基于科学探究的高中生物实验教学的设计与评价

【摘要】文章以“渗透作用”的实验设计为例，探索高中生物实验教学的设计策略和评价路径，结合概念教学与探究式教学，旨在引导学生通过完成实验探究活动构建生物学概念。教师通过对实验器材、实验试剂以及实验方案进行改进，将传统的演示实验转变为面向全体学生的探究实验，突出科学探究和思维训练，以宏观现象引导学生进行微观探究，巧用物理模型探究微观现象发生的原理，使学生在系列探究活动中理解并掌握渗透作用的概念。

【关键词】高中生物；实验教学；渗透作用；概念构建

作者简介：孙志妍（1984—），女，江苏省淮阴中学教育集团淮安市新淮高级中学。

石智慧（1993—），女，江苏省淮阴中学教育集团淮安市新淮高级中学。

基于科学探究的高中生物实验教学，是指立足具体的现实生活情境，挖掘具有探究价值的生物问题，在兼具启发性和引导性的课堂场景中，鼓励学生依托自身知识储备发现问题、分析问题、解决问题，依据生物问题的基本规律与属性，应用科学方法提出实验假设，并在论证中找到解决问题的正确策略与方法的实验模式［1］。本文以“渗透作用”的实验设计为例，由点及面地探究基于科学探究的高中生物实验教学设计策略。

一、高中生物实验教学的设计策略

（一）设计策略探究—实验教学思想的设计依据

科学探究是生物学学科核心素养的重要内容之一，贯穿了生物学学科的学习、论证和拓展等环节，在高中生物实验教学中尤为突出。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，教师在设计和组织教学活动时，应该围绕大概念和重要概念开展教学活动，促进学生对生物学概念的理解和应用［2］。核心概念是位于学科中心的概念性知识，包括对概念、原理、理论等的基本解释，这些内容能够展现当代学科图景，是学科结构的主干部分［3］。由大概念和核心概念延伸出来的一系列生物实验探究活动，能够引导学生发现和获取新的知识，构建对重要概念的认知。

高中生物教材中的实验内容占比较高，在科学探究的基础上运用概念构建的方式开展实验探究活动是教学设计的重点策略之一，如：酵母菌种群数量变化的探究实验中关于种群的概念，既有定性的描述，也有定量的推理；植物细胞有丝分裂的观察实验看似是显微观察类实验，实则是通过探究比较和归纳总结而进行的以染色体的形态、位置、数目为核心的概念教学；绿色植物光合作用速率的测定实验以定量研究为方法引领，旨在让学生在科学探究中理解净光合作用的概念本质，进而实现实验教学的深度拓展。

（二）设计策略实施—实验教学思想的设计方法

设计高中生物实验教学时，教师要基于科学发现史，融入辩证思维，再现经典实验情境，同时关注学生的实验过程，以学生的自我学习行为为主线，落实新课程标准中的大概念教学目标。

“渗透作用”这一实验内容在人教版高中生物必修一的第四章第一节，承接了第二章“组成细胞的分子”和第三章“细胞膜的基本结构”的内容，以水的跨膜运输为例，深入探究了细胞膜控制物质进出的功能。在大概念的视角下，它是连接多个重要概念的桥梁。该实验是高中生进入高中生物学习后遇到的第一个探究性实验，是培养学生生命观念和探究能力的良好素材。“渗透作用”这个核心概念十分抽象，对于高一学生而言，理解渗透作用的原理并且能较好地运用其规律解决问题并非一件易事。这就要求教师从实例入手，创设情境，引导学生展开自主探究。

在设计“渗透作用”实验时，笔者将概念构建流程分为感知、初探、再探、构建、内化和应用六个步骤，运用问题驱动法、小组合作探究法、类比推理法等教学法串联课程内容，具体如下。

概念感知：以趣味小实验导入本节内容，激发兴趣→概念初探：设计实验，从细胞层面观察吸水、失水现象→概念再探：利用物理装置模拟吸水、失水现象，探究其条件→概念构建：根据系列探究实验，归纳和总结渗透作用的概念→概念内化：类比推理，从动物细胞结构角度分析能否发生渗透作用，寻找实例验证→概念应用：以袁隆平研发“海水稻”减少土地盐碱化为例展开探究。

