基于实验教学创新提升学生科学探究能力的策略研究

摘 要：“科学探究”是高中生物学科四大核心素养之一，探究实验教学是培养学生科学探究能力的重要途径。文章通过分析高中生物学科探究实验教学创新活动实施的背景及必要性，立足学校客观条件，提出了利用微课、探究性学习以及开展数字化实验等创新教学形式，从而充分发展学生科学思维，提升学生科学探究能力。

关键词：探究实验；教学创新；科学探究能力；策略研究

中图分类号：G623.6   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2024）02-0001-05

2014年新高考综合改革启动，目前，全国已有29个省（直辖市）参与其中，2024年甘肃省也将迎来首轮新高考考试。对比新旧教材，不难发现：一是探究性实验内容所占比例在新教材中大幅上升，强调学生思维品质形成和观察、分析、应用及合作等实践能力的培养。二是新教材中探究实验的载体形式也较为多元化，尤其在三册选择性必修教材中，仅课后训练中的探究实验占比就高达41%。另外，笔者深入研究2018—2023年全国乙卷生物高考试题的发展变化情况，发现六年内，探究实验类试题的数量和分值比例分别是5、7、6、6、9、10和48%、64%、52%、55%、81%、82%，呈现稳步上升的态势，试题情境来源也多与生产实践及科学研究密切相关。

这些变化，充分体现了新课程、新高考全面发展和考查学生“科学探究”能力的课标理念，组织开展探究实验教学研究与实践活动较为重要。

一、 创新高中生物探究实验教学的基本策略

立足现实条件，围绕“教学形式”“材料用具”及“教学评价”等方面进行创新研究与实践，是实现探究实验教学创新的三个基本途径，也是打造高效生物课堂的主要突破口。

（一）教学形式创新策略研究

教学形式创新就是立足学校现有的教学资源，对课程设置的探究实验教学内容进行适当的分类，并采用不同方式开展施教活动。

1. 应用微课辅助探究实验教学

微课以其内容丰富、画面生动以及便于展示等特点，成为广受师生欢迎的辅助教学手段。通过智能黑板，利用微课辅助开展探究实验教学活动，可以有效解决学校受场地、课时、实验条件限制等不能开展实验教学的问题。譬如，由于学校没有无菌操作平台，导致难以开展选择性必修3教材中与微生物培养、分离有关的几项实验，课题组就把网络平台上的一些精品课程的教学实录进行有针对性的剪辑处理，制作出主题鲜明、重难点突出且有助于学生思维激发和能力提升的微课短视频，取得了比较理想的教学实效。同时，借助微课引导学生分析教材“思考·探讨”中的“氨基酸怎么构成蛋白质”等实验时，可以把教材平面静态的图片转换成三维立体动态变化，并配上恰当语音解读，这能在极大激发学生学习兴趣的基础上，助力学生思维启迪，深化学生理解。另外，在“细胞学说”等科学史类实验教学中，适当应用微课再现科学家曾经的研究历程，有利于学生感受科研工作的艰辛，体会先进技术对科学研究的巨大推动作用。以上这些，都是纯文本学习很难实现的教学效果。

要实现以上的教学效果，应用微课辅助教学还需要坚持以下三项原则：

（1）目标明确

微课是为突破教学重难点而采取的一种手段，因此微课的内容及呈现过程应为帮助学生形成思维、提升能力服务。如果微课只是简单进行知识描述或过程呈现，则无助于学生核心素养发展，也就没有必要用它来辅助教学。

（2）精心筛选

目前，来自网络的微课资源十分繁杂，学科教师务必根据课程需要精心选择，同时，还要学习掌握必要的信息技术手段，按照需要对教学资源进行重新整合，不能只注重形式、不精选内容，在教学活动中随便应用。

（3）问题引领

任何时候，微课都只是一种教学的辅助手段，不能完全替代师生的教学活动。因此，高质量的微课教学往往和问题驱动策略协同使用，从而借助主题鲜明、层次清晰、情境真实、贴近生活及简明新颖问题串的引领，实现教师对学生的思维训练和能力培养。

