分体现了“以学生为主体”的教学理念。学生通过自主设计、实践验证、深度思考，不仅理解了酵母菌细胞呼吸的方式和产物，还掌握了实验变量控制、结果检测、方案优化等科学探究的核心方法，实现了知识与能力的协同发展。生活化的实验装置、高效的实验流程、直观的实验结果，让学生感受到生物学实验的趣味性和实用性，有效激发了其对生物学学科的学习兴趣和探究热情。教学反思问题驱动式实验教学以学生为主体，以问题为导向，有效破解了传统实验教学的局限，但在实施过程中仍需注意以下几点：1.驱动性问题应紧扣教学目标和学生认知水平，既要具有挑战性，又要确保学生通过探究能够解决，避免因问题过难或过易影响探究效果。2.教师应扮演引导者、组织者、合作者的角色，在学生遇到困难时给予必要的点拨，在学生出现偏差时及时纠正，既不干预学生的自主探究，又能确保教学活动有序推进。3.为学生提供充足的实验材料、文献资料和网络资源，为方案设计和实验优化提供必要支持，确保探究活动能够顺利开展。七、小结以问题驱动为核心的实验教学模式，将发现问题、设计方案、实践优化、知识迁移、多元评价有机结合，不仅优化了“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的教学流程，更实现了教学重心从“知识传授”到“素养培养”的转变。在高中生物学实验教学中，教师应立足教材实验的局限性，以问题为导向，引导学生开展自主探究和实验优化，让学生在解决问题的过程中掌握科学探究的方法、提升科学探究的能力，真正落实新课标提出的核心素养培养目标。参考文献[1]中华人民共和国教