高中生物探究性实验教学的现状与反思——以甘肃省为例

王 飞

按照生物学教学的特点，生物学实验可划分为观察实验、验证性实验、探究性实验、设计和制作实验等。［1］（p154）其中，探究性实验是指探究对象的未知属性、特征以及其他因素关系的实验，其最大特点是在学生对研究对象尚不明确或尚未完全了解的情况下，凭实验去探究并最终得出正确的结论。［2］（p62）在探究性实验过程中，学生要像科学家那样提出问题、作出假设、设计实验方案、实施实验、得出结论、表达交流，从而获取生物学知识，并学会科学的方法和技能，养成科学的思维方式，形成科学观点，树立科学精神。因此，探究性实验在学生知识获得、动手操作、主动探究、独立思考、科学思维、实践创新等方面有不可替代的作用。

一、问题的提出

2004年，人民教育出版社课程教材研究所根据教育部2003年制定的《普通高中课程方案（实验）》和《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称《标准》），组织编写了生物学科六个模块的教材（以下简称“人教版教材”），其中包括三个必修模块（“分子与细胞”、“遗传与进化”、“稳态与环境”）和三个选修模块（“现代生物科技专题”、“生物科学与社会”、“生物技术与工程”）。为了突出生物科学的过程与方法，培养学生的科学探究能力，教材中设置了大量的探究性实验，如“植物细胞的吸水和失水”、“影响酶活性的条件”等。那么，作为高中生物学教材的重要组成内容，这些探究性实验在高中生物学教学中的开设情况如何？教师如何开展探究性实验教学？是否真正培养了学生的科学探究能力？对这些问题进行讨论与分析，有助于将探究性实验教学更好地落实到实处，有利于高中生物课程改革的深入；同时可以为今后生物学课程改革以及教育管理部门、理论研究者提供理论参考依据。

二、研究的内容与方法

（一）研究内容

本研究中的探究性实验选自人教版教材必修三个模块，主要依据两个方面进行筛选：一是教材中明确标明“探究”的实验，共11个；二是只要满足“学生对研究对象、研究现象、研究计划、研究方法、研究结论

中某一个或多个方面未知”的条件，即将其定性为探究性实验，此类实验共4个。此外，根据施瓦布等人的“科学探究水平分类”［3］（p55-56）和郑春和等人的“实验考查目标视角的探究性实验层次分类”［4］［5］，将该 15 个探究性实验分为“完全探究”和“部分探究”两种水平类型。（见下表1）

（二）研究对象和方法

甘肃省普通高中生物课程改革于2011年开始，是全国最后一批进入课程改革的省份。作为西北五省之一，由于地域及经济发展等原因，其教育教学具有一定的代表性和特殊性；同时，甘肃省普通高中均使用人教版教材。因此，本研究以甘肃省作为大的样本区域，采用分层整体抽样的方法，综合考虑甘肃省内14个市（州）及学校总体数量，共选取50所普通高中作为样本学校。同时，结合“有理想，对高中生物教学有着一定的价值追求”、“在生物教学中为学生开设过探究性实验”、“年龄平均保持在30-40岁之间”、“教龄平均保持在10-15年之间”、“性别比例基本持平”、“任教年级以高二年级为主”等样本选取原则，在每所学校选取1名生物教师作为样本对象，共50名。

研究主要采用问卷调查法，并结合访谈法进行。调查内容包括探究性实验的开设、教师对探究性实验教学的准备、探究性实验教学的实施、探究性实验教学的评价等，以单项选择题、多项选择题、开放性问答题的形式呈现。在调查过程中，研究者深入到50所样本学校，将问卷发放给50个样本教师，回答完毕后当场收回，后期采用Excel软件对数据进行处理和分析。之后分别对50名样本教师进行一对一访谈，用录音和纸笔记录的形式进行记录。

三、结果与分析

（一）探究性实验的开设情况

调查显示，每所样本学校平均开设2.22个探究性实验。其中，开设情况最好的3个探究性实验依次分别是“植物细胞的吸水和失水”、“比较过氧化氢在不同条件下的分解”、“影响酶活性的条件”，开设率分别为64%、46%、26%。其余12个探究性实验开设率较差，开设率均不超过20%。（见表2）