2. 通过研究性学习开展探究实验教学

相较于传统的接受性学习，研究性学习更强调学生的自主设计与合作探究，许多难以在短时间内全员开展的探究实验教学内容，可以成为研究性学习小组的研究主题。在老师的辅导下，学习小组可拟定可行的研究方案，利用充足的课余时间，借助学校的图书室、校园网或实验室，达成比较理想的研究结果。在此基础上，通过班级答辩会或年级组的生物学科研究成果交流活动，分享给其他同学，提升学生群体的整体思维与能力。

课题类的研究适用于那些用时较长或需要走出校园的探究实验。辅导员老师需要就申报程序及安全性问题等注意事项，给学生作出清晰的指导与说明，强调课题研究制度与纪律要求，要和研究小组的负责人经常保持紧密联系，还要注意对研究资料进行档案管理，对有价值的研究成果要做好分享与推介工作。如近年来，我校学科组指导学生完成8项市级高中生研究性学习课题研究。其中《探究不同光质对金鱼藻光合速率影响的研究》和《泾川一中校园苔藓植物生长状况调查及室内人工栽培研究》这两项课题的研究，是学习小组立足“光合作用影响因素”的课程学习，利用学校生物实验室的探究实验包所开展的研究性学习活动；《关于环颈雉（野鸡）数量激增对当地农民生产生活影响的调查研究》是学生在“种群密度调查”与“生态系统”等课程内容学习的基础上，围绕选择性必修2教材探究实验“调查当地的环境状况，提出保护环境的建议或行动计划”所进行的研究性学习。大多数课题研究都取得了较好的研究成果，其中，《泾川一中校园苔藓植物生长状况调查及室内人工栽培研究》还被评为市级优秀课题。

活动类研究性学习适合部分人参与、短期内可以完成的探究性实验。譬如，必修2教材中的“调查人群中的遗传病”等多项探究性实验，均可作为校级活动类研究性学习的研究内容。其中，《泾川一中植物种类调查及悬牌活动》《学校餐厅所用抹布细菌数量调查和使用建议》及《教室花卉选择和管护研究》等多项研究成果获得了学校的表彰奖励。

3. 数字化虚拟仿真实验的尝试和展望

数字化虚拟仿真实验是指把现实的实验室设备仪器、实验材料及实验过程等信息，通过数字化处理转移到虚拟的网络中，再借助三维仿真、VR技术及计算机数据处理软件，引导学生开展的数字化实验教学活动。

目前，我校的仿真实验室建设虽然还处在起步阶段，但学科组对一些数字化探究实验的教学活动已经有了初步尝试。学科教师指导学生利用“PL-401探究实验包”中的光合作用实验箱、二氧化碳及溶解氧传感器等设备，采集有关金鱼藻在不同光质条件下的光合作用数据，之后，通过“PL-401探究式分析及实验管理软件”在电脑终端生成研究数据表和曲线图，从而快捷准确生成实验结果，得出研究结论。在使用PL-226智能生物培育系统及其控制管理软件探究“黄瓜幼苗缺素条件下的生长状况”及“草履虫人工培养的温度控制”的活动中，既利用电脑终端进行数据分析处理，还利用软件自带的图库，对比不同条件下生物的生长状态，使结论更加可靠。在线上教学期间，高一年级备课组还利用智慧云平台提供的虚拟实验室，指导学生开展“细胞有机物检测”等5项数字化探究实验，深受学生欢迎。学科组全体成员还积极参加“央馆虚拟实验”的网络教学培训活动，对数字化实验的特点、范围及应用有了更加深入的学习与理解。

展望未来，在信息技术迅猛发展的当下，虚拟网络与实际教学活动的高度融合日趋完善，低消耗、低成本、无污染、可重复、过程安全可靠、成果易于分享的数字化虚拟仿真实验，将成为未来高中生物探究实验教学的重要辅助手段。

（二）材料教具创新策略研究

生物探究实验通常以某些生产生活或科学研究作为学习情境，实验过程需要使用相应生物材料或研究用具。课题组在近两年的研究活动中，针对这些材料和用具所开展的创新活动也取得了一定成果。

