高中生物學探究性實驗教學的優(yōu)化策略分析

摘要：探究性學習不僅是新課改的研究熱點，還是課堂授課的重要切入點，促使教師投入更多的時間和精力開展探究性實驗教學。高中生物學教學中，實驗的地位和作用也越來越突出，探究性實驗也需要優(yōu)化，達到提高學生操作技能、科學思維的目的。文章簡述生物探究性實驗教學內容的設計形式，并從實驗準備、實驗預習、提出問題、實驗設計、交流評價等多個方面，探究如何優(yōu)化高中生物探究性實驗教學過程，旨在提高生物實驗教學質量，助力學生科學素養(yǎng)形成。關鍵詞：高中生物學；探究性實驗；優(yōu)化當前教育體制下，高中生物學教學中，學生不僅要熟練掌握專業(yè)知識和技能，還要加強對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，包括科學探究能力、實踐能力和創(chuàng)新思維等。高中生物是一門以實驗為基礎的學科，教學中合理利用探究性實驗能助力學生知識、技能和素養(yǎng)的發(fā)展。對此，教師應主動優(yōu)化探究性實驗，教學中加強對學生的引導，使學生充分利用已有條件參與到探究之中，進而掌握和理解生物知識。一、高中生物探究性實驗教學內容設計形式（一）挖掘教材內容，注重經典實驗從學生認知規(guī)律出發(fā)，實驗教學需要以學生現(xiàn)有知識、經驗為基礎，通過探究和分析建構新的知識體系。而教材中的實驗是學生學習的基礎內容，也是探究其他實驗的基礎，教師應依據教學目標要求，參考學生學情，對教材實驗進行適當?shù)募庸?、補充和簡化，作為探究性實驗的補充材料，如教師可以將驗證性實驗改編為探究性實驗[1]。另外，教材受到篇幅的限制，部分實驗過程被簡化，教師可以將其作為重點探究內容，引導學生通過實驗設計和操作，提高實驗設計能力。（二）精細挑選內容，激發(fā)探究興趣學生需要對探究實驗有足夠的興趣，才能主動沉浸其中，這就意味著教師所挑選的探究內容必須滿足以下三點要求：第一，實驗內容要貼合學生生活，如在探究環(huán)境因素對光合作用強度影響時，可以選擇“如何提高農作物產量”來切入實驗；第二，實驗內容要具有一定的難度，且貼合學生的“最近發(fā)展區(qū)”，這樣既可以保證實驗中提出的問題具有探究價值，又可以避免因實驗難度過高打擊學生的探究熱情；第三，實驗內容要具有可操作性，教師應選擇現(xiàn)象明顯、實驗周期短的實驗，不能選擇對儀器、環(huán)境嚴苛的實驗，如此才能保證探究結果的有效性。（三）巧妙設計實驗，培養(yǎng)實踐能力探究性實驗的特別之處在于能有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，實驗過程中，學生通過操作了解實驗過程，探究科學本質，領悟其中的科學精神，并逐步形成科學方法觀[2]。因此，教師在設計探究性實驗時，要對教學環(huán)節(jié)進行巧妙的設計，以保證實驗流程具有探究性。二、高中生物學探究性實驗教學的優(yōu)化策略對于高中生而言，探究性實驗教學的開展，是助力其知識、技能和素養(yǎng)發(fā)展的重要舉措。教學中每一個環(huán)節(jié)都至關重要，因此，教師在優(yōu)化時應從具體環(huán)節(jié)入手，具體內容如下：（一）優(yōu)化實驗準備環(huán)節(jié)，掃清正式教學障礙所謂“實驗準備”環(huán)節(jié)，指的是教師在備課時提前進行的預實驗。正所謂：紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。