基于学生核心素养发展的生物实验教学设计

张伟艳, 杨桂兰

(1. 哈尔滨师范大学 教师教育学院, 黑龙江 哈尔滨 150025；2. 哈尔滨师范大学 教育部高校辅导员培训与研修基地, 黑龙江 哈尔滨 150025)

21世纪以来,关于核心素养的研究已经成为国际教育界的热点话题。2013年5月,“我国基础教育和高等教育阶段学生核心素养总体框架研究”重大项目正式启动；2014年3月,教育部正式印发了《关于全面深化课程改革 落实立德树人根本任务的意见》,文件中提出“研究制定学生发展核心素养体系和学业质量标准”；2016年3月,《中国学生发展核心素养(意见稿)》向社会公布,意见稿中列出了9大综合素养；2016年9月,《中国学生发展核心素养》总体框架正式发布。新时代背景下生物学教学中的学生发展需求与不平衡、不充分的教学环境之间存在矛盾,教学工作需要围绕学生、关注学生、服务学生,教师的教育供给与学生的教育需求要达到平衡,即教育教学需要满足学生全面发展的需要。中国学生发展核心素养是以“培养全面发展的人”为核心,教育改革过程表明培养学生核心素养已成为新时期我国课程改革的核心目标。因此,教师要以核心素养为理念,在教学设计中注重培养学生的核心素养。本文以生物实验教学为例简单分析了在教学设计中如何融入核心素养,进而更好地落实新课程改革。

1 核心素养与学科核心素养

1.1 核心素养与学科核心素养的内涵

我国学生发展核心素养,主要是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。中国学生发展核心素养,以 “全面发展的人”为核心,分为文化基础、自主发展、社会参与3个方面,综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新6大素养,具体可分为18个要点,其基本内涵[1](见表1)。

表1 中国学生发展核心素养的基本内涵

不同的学者对核心素养的内涵有不同的定义,如邵朝友等人[2]认为学科核心素养是指通过学习某学科的知识与技能、思想与方法而习得的重要观念、关键能力与必备品格；喻平[3]认为学科核心素养包括 “知识理解”“知识迁移”和 “知识创新”3个层面。李霞[4]认为学科核心素养是学生在各学科课程学习过程中形成的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是我国学生发展核心素养在各学科课程中的具体体现。从以上学者对学科核心素养的分析可以看出学科核心素养需要以学科知识为载体,强调了关键能力与必备品格的形成。

1.2 学生核心素养与学科核心素养的关系

学科核心素养的出现容易让人误认为是不是培养了学科核心素养,学生的核心素养就自然地形成了,学生发展核心素养和学科核心素养到底有什么对应关系呢？辛涛[5]指出处理好二者之间的关系,不但保证了学生发展核心素养的落实,也有利于体现学科的特色与价值；如果处理得不好,可能会强化各学科的特色,造成学科和学科之间更清晰的分离,这既不符合现在国际上学科之间融合渗透的趋势,也在客观上将学生发展核心素养变成抽象的言词,而非撬动课程改革深化的杠杆。

马云鹏[6]指出学生在学校学习的全部总和并不等于学生发展核心素养,一方面,学科教学虽然是学校教育的重要组成部分,但并不是学校教育的全部,而在学校的学习也只是学生终身学习的一个阶段；另一方面,学科核心素养需要具有各自学科的特征,反映各学科所应该具备的本质的内容。东北师范大学教育学部殷春阳认为在学生发展核心素养和学科核心素养的逻辑关系中,二者应该是统一的,统一于学生作为一个完整的未来发展的个体,而且学生发展核心素养应该是处于上位的,学科核心素养是在学生发展核心素养的指导下构建和完善的,而由于学科核心素养还包括其自身的学科特质的内容,可能有的内容不能与学生发展核心素养直接对应,但是,学科核心素养应该是以学生发展核心素养作为指向的。因此,目前普遍认为学科核心素养不是由学生发展核心素养分解而来,学生发展核心素养也不是学科核心素养的简单相加。核心素养是跨学科素养,任何核心素养都不是一门单独的学科可以完成的。任何学科都有其对于核心素养发展的共性贡献与个性贡献。学科的育人价值主要在于对特定核心素养的贡献,这是需要不断明晰化的过程。只有明晰本学科在特定核心素养形成和提升上的教育意义,揭示学科与核心素养的内在关联,才能发现学科的独特育人价值。