二、高中生物实验教学的案例实施

“渗透作用”实验教学的目标是：引导学生从现象探究到实验模拟，了解生物膜的跨膜运输原理，使其形成结构与功能观，初步体会生物膜的选择性对生命的意义；通过提出问题、获取信息、设计实验、实施实验等过程发展学生的科学思维；使学生真正理解渗透作用的原理；让学生通过体验探究活动，掌握科学探究的基本思路和方法，提高科学探究的实践能力；使学生能够运用生物学知识解决现实生活中的问题，并关注农业生产等社会问题。

笔者以生物学概念构建为课程实施的核心策略，通过多维度的情境创设，设计“渗透作用”实验，具体如下。

（一）概念感知

情境一：将剪开的等量的葱段分别放置在清水和蔗糖溶液中，观察实验现象（小葱跳舞）。

问题：为什么将葱段放置在不同溶液中会出现不同的形态？（补充：葱段外侧细胞有蜡质物质，限制了细胞的吸水功能）

设计意图：激发学生的学习兴趣，引导学生提出假设—在清水中，葱叶内表皮细胞吸水；在蔗糖中，葱叶内表皮细胞失水。

（二）概念初探

情境二：撕取葱段内的表皮细胞，利用显微镜进行观察，发现细胞无色透明。

问题：如何在微观层面观察到植物细胞的吸水和失水现象？

设计意图：通过引导学生观察实验现象，记录实验结果，培养学生的科学探究思维和自主探究能力。

（三）概念再探

情境三：由于细胞很小，学生无法直接观察到其吸水和失水情况，因此，笔者让学生利用物理装置模拟和探究细胞的吸水和失水现象。

问题：（1）如何利用U型管装置模拟细胞的吸水和失水现象？（2）根据什么现象可以判断细胞吸水和失水现象的发生？

设计意图：引导学生完成实验装置的组装，模拟细胞的吸水和失水现象，并解决装置组装过程中出现的问题，让学生体验科学探究的过程，培养科学探究能力。

情境四：观察实验现象（用半透膜分隔U型管，一侧放入清水，一侧放入红糖溶液）。

问题：（1）蔗糖分子和水分子可以通过半透膜吗？（2）从浓度高低层面考虑，水分子总的移动方向是？（3）右侧液面能否无限升高？（4）当液面高度不再变化时，两侧溶液的浓度是否相等？

设计意图：通过设计问题串一步一步引出渗透作用的概念，引导学生初步构建“水分子的跨膜运输即渗透作用”的概念。

问题：（1）遵循实验探究的一般步骤，利用此装置探究渗透作用发生的条件；（2）结合物质鉴定实验，探究半透膜允许哪些分子通过，不允许哪些分子通过。

设计意图：利用该物理模型让学生亲自体验渗透作用的实验探究过程，进一步认识“渗透作用”这一概念；通过实验探究膜的通透性，对半透膜的选择透过性形成基本认识。

（四）概念构建

情境五：通过完成以上实验，引导学生自主构建渗透作用的概念。

设计意图：培养学生的分析、归纳、总结能力，使学生加深对相关概念的认知。

（五）概念内化

问题：（1）植物细胞和动物细胞能够发生渗透作用的结构基础是？（2）列举动物细胞发生渗透作用的实例。

设计意图：引导学生运用类比推理的方法，回顾细胞的微观结构；通过对半透膜的实验探究，引导学生理解“原生质层和细胞膜相当于半透膜”，在类比推理中实现概念的内化。

（六）概念应用

情境六：展示袁隆平研发“海水稻”的相关图片。

设计意图：补充“海水稻”的相关知识点，引导学生关注农业生产问题，培养学生的社会责任感。

三、高中生物实验教学的评价路径

（一）评价路径探究—实验教学评价量表的设计与构建

笔者运用德尔菲法和层次分析法，构建了指向核心素养的高中生物教学评价指标体系，该体系包含一个教学设计评价总量表和四个评价分量表，分别是教学过程评价量表、思维构建评价量表、探究能力评价量表和目标达成评价量表。