教材中的理論較為淺顯，教師為了保證探究性實驗順利開展，需要提前操作實驗，梳理實驗操作中的干擾因素、過失因素和注意事項，從中提煉出學生探究的重難點，并針對性優(yōu)化實驗開展方案，為正式教學掃清障礙[3]。以人教版高中生物選擇性必修2《第5節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性》教學為例，本課中教師多是通過指導學生完成“生態(tài)缸”的制作，在觀察中分析生態(tài)缸中生物種類和數(shù)量的變化，探究“生態(tài)缸的穩(wěn)定性”。但考慮到生態(tài)缸中生物組成結構復雜，教師應提前對實驗進行操作和分析，以保證課堂順利指導學生完成實驗探究。首先，教師應確定實驗探究目標和原理，即用生態(tài)缸來模擬簡單的生態(tài)系統(tǒng)，通過對其中基礎成分的合理組織以及營養(yǎng)級比例的控制，保證人工微生態(tài)系統(tǒng)的科學性與合理性。其次，教師要結合對探究性實驗的分析，來選擇恰當?shù)膶嶒灢牧?，如玻璃板和黏膠可以用來搭建生態(tài)系統(tǒng)的框架，但要注重密封性，避免因人工微生態(tài)環(huán)境與自然環(huán)境“連接”而影響實驗結果。另外，在收集生態(tài)系統(tǒng)基本成分時，要選擇腐殖質較多的土，以及動植物、微生物等，構成合適的食物鏈結構，保證其中有物質循環(huán)和能量流動。最后，布置好生態(tài)缸后將其放在通風且光線較好的位置，并觀察其中生態(tài)系統(tǒng)的變化，結合真實結果分析實驗的成功之處和失敗之處，再針對失敗之處進行合理優(yōu)化，總結容易對實驗造成干擾的條件，避免學生在探究時走進思維誤區(qū)。值得注意的是，人工生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有條件的，也是暫時性的，非常有可能因為某個條件的變化打破穩(wěn)定性，因此，教師要做好應對突發(fā)狀況的準備，并將這種“變化”作為深入探究的契機。（二）優(yōu)化學生預習環(huán)節(jié)，調動參與實驗積極性預習是教學活動的開始，也是學生作為主體參與的首要環(huán)節(jié)。常規(guī)預習方式中，學生多是帶著問題去看書，思維仍然順著教材編排方向前進，無法準確抓住實驗預習的重難點。對此，在探究性實驗優(yōu)化中，教師要注重優(yōu)化學生預習環(huán)節(jié)，要求其在自主預習后，設計“圖表式實驗學案”完整呈現(xiàn)實驗流程，包括實驗原理、實驗操作、實驗分析和實驗結論[4]。同時，為了降低學生的實驗預習難度，教師應對實驗的關鍵點給予提示，方便學生抓住預習要點，進而最大程度上調動學生參與實驗的積極性，以保證實驗教學的效率。以人教版高中生物必修第一冊《探究·實踐用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細胞質的流動》教學為例，教師應為學生提供預習任務單，給出實驗中的關鍵信息，并要求學生在預習中完成對“葉綠體和細胞質流動”的觀察。首先，教師向學生分享微課視頻，展示某兩位學生在顯微鏡視野下拍攝的黑藻胞質視頻，一個視頻中有明顯的胞質環(huán)流現(xiàn)象，另一個視頻中的胞質環(huán)流現(xiàn)象卻不明顯。而后，教師在預習任務單中提出引導性問題：①通過收集資料，探究細胞質的流動與哪些因素相關？