1. 实验材料创新

（1）创新依据

一方面，本地域的许多生物材料既价廉物美，也容易获得，可以替代教材探究实验的一些不常见材料。另一方面，实验中针对一些实验材料的处理方法，教材也只是提出来一般性建议，在教学实践中还有可能被继续优化。要充分发挥师生在教学活动中关注生活、勤于思考、勇于创新的能动作用。对教学实践中应用效果良好且易于获得的本土实验材料，以及被优化的实验方法和措施，学科教师要及时总结、积极分享。

（2）材料创新实践

在必修1教材实验“绿叶中色素的提取和分离”的教学活动中，我们用来自河湾的干净细沙替代二氧化硅、用92#汽油替代做层析液（使用中强调用量，并保持通风系统正常运转），在降低成本、提高安全性的基础上，也取得了较为满意的实验结果。同时，针对提取液的处理方法，在教材介绍的移液管划线的基础上，还推荐学生使用“利用盖玻片一侧边缘摁线”，以及“在圆形滤纸中央滴加滤液和层析液”等多种方法，在激发学生学习兴趣的基础上，也极大丰富了学生的科学思维。

近年来，从超市购买的洋葱和大蒜，在实验室水培时往往很难正常生根。在开展“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”的实验教学时，我们将从农村集市购买的农家土蒜作为实验材料，且把小烧杯水培改变成在铺有吸水海绵的培养皿或水槽里培养，短时间内就获得了又多又大的根尖材料。

教材必修2的“性状分离比的模拟实验”，通过用手随机抓取小桶中的不同颜色的乒乓球，模拟不同种类的配子，再借助手动统计获得受精卵中基因型的种类及其比例。通过多年的摸索和实践，课题组创新运用纯净水瓶替代小桶，用蓝、红玻璃弹球替代黄、白乒乓球，用智能黑板上的Excel统计替代手动统计，这些方法占地少、易操作、成本低、配子更易混合均匀、数据统计快捷而准确。

2. 教学用具创新

（1）创新依据

学科教师在长期工作中，形成了自己对教材知识原理的独到理解，在此基础上，可以通过制作易于观察和操作，有助于开发学生科学思维，培养学生探究能力的教具模型辅助开展教学活动。在一些思维含量较高的探究实验中，自制教具往往可以取得事半功倍的效果。另外，也指导学生利用课余时间，使用生活中的常见材料和影像素材，自行制作一些简易模型、标本或视频作品，以此来深化学生对知识原理的理解，提升学生的科学探究能力。

（2）教学用具创新实践

在学生完成必修1“探究植物细胞的吸水和失水”实验操作后，课题组教师利用“摘果子”的自制教具模型，对“物质跨膜运输方式”这一课程内容进行系统复习总结，既丰富了课堂教学内容，也训练了学生的逻辑思维和辨析表述能力。近年来，在原先“旋转密码”（自制教具）的基础上，课题组教师又制作出升级版的“遗传魔盒”，用它模拟“密码子表”“中心法则”等教学内容，化静态为动态、变抽象为直观，很好地解决了必修2教材“思考·探讨”中“分析密码子特点”“DNA复制模拟”以及“基因表达过程”等教学难点。由于实际使用效果良好，该教具还被学校推荐参加全市自制教具评比大赛并获奖。

学生的创新制作，除了全体学生按照教材要求，利用废旧物品制作生物膜模型、生态缸等物理模型外，还以研究性学习小组为单位，指导部分学生开展特殊项目的研究制作活动。譬如，利用生物实验室的数码显微镜的拍摄与储存功能，制作出苔藓植物显微观察以及草履虫运动、摄食等微视频作品。去年，学习小组还利用一只飞撞到教学楼窗玻璃而意外致死的雌性环颈雉，制作出了栩栩如生的鸟类标本，弥补了学校标本室十多年来只有雄性环颈雉而没有雌性标本的缺憾。这些创新活动，在开拓学生知识视野，丰富学生学习生活的同时，也极大促进了学生科学探究能力的培养。

（三）教学评价创新

教学评价是教师了解教学过程、评价教与学行为、提高教学质量的重要手段。学科教师主导的教学评价主要包括日常教学评价和阶段性教学评价两个过程，进行适当教学评价创新研究与实践，既可以激励学生提高学习热情，促进学生学科核心素养的发展，也可帮助学科教师积累经验。