表2. 人教版生物教材必修模块探究性实验开设情况

从教材三个必修模块探究性实验的开设情况来看，必修一“分子与细胞”模块中的探究性实验开设率较高，50所学校累计开课85次；必修二“遗传与进化”模块累计开课8次；必修三“稳态与环境”累计开课18次。结合必修一、二、三各模块探究性实验的总数（必修一5个，必修二3个，必修三7个），来对各模块中实验的“平均开课数”进行计算（平均开课数=各模块探究性实验开课次数/各模块探究性实验总数），依次分别为必修一、必修二、必修三（平均开课数分别为14.2、2.7、2.6次）。

从部分探究性实验和完全探究性实验开设情况来看，必修三个模块中“完全探究性实验”累计开课总数为70次，“部分探究性实验”累计开课总数为41次。其中必修一、二、三模块中共有“完全探究性实验”10个，“部分探究性实验”5个，对其开出率进行计算（开出率=不同探究性质的实验开设总学校数÷不同探究性质的实验个数），发现“部分探究性实验”开出率为8.2个，“完全探究性实验”开出率为7.0个。“部分探究性实验”开出率高于“完全探究性实验”。

（二）教师对探究性实验教学的准备情况

教师对探究性实验教学的准备情况，可以从教师对教材中探究性实验的处理情况直观反映出来。因此，本研究对于探究性实验教学准备情况的调查主要从三个维度水平来进行，分别是：“教教材”、“用教材教”、“不用教材教”。（具体水平划分及表现见表3）

通过教师对教材中探究性实验内容的处理情况设置单项选择题，让教师在具体的表现上进行勾选，之后按照样本教师勾选次数进行归类统计。调查结果显示，教师在处理教材中探究性实验教学内容时，经常采用“教教材”方法的人数最多，为25人。再通过对教师总体进行赋值计算，50名样本教师在处理教材中探究性实验内容的平均水平为“用教材教”，总得分为108分。（具体见表4）

表3. 探究性实验教学准备的三个维度水平及具体表现

表4. 教师对教材中探究性实验教学的处理情况

从教师对于教材中探究性实验的改进情况来看，教师很少在实验材料、实验器具、实验方法等方面对教材中探究性实验进行改进和完善，甚至很大一部分教师从未对其进行过任何改进。从教师对于探究性实验改进的方法上来看，使用最多的方法是“将教材中实验材料进行改进”，得分最高，为62分。（见表5）

表5. 教师对教材探究性实验的改进情况

此外，调查结果显示，教师在准备探究性实验教学时，将精力主要放在了采用何种教学方法来组织探究性实验。有接近半数的教师（22名，占总数44%）是以“按照教材来教，但会通过一些教学方法来突出科学探究”的方式来进行的，具体表现为教师通过教学设计来对探究性实验教学中的过程和方法进行组织，其中引入“合作学习”、“启发诱导”、“自主探究”等教学方式。

（三）探究性实验教学的实施情况

调查显示，无论是出于教师自身还是出于外界压力，50名样本教师都能够认识到探究性实验教学的重要性。以几位教师的访谈记录为例：

A教师：探究性实验作为教材内容的重要组成部分，对于学生科学探究能力和生物科学素养的提升有着积极的作用，毕竟实验是生物学的重要方法途径。

B教师：新课程积极倡导探究性教学，强调生物实验教学，实验本身对于学生的学习方法、学习态度、学习主动性都有着积极的意义。

C教师：实验是生物学作为一门自然科学的重要研究手段和方式，我在平常的教学中能够积极开设实验课，虽然受到各种因素的限制和制约，但是能为学生开就尽量为学生开，现在高考题中有很多的探究性实验试题。

D教师：我们学校领导是教生物的，对实验很重视，要求我们能为学生开设实验的就尽量开设，他还定期检查，所以，不开不行啊！

调查结果显示，教师组织探究性实验教学的方法主要有两种。一种是以教材中给出的“提出问题→作出假设→设计实验→进行实验→分析结果→结论和应用→表达交流→进一步探究”的过程进行组织，即“实验探究”的方法；另一种是从教学设计的视角，采用“创设情境，引发问题→充分分析，提出假设→设计实验，实施实验→分析结论，关注拓展→表达交流，质疑完善”的过程进行组织，即“引导——探究”的方法。前者所占比例较高，有35名教师经常采用此方法；后者所占比例较低，有15名教师经常采用此方法。