②自行利用黑藻、顯微鏡、水浴鍋、膠頭滴管、吸水紙、載玻片、蓋玻片等材料完成實驗，驗證自己的猜測。其次，學生在預習環(huán)節(jié)中，通過理論知識的學習猜測“光照、溫度、葉齡”可能是影響黑藻胞質環(huán)流的關鍵因素，并結合自身的觀點獨立嘗試設計實驗，如在驗證“光照”對胞質環(huán)流影響時，對黑藻葉片分別進行強光和弱光處理，再對比不同光照下黑藻胞質環(huán)流的速度；在驗證“溫度”對胞質環(huán)流影響時，將黑藻分別放在高溫、適溫、低溫不同環(huán)境下，再用顯微鏡觀察黑藻胞質環(huán)流的速度；在驗證“葉齡”對胞質環(huán)流影響時，選取黑藻上的老葉和幼葉分別制作成水裝片，觀察其中黑藻胞質環(huán)流的速度。最后，根據實驗探究結果，撰寫“圖表式實驗學案”，將實驗猜想、設計方案、探究過程以文字、圖片的形式呈現(xiàn)出來，學會用科學的思維來解決問題。同時，還要將實驗中遇到的困惑整理起來，課堂中與師生共同探究解決。（三）優(yōu)化提出問題環(huán)節(jié)，突出實驗探究難點問題是開展探究活動的源頭，學生只有認識問題、發(fā)現(xiàn)問題，才會積極動腦思考去解決問題。愛因斯坦認為“發(fā)現(xiàn)問題往往比解決問題更重要”，這充分說明了發(fā)現(xiàn)問題才是解決問題的前提。因此，教師應重視對“提出問題”環(huán)節(jié)的優(yōu)化，具體來說，教師可以將探究性內容轉化為問題情境，引導學生沉浸其中，并主動搜集資料分析問題，這一過程中，教師要給予學生更多的鼓勵，敢于發(fā)散思維大膽想象。此外，教師還要注重啟發(fā)學生主動提出問題，在問題情境的啟發(fā)下，提出實驗中遇到的問題，并作為實驗探究中的重難點，引導學生在比較、分析、概括、重組中有序解決，最終提煉出實驗的原理及相關知識，構建更完善的知識體系。以人教版高中生物必修第一冊《探究·實踐探究植物細胞的吸水和失水》教學為例，教材中的實驗是利用“特定濃度的蔗糖溶液”來完成實驗，為了突出實驗的探究性，教師應對實驗過程中的提問方式和內容進行優(yōu)化，達到有效啟發(fā)學生思維的目的。首先，教師指導學生按照教材中的提示操作實驗后，提出問題：“教材中為什么要指定蔗糖溶液的濃度？不同濃度的蔗糖溶液會對實驗結果造成怎樣的影響？”讓學生在規(guī)定的時間內展開討論，并嘗試通過控制變量的方式設計對照實驗，將蔗糖溶液濃度改為30%、40%和50%，分別完成實驗后觀察細胞的吸水和失水狀況。其次，當學生認識到蔗糖溶液濃度對細胞吸水、失水的影響后，教師再次提出問題：“能否用其他溶液來代替蔗糖溶液？”啟發(fā)學生聯(lián)想生活經驗展開思考，如西紅柿切成塊撒上白糖后，會有較多的水分析出；青菜加鹽腌制后也會有水分析出等。通過一系列的生活現(xiàn)象推斷出，一定濃度的NaCl溶液可以代替蔗糖溶液完成實驗。最后，教師鼓勵學生設計以“特定濃度的NaCl溶液”探究植物細胞吸水和失水?；诖?，通過提問將驗證性實驗轉化為探究性實驗，并在過程中注重培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維和主動探究能力，激活學生的思維靈感。（四）優(yōu)化實驗設計環(huán)節(jié)，鍛煉解決問題能力實驗設計是保證實驗順利操作的關鍵環(huán)節(jié)，也是將問題與結論聯(lián)系起來的“橋梁”，能否制訂出切實可行的實驗方案，能間接體現(xiàn)出學生解決問題能力水平。