基于生物实验培养学生科学探究素养的实践研究

罗建义　吴志强

新一轮课改背景下高中生物实验教学强调面向全体学生，倡导学生主动参与包括生物实验在内的探究学习过程，以提高学生收集和处理信息、主动获取知识的能力。“科学探究”是生物学核心素养的重要内容之一。在实验教学中，若把教材知识融合在实验中进行探究，可以激发学生的学习兴趣，帮助学生巩固教材知识，发挥实验课堂教学的价值，帮助学生在探究中形成严谨的科学研究方法，学会用科学的思维对实验过程和实验结果进行分析，提升他们的科学探究素养。

1创设有吸引力的实验目的和探究氛围

验证性实验是对教材内容的再现和验证，旨在加深学生对知识的理解和掌握。其目的性强，但缺乏对学生获取知识的主动建构，缺失结论的探究体验，无助于学生探究素养的提高。因此，教师需要根据具体学情，对教材中的一些实验进行一定的调整，增强学生动手实验的兴趣，这对学生科学探究素养的养成将起到重要作用。

在開展“植物细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验时，传统的验证性实验已无法激发学生的思维和兴趣。于是，教师将此实验的目的调整为探究不同种类的植物细胞发生质壁分离及质壁分离复原现象的条件。在教师的预设下，引导学生分别选用紫色洋葱的内表皮细胞、花生的种子细胞、植物茎尖分生区细胞、菠菜叶肉细胞与紫色洋葱的外表皮细胞进行对比实验，使学生对选择紫色洋葱外表皮细胞为实验材料的原因有了充分的认识。实验试剂方面，除了0.3%的蔗糖溶液外，还选择了3%的蔗糖溶液，3%的尿素、KNO₃、乙二醇溶液进行实验。学生在探究、观察、比较与分析后得出了结论。有部分学生在实验中发现，3%的尿素、KNO₃、乙二醇溶液中的植物细胞发生质壁分离一段时间后，会出现自动复原现象。教师可以引导学生继续探究，分析产生这种结果的本质原因，使实验探究走向更深处。

在宽松的实验探究氛围中，适当改换实验目的，创设一系列的问题情境，吸引学生参与到实验中来，积极开发他们的想象力。只要学生有想法，教师应当积极给予鼓励和帮助。学生体验了实验准备、实验操作、结论推导的整个环节，更好地培养了他们的探究素养和创新精神。

2创设自主性的实验过程和改变

以基础实验为基石，根据教材实验的内容和时间，分阶段、分层次的开展学生自主实验，引导学生自主探究。教师可以分别对检测试剂、实验过程和实验结果进行改变，并从这三个视角进行差异性分析，创设学生自己动脑、动嘴、动手的学习情境，激发学生探索的欲望和独立思考的积极性。

2.1创设改变检测试剂的差异性分析

改变试剂的差异性分析，指在自主探究的实验教学中，改变检测试剂后常会引起实验现象或结论的变化，继而引导学生对实验现象或结论的差异性进行分析，以促进学生探究技能的全面提升。这种改变，旨在利用不同试剂反映探究问题的不同侧面，引导学生对探究问题进行多角度认识，使学生对探究问题的认识更加全面。

在“温度对酶活性的影响”实验中，教材选择碘液作为检测试剂。有部分学生提出，用斐林试剂或班氏试剂能不能作为检测试剂呢？面对这样的疑问，教师应该及时引导学生进行分析。比如，预测不同检测剂的检测对象、使用条件的差异性，预判实验成功的可能性等。然后，再让学生利用不同的检测试剂开展平行对比实验。通过这样的分析后，学生不仅对“温度对酶活性的影响”实验认识更深刻，同时地对科学实验的探究有了正确的理解。

当然，探究素养的培养要结合实验目的、条件、检测试剂等特点，创设有利于学生实验的具体情境来进行，不可盲目或生硬改变。

2.2创设改变实验步骤的差异性分析

改变实验步骤的差异性分析，指在学生自主探究中，教师可以有意地改变实验步骤，引导学生关注步骤改变前后的现象改变，对实验中提出的问题、现象、失败的原因细致考虑。要求学生多问“为什么”，全面系统地分析实验目的、操作要求与实验步骤改变之间的关系，提高探究性实验的教学效果，从而促进学生探究技能的提高。这种改变，可以使学生更加明晰不同的实验步骤与实验现象、结论之间的对应关系，正确理解选择恰当的实验步骤的必要性与不可替代性。实验步骤的改变可以根据预设的实验步骤，从实验组别的增减，自变量、无关变量的变化，处理方式的调整，步骤的互换等方面考虑。

如“探究pH值对酶活性的影响”实验中，常规实验步骤设计为：①取同型号的试管9只依次标号，分别加入2mL 0.5%的可溶性淀粉溶液，相应的缓冲液3mL，使各试管中溶液的pH值依次稳定在3、4、5、6、7、8、9、10、11；②将9只试管在37℃的温度下恒温水浴，分别向9只试管中加入0.5%的唾液1mL；③每隔1min从第5号试管（即pH为7的试管）中取出1滴反应液，滴在比色板上，加1滴碘液显色，待呈橙黄色时，立即取出9支试管，加碘液显色并比色，记录结果；④分析实验结果，得出结论。