《标准》中将学生的科学探究能力划分了多个维度，分别是：提出问题的能力、作出假设的能力、动手操作的能力、设计实验方案的能力、数据描述和记录的能力、结果分析和归纳的能力、准确表达实验结果的能力、与他人交流的能力等。调查结果显示，在探究性实验教学中，动手操作能力、与他人交流能力、准确表达实验结果能力、结果分析归纳能力、主动合作能力是教师在探究性实验教学过程中较为重视的能力，得分分别为133分、122分、117分、116分、108分，而设计实验方案的能力、作出假设能力、提出问题能力得分较低，分别为63分、77分、82分。（见表6）

表6. 探究性实验教学实施过程中教师对于学生科学探究能力的培养情况

（四）探究性实验教学的评价情况

从调查结果来看，教师对于探究性实验教学的评价以“终结性评价”为主。以一位教师的访谈为例：

E教师：《标准》提倡过程性评价，这个我在理论课教学过程中经常开展，但是在实验教学中仅仅是在学生做实验的过程中，随时深入到各个小组，看每个小组的学生实验进展情况，发现问题及时对其进行纠正。因为实验教学是一个千变万化的过程，一步不合适，都会对最终的实验结果造成影响。加上实验教学本身就课时紧张，如果教师不及时跟进，很有可能完不成预期的实验教学目标。对学生的评价主要是看他们实验做得怎么样，是否达到了预期的实验目的，实验的结果和现象是否正确。

调查显示，教师在探究性实验教学中对于学生的评价主要采用“实验报告”、“纸笔测验”的方法。从实验报告单和纸笔测验的内容来看，多以知识性内容考查为主，评价内容以完成实验报告中的“实验目的、实验仪器、实验材料、实验步骤、实验现象、实验结果”为主。

四、结论与建议

（一）结论

本研究调查结论如下：

一是教材必修模块探究性实验的开出率较低。具体表现在：第一，教材中必修模块共有15个探究性实验，而50所样本学校平均开设探究性实验仅为2.22个，开设率不足15%，其中开设0-1个探究性实验的学校所占比例也相对较多。第二，从教材必修三个模块探究性实验的“平均开课数”来看，开设率相对较高的探究性实验多集中于必修一模块，而必修二、必修三中相对难度较高的探究性实验开出率较低，均未超过10%。第三，从不同水平层次探究性实验的开设情况来看，“部分探究性实验”开出率高于“完全探究性实验”。

二是教师对探究性实验教学缺乏必要的准备。多数教师采用“教教材”的方法进行生物探究性实验的教学，即教师在上实验课之前，基本未对教材实验进行处理，完全按照教材呈现的内容进行教学，在探究性实验教学中所用的引导材料、探究问题、实验材料、实验步骤、实验方法等均与教材完全保持一致。同时教师很少能够对实验材料、实验器具、实验方法、实验过程进行改进研究与完善。

三是教师习惯性按照教材中呈现的实验过程来组织教学。教材中探究性实验的呈现多是按照“提出问题→作出假设→设计实验→进行实验→分析结果→结论和应用→表达交流→进一步探究”的过程和步骤来进行的，研究发现，教师也多是采用此种方法来组织探究性实验教学，所占比例高达70%。

四是教师在实验教学过程中对学生能力的培养有所偏重。调查发现，教师在探究性实验教学过程中，对于学生个别能力较为重视，如动手操作能力、与他人交流能力、准确表达实验结果能力、结果分析归纳能力、主动合作能力等，而对于探究性实验的若干关键能力，如设计实验方案能力、作出假设能力、提出问题能力等却不够重视。一方面反映出教师在探究性实验教学过程中对于学生各方面能力的重视程度不均衡，另一方面反映出教师还未能清楚地认识到探究性实验对于学生能力培养的关键所在。

五是对探究性实验的评价以“终结性纸笔测验”的方式为主。调查显示，目前对于探究性实验本身的评价多是以“实验是否成功”、“实验现象是否明确”、“实验结果是否正确”、“实验报告是否完成”、“实验报告中的各个步骤是否准确完成”等标准来进行衡量；而对于探究性实验教学的评价也主要体现在“探究性实验是否完成”、“是否成功”的层面。说明评价还停留在“终结性评价”和“纸笔测验”的阶段，这也与课程改革所提倡的“过程性评价”、“多样化评价”方式相悖。