教師作為課堂中的引導者，不能一味地幫助學生制訂實驗方案，而是要幫助學生根據自己的設想去制訂方案，并在操作中沿著方案思路解決問題。一般來說，教師可以從兩個方面優(yōu)化實驗設計環(huán)節(jié)，一方面，搭建問題框架，借助問題助力學生明確實驗設計的重點和關鍵，另一方面，抓住實驗設計的核心，訓練學生運用科學的方法來建立實驗過程，如求同法、剩余法、共變法等[5]。如此一來，學生從發(fā)展變化視角出發(fā)操作實驗，并利用辯證思維去分析實驗，優(yōu)化實驗中的不足。以人教版高中生物必修第一冊《探究·實踐探究酵母菌細胞呼吸的方式》教學為例，教師應突出學生主體地位，鼓勵其自行設計實驗方案。首先，教師指導學生明確實驗探究主題，并在要求學生設計實驗前，先解決如下問題：①實驗中有哪些自變量、哪些因變量？②為了探究氧氣對實驗結果的影響，怎樣控制有氧、無氧的條件？③特定濃度的NaOH溶液作用是什么？學生需要弄清楚以上問題后，再與小組成員根據觀點來設計實驗方案。其次，學生設計包含“探究課題、實驗材料、實驗用具、實驗步驟、預期結果、注意事項”的探究性實驗表格，實驗操作中將實驗信息記錄下來，用以解決以上問題，如學生在實驗中發(fā)現(xiàn)，有氧、無氧條件下澄清石灰水都會變得渾濁，但有氧環(huán)境下石灰水渾濁度更高。同時，有氧條件下酸性重鉻酸鉀不變色，而在無氧條件下酸性重鉻酸鉀會變成灰綠色。由此，學生通過分析得出結論，酵母菌有氧呼吸會產生二氧化碳和水，而無氧呼吸則會產生酒精和二氧化碳。（五）優(yōu)化交流評價環(huán)節(jié)，解決實驗探究疑惑探究性實驗開展的目的是吸引學生真正參與到探究過程，掌握科學探究方法的同時培養(yǎng)創(chuàng)新意識，因此，不必過于重視實驗結果是否統(tǒng)一。優(yōu)化過程中，教師應將實驗評價環(huán)節(jié)分為兩個模塊，一是實驗前交流，鼓勵學生提出探究問題及設計的實驗方案，評價學生的猜想和假設是否貼合探究主題，二是實驗操作后交流，通過集體交流的方式，對實驗中的疑惑和結論展開進一步探究。值得注意的是，部分學生操作實驗解決問題的基礎上衍生出新的問題，無法通過原有實驗進行驗證，教師應在交流評價中引導學生集體討論，為每個學生提供發(fā)表觀點的機會，并自主設計新的實驗解決生成的新問題，形成一個良性的學習循環(huán)。以人教版高中生物必修第一冊《探究·實踐影響酶活性的條件》教學為例，教師指導學生分組完成“用淀粉酶探究pH值對酶活性的影響”時，不同小組的實驗結果存在差異，可以借助設計交流點評活動，幫助學生解決實驗中產生的疑惑。首先，教師在各小組完成實驗操作后，邀請各小組代表上臺匯報實驗探究結果，并鼓勵其他小組認真聆聽后，對實驗過程和結論展開交流和評價。如某小組在實驗過程中，遇到“淀粉酶遇碘不變藍”的意外情況，探究后小組成員初步猜測“與實驗中的堿性環(huán)境”相關。為了驗證這一猜想的正確性，小組成員開展了新的探究實驗：①根據溶液不變藍這一現(xiàn)象，質疑“試管中的淀粉完全分解了嗎？”，并用斐林試劑加以驗證，得出“淀粉未被完全分解”的結論；②分析“淀粉和碘液相遇不顯色”的原因，對比實驗中材料、試劑和環(huán)境的異同，發(fā)現(xiàn)pH值是唯一的“變量”，進而提出新的猜測“碘液在堿性條件下會與淀粉發(fā)生反應”。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，再滴加碘液后溶液順利變?yōu)樗{色。其次，小組闡述問題和解決方法后，認識到是因為檢測試