通过分析上述高中生物实验教学策略可知，教学设计评价总量表和探究能力评价分量表与实验课型的评价契合度更高。教学设计评价总量表包含五个指标，探究能力评价分量表包含四个指标，具体内容和指标权重如下。教学设计评价总量表从教学目标预设、教学内容整合、课堂结构规划、教学方法选择、教学效果评价五个方面考量，指标权重对应分值分别为（括号内分值范围对应优秀、良好和合格三个等级）：25（18-25，9-17，0-8）、20（14-20、7-13、0-6）、26（18-26、9-17、0-8）、13（10-13、5-9、0-4）、16（12-16、6-11、0-5）。探究能力评价分量表主要从探究问题适切性、实验设计与实施、实验数据收集、实验推理与创新四个方面考量，指标权重对应分值分别为（括号内分值范围对应优秀、良好和合格三个等级）：29（20-29，10-19，0-9）、32（21-32、11-21、0-10）、17（12-17、6-11、0-5）、22（16-22、8-15、0-7）。

基于科学探究的高中生物实验教学评价量表是课堂教学的重要评价载体之一，具有科学的指导意义，能够让实验教学有改进的依据，使生物教学更有方向性，以评促教，从定性到定量，为教师的教学行为把脉，使教学与育人相统一。

（二）评价路径实践—实验教学评价量表的应用与分析

以“渗透作用”实验教学为评价课例，依据上述评价量表，进行课堂教学实践现场评分，共有七位教师评分，教学设计评价总量表平均分为90分，探究能力评价分量表平均分为92分。由此可见，基于科学探究和概念构建的实验课教学设计获得了听课教师的认可。

另外，通过对评价量表的数据进行统计分析以及意见收集，笔者得出以下评价结论。

1.“渗透作用”实验教学设计中的创新

创新点主要集中在简化实验装置、改进实验方案、改进实验试剂三个方面，具体如下。

（1）简化实验装置。简洁的装置能够使实验操作简便、实验现象明显。实验对该装置的改进更多集中在半透膜的选材上，采用了“废物利用”的材料自主组装设计，将实验装置改造为U型管。

（2）改进实验方案。基于装置可操作性强的特点，对教材中的实验方案进行了改进，将演示实验转变为探究性实验，旨在让学生在问题驱动和合作交流中提升核心素养。

（3）改进实验试剂。用红糖代替蔗糖，色差的存在使得实验现象更明显，并且可说明蔗糖分子无法通过半透膜。

2.“渗透作用”实验教学实施中的优点

在课堂教学实施过程中，U型管的合理使用是实验成功的关键，与倒置的长颈漏斗相比，其优点明显，具体如下。

（1）装置简单，实用性强，可重复使用，方便教师进行演示实验，且方便全体学生使用。

（2）两边均为敞口的试管，实验操作过程中方便加液和倒液。

（3）装置中的半透膜可重复使用，替换方便。

（4）U型管两侧带有精确刻度，使实验结果更为直观，利于将实验结果转定性为定量，更具科学性。

结语

实验教学是高中生物教学的重要组成部分。高中生物实验教学的设计应具有普适性，遵循教学设计的一般原则，突出重难点，策略应用得当；具有探究性，以自主探究和小组合作探究相结合的方式，培养学生的科学品质和合作精神；具有科学性，设计关于实验教学的特定评价量表，突出学生探究能力的培养。教师要以概念构建为经，科学探究为纬，教学评价为轴，创设教学情境，以大概念和核心概念引导教学，以评价反馈教学，以不断促进高中生生物学科核心素养的提升。

【参考文献】

［1］周丽云.核心素养视域下高中生物探究性实验教学设计策略研究［J］.教学管理与教育研究，2022（21）：92-94.

［2］中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］张颖之，刘恩山.核心概念在理科教学中的地位和作用：从记忆事实向理解概念的转变［J］.教育学报，2010，6（1）：57-61.