2 生物学科核心素养及组成要素

学科核心素养是学科育人价值的集中体现,是学生经过学习后形成的正确的价值观、必备品格和关键能力。生物学学科核心素养由生命观念、科学思维、科学探究和社会责任构成[7](见表2)。

表2 生物学学科核心素养的内涵

3 生物实验教学对生物学科核心素养发展的重要意义

首先,生物学课程从课程性质上来说既属于学科课程,又属于科学课程,也是科学学习领域中的一门重要课程。生物学课程作为科学课程,不仅要传播科学的事实和概念,更要体现科学是一个探究的过程,因此科学探究实验是高中生物学科的重要组成部分,这就为培养学生的科学探究素养提供了极佳素材。其次,学生在亲自动手实验过程中能深刻地体会科学探究过程并且掌握科学探究方法,同时实验过程中形成了严谨的逻辑思维,通过分析实验结果与得出结论,学生形成了相应的生命观念。例如,探究“自然选择对种群基因频率变化的影响”实验中,学生通过参与科学探究的各个环节,运用观察法和数据分析法,直至最后探究出种群基因频率变化的规律；学生既提升了科学探究能力,又运用了科学思维解决问题,同时形成了“进化与适应”的生命观念。此外,除了探究性实验外的其他实验也能培养学生的生物学科核心素养。例如“制备真核细胞的三维空间结构模型”运用了模型与建模的方法说明了细胞在结构上是一个统一的整体,形成了科学思维；“生物体维持PH稳定的机制”的实验可以使学生形成“稳态与平衡”的生命观念。可见,实验教学有利于培养学生的生物学学科核心素养。

4 核心素养引领生物实验教学设计

4.1 教材分析

教材分析是教学设计的重要组成部分,要分析教材的地位与作用、内容与课程要求,教师需要在自己理解核心素养的基础上挖掘教材中哪些内容可以培养学生的核心素养。首先,第一类是教材中专门设置的实验,其中探究性实验是最容易体现学科核心素养的素材。但书中实验内容少,这就需要教师对书中其他资料进行挖掘,判断能否尝试将其设计成实验教学。例如“细胞核——系统的控制中心”一节内容,关于功能的资料分析,是组织学生设计实验和分析实验的好素材,将其设计成实验教学,组织学生设计实验、分析实验现象、得出实验结论,重点让学生感受到实验设计的基本原则(单一变量原则、对照原则),培养学生在尊重事实与证据的基础上运用归纳与概括等思维方法,探讨细胞核的功能。同时本节课还组织学生动手制作真核细胞的三维结构模型,学生感受到细胞作为基本的生命系统,其结构复杂而精巧,学会了依据“事实和证据”运用“模型与建模”的方法来认识生命现象,有助于学生科学思维的形成。通过上面对教材的深入挖掘,体现了教材内容融合了科学探究、科学思维等核心素养。

4.2 准确设置教学目标

核心素养来自三维目标，又高于三维目标。从形成机制来讲,核心素养来自三维目标,是三维目标的进一步提炼与整合,是通过系统的学科学习之后而获得的；从表现形态来讲,学科核心素养又高于三维目标,是个体在知识经济和信息化时代,面对复杂的、不确定的情境时,综合应用学科的知识、观念与方法解决现实问题所表现出来的关键能力与必备品格。显然,三维目标不是教学的终极目标,教学的终极目标是能力和品格[8]。从课程改革的工作推进上讲,核心素养是三维目标的深化、具体化。因此,要形成核心素养,离不开三维目标,但三维目标不是终极的目标,而是核心素养形成的要素和路径。教师在课堂中应做到为核心素养而教,在明确学科核心素养的基础上,改进教学、优化课堂,将学科核心素养的培育具体化。

教师在设计课时及教学目标时,要以学生核心素养和学科核心素养为依据,例如,细胞核这节内容,设计如下三维教学目标:

(1) 知识目标。阐明细胞核的结构，根据资料,分析、评价、设计实验,说出细胞核的功能。

(2) 能力目标。尝试制作真核细胞的三维结构模型,提高动手能力、进行实验设计、探究细胞核的功能。

(3) 情感态度价值观目标。认同结构与功能相统一的生命观念，体验科学探究的方法,养成利用科学方法解决问题的习惯，通过建构模型,增强对生物学学习的热情。

4.3 基于核心素养选择多样化教学方法

教学方法要依据教学内容、学生身心发展特点来选择,在实验教学中,需要教师发挥学生的主体地位,做学生的引导者,积极创设教学情境,培养学生合作学习和探究性学习的能力,需要教师精心选择教学方法。

目前,教师在实验课上大多数选择讲授与演示法,即教师讲解实验的操作步骤并进行演示,让学生模仿操作。实际上,有些探究性实验,教师可以直接组织学生去做,可以不局限于教材中的实验材料,例如探究影响酶的活性条件,书中给的实验材料是淀粉溶液和淀粉酶、过氧化氢溶液和猪肝研磨液,实际上这2组实验材料并不理想,很多文献中已经对该实验进行了材料上的创新,因此教师可以尝试组织学生进行小组讨论,选择其他材料。因此,在教学方法上教师可以尝试注重合作探究法的运用,提升学生的创新能力、合作能力、探究能力以及科学思维能力。

此外,基于种种原因很多实验不能组织学生去做,例如有些实验需要经过较长时间的培养过程才能看到实验现象,如“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验；有些实验材料和器具的安排存在安全性问题,如“绿叶中色素的提取和分离实验”中层析液成分“苯”有剧毒[9]。对于学生无法亲自动手操作的实验,教师可以将现代化科学技术运用到教学中,例如恰当运用虚拟仿真实验技术、“互联网+”技术等,可以为学生提供宽松的实验空间,从而弥补理论课堂上的不足[10]。

4.4 巧设探究性实验,发展学生生物学学科核心素养

在学科教学中,要遵循教育教学的基本原则和要求,基于学科核心素养精心设计教学过程[11]。生物学实验有助于学生的科学探究能力及动手能力的提升,基于课时及条件的限制,大多数学校很难做到将教材中的实验一一做完,但实验教学并不意味着必须亲自动手实验,教师可以利用书中的科学史资料将其设计成探究实验,进而使学生感受科学探究的一般步骤与方法,学生通过提出问题、做出假设、设计实验,体会科学探究的严谨性与科学性,而实验过程可以通过动画模拟操作过程,最后通过分析实验结果得出结论。

在细胞核一节中,将伞藻的嫁接与核移植实验设计成探究性实验。首先介绍伞藻特点(单细胞生物、易操作、再生能力强及伞藻的不同类型),然后引导学生设计实验,探究“伞藻形状是由假根控制还是伞柄控制”,基于前面的实验基础理论,学生可以设计出实验方案,接着需要教师引导学生分析实验方案(实验的自变量是谁——伞柄和假根的组合方式,实验中有对照吗？属于什么类型的对照？——将不同类型伞藻的伞柄与假根嫁接,其中2个均为实验组,因此属于相互对照),之后教师采用动画方式展示实验结果,让学生说出实验结论,结论的得出一定让学生去概括总结,这样可以很好地提升学生的理性思维。核移植实验的引出也可以培养学生的思维能力,例如通过实验现象,教师认为伞帽的形状是由细胞核控制的,学生通过思考会想到:假根中不仅有细胞核还有其他物质,教师这样的结论是不正确的。可见,这里可以鼓励学生勇于质疑,同时也能提升学生的思维能力。接着教师提问学生,“伞帽的形状是由假根中的细胞核控制的还是其他物质控制的”,学生可以提出假设,并且设计出核移植实验。可以看出,将伞藻的嫁接实验和伞藻的核移植实验巧妙地设计成探究性实验以后,学生感受到了科学探究的严谨性,掌握了科学探究的一般步骤,进而提升了学生的科学探究能力,形成了理性思维等生物学科核心素养。

5 结语

发展学生的核心素养是国内外基础教育改革与发展的重难点[12]。钟启泉教授认为,核心素养是当今国际教育界的潮流,“核心素养—课程标准(学科素养/跨学科素养)—单元设计—课时计划”，这是环环相扣的教师教育活动的基本环节[13]。教师将核心素养融入实验教学设计,进而融入生物实验教学,不仅有利于学生实验技能的提升,同时培养了学生的学科核心素养,对新课程改革下的生物实验教学改革有着重要意义。