在教师的引导下，学生可以对以上步骤进行有目的的改变。有的学生认为9只试管过多，建议缩小试管中溶液的pH梯度，或保留其中的某几只试管进行实验；有的学生困惑温度设置的时间究竟是在加酶之前还是加酶之后，于是他们设计将实验的第一步与第二步进行互换；有的学生想知道无关变量究竟与实验结果有没有关系，他们或用20℃的恒温水浴，或改变第5号试管的比色时间。学生对步骤改变前后观察到的实验现象进行对比，甄别其相似程度，对出现的误差进行分析。这样做，学生不仅认识到实验步骤设计的合理性，更让他们触及实验探究问题的本质，对学生科学探究素养的提高具有重要意义。

实验步骤的改变依然要根据实验目的、原理和条件，可以是针对学生实验中发现问题的探究，也可以是对实验的改进。切不可一味地追求改变而随意改变，科学的改变是学生创新能力培养的开始，是学生探究科学素养提高的表现。

2.3创设改变实验结果的差异性分析

改变实验结果的差异性分析，指在实验探究过程中，教师可适当添加实验材料，调整实验用具，改变实验方法，获得各种不同于预设结果的实验结论。引导学生对不同的实验结果进行归因分析，横向比较造成结果的差异性，纵向比较导致相应结果的原因，使学生对实验结果的认识能够反映现象本真。旨在培养学生的探究技能素养，有利于学生分析、质疑及探究能力的提高。这种改变，要立足结果差异，根据当时的具体条件，选材、器材的性能等多方面考虑，切忌分析不彻底，比较不到位。

如在探究淀粉酶对淀粉和蔗糖作用的专一性实验中，A组学生严格按照教材的建议以斐林试剂作为检测试剂，发现在淀粉溶液中加入淀粉酶水解，再加入斐林试剂水浴加热后出现了砖红色沉淀，蔗糖溶液在相同的条件下做相同处理后却无颜色变化。学生基于此得出淀粉酶对底物的催化具有专一性的结论。B组学生在讨论的基础上，以碘液作为检测试剂进行鉴定，发现含有淀粉溶液的试管蓝色褪去，含有蔗糖溶液的試管无颜色变化。组间交流后，B组学生认为他们设计的实验也得出了酶具有专一性的结论，但A组学生却坚持认为B组学生的实验结论是错误的。教师随即引导学生对生成的问题进行归因分析，横向比较造成结果差异的原因。A组学生以斐林试剂作为检测试剂，侧重于对淀粉水解后产物的鉴定。B组学生选用碘液作为检测试剂，只能说明淀粉酶对淀粉的催化程度如何，侧重于对底物剩余量的鉴定。淀粉酶能否催化蔗糖的水解，仅以溶液颜色未变是无法判断的。因此，B组学生得出的结论是不准确的。同时，分析实验组、对照组出现相应实验结果的理论基础，引导学生充分认识淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解的实质。颜色变化仅是表象，能否发生水解反应才是问题的实质。教师要根据实际情况，对改变前后的实验结果多做差异性分析，对学生科学探究素养的提升有较大帮助。

3创设多元化的实验评价

多元化的教学评价是对学生的发展性评价，既关注学生的学习结果，更关注他们的学习过程；既要关注学生学习的水平，更要关注他们在学习活动中所表现出来的情感与态度。这种评价，可帮助学生认识自己在学习策略、思维、习惯上的长处与不足，认识自我，树立信心，真正体验到自己的成功与进步。

在探究性实验教学中，教师可创设多元化的实验评价体系，引导学生对实验原理、探究过程进行判定。评价实验目的是否完成，学生探究是否主动，测量方法是否恰当，测定数据是否准确，依据的实验方案是否合理等。通过评价，教师对课堂中生成的问题及时给予反馈，对学生取得的阶段性成果不断肯定，不断激发学生探究素养的提高。

如在研究“渗透作用”的实验中，教师要对各小组学生的实验方案、半透膜的选择、仪器的安装、对渗透作用的理解状况、小组内各位学生的参与程度及表现进行判定。根据拟定的评价标准，引导学生对各小组的实验预案及状况进行评价，确定其等级，引导后进小组选择或改进实验方案，促进他们对探究方案的预判与选择能力的提升。在实验中，教师要引导学生对实验的过程、测定的方法、现象的观察、结论的科学性、实验人员的情感表现等方面予以评价。教师积极采用小组自评、组间互评及教师总评相结合的方式，作出科学公证的评价，促进学生科学探究素养的提升。

科学探究素养是生物学核心素养的重要内容，基于生物实验培养学生的科学探究素养的有效实践，可以引导学生从不同侧面理解教材实验，形成严谨的科学探究方法。多元化的实验评价，更使学生对实验探究的科学性有了充分的认识，促使学生科学探究的素养不断提升。