（二）反思

本研究尝试对影响普通高中生物探究性实验教学的因素进行分析，认为主要集中在资源配置、教师个人能力、教材编写、课程设计四个方面，具体表现在：一是课时紧张、工作量大、缺少必要的实验资源配置是影响探究性实验开出率较低的外部因素。二是教师个人能力是影响探究性实验教学实施的关键因素，其中包括教师的实验探究能力、教师的实验组织能力等。三是教材编写的问题是影响探究性实验开出率的间接因素，具体包括教材各模块的实验数量分布不太符合高中教学实际、教材中探究性实验缺乏开放性和简便性。四是课程标准中对探究性实验及其教学的要求不明确，缺乏对学生探究能力的具体划分和界定，是影响高中生物探究性实验教学评价的关键因素。

（三）建议

第一，加大实验资源配置，创造宽松的教学科研氛围。高中生物探究性实验教学要想取得一定的质量，必须给出相应的外部保障机制和措施。一是加大对生物学探究性实验教学的重视。要能够认识到生物探究性实验对于教育教学质量提升、学生能力培养的重要性；要建立长效、合理的教学管理和考评制度；要建立完善、公正的教师教学评价体系，将探究性实验的开设、实施、评价等纳入学校管理体制中，从而充分调动教师开展探究性实验的积极性和创造性。二是合理配置实验资源。一方面，通过配置专职实验人员，分担生物教师工作量，解决教师工作量大、时间紧张的问题；另一方面，配置实验开设所需的材料、仪器、设备、场地、经费等，为教师开展探究性实验教学提供硬件支撑。三是为教师提供宽松的教学和科研氛围。从工作量计算方面为生物教师提供优惠政策，将实验教学纳入“绩效考核”评价体系中，合理设置实验教学工作量计算办法；鼓励教师“因陋就简”开展实验教学，在学校缺乏经费预算的前提下，鼓励教师通过自制教具、废物利用等方式来开展生物实验教学；定期开展实验教学展评活动，在活动中教师可以将自己的实验作品、实验教学成果、实验教学方法等进行展示与交流，从而营造“人人做实验、人人争创新”的氛围。

第二，教师要针对性地开展探究性实验教学，提升自身能力。一是抓住探究性实验教学的本质和关键。从科学探究本质属性来看，科学探究具有问题性、思维性、建构性、合作性等本质特征。［6］那么，教师在开展探究性实验教学时，应该抓住这些本质特征，如此才能够将探究性实验真正落到实处。二是通过“日常化研究”提升自身探究性实验教学能力。教师可通过“侧重于生物学实验改进及完善的‘做实验’的研究”和“侧重于生物学实验教学设计与实施的‘教实验’的研究”，来提升自身的实验探究能力和实验教学能力。［7］三是因陋就简、因地制宜开展探究性实验教学。一方面，教师可利用生活中的常见材料或者废弃物（饮料瓶、输液管等）等低成本的形式开展探究性实验教学；另一方面，教师可通过自制教具的形式开展探究性实验教学。

第三，加大教材中探究性实验的开放性、普适性、实际性。一是开放性。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中指出：“教材应留给使用者一定的空间，体现开放性和可塑性。”［8］（P67）因此，教材应不对探究性实验提供过多的参考和建议，以避免教师过多的依赖教材，从而不去对探究性实验进行适当的准备与开发。如实验材料、实验方法、实验仪器、实验步骤等都可不在教材中呈现，只提供探究的主题，以便教师和学生进行更加开放的科学探究。也可以按照“优中选优”的原则，提供多种参考案例和建议，如提供多种实验材料供教师和学生进行选择性探究。二是普适性。教材要想具有较多的适用人群，就必须充分考虑各地区、各民族学生之间的差异性。如农村偏远地区由于经济条件、资源配置等原因，往往因实验条件缺乏而无法开设生物学实验；个别地区由于民族、宗教的限制，教师不可能采用教材中提供的实验材料来进行（如猪肝研磨液）。因此，教材在设计探究性实验时，一方面应尽可能地设置相对简单的实验仪器、设备，另一方面也要考虑民族地区差异。三是实际性。教材编写者应结合高中教学实际，统筹考虑探究性实验在教材中的分布情况。如，必修三中探究性实验可适当减少，同时必修一、必修二探究性实验数量要基本持平，否则容易造成必修三中探究性实验由于高考复习等原因无法开设、流于形式。

第四，完善课程评价体系，细化学生探究能力水平。首先，要从国家层面强调生物学探究性实验及其教学的重要性，将其在课程标准中详细说明和阐述，“只有这样，在编写教科书的过程中和教师在教学的过程中才能真正重视实验和实验教学”［9］；要尽可能地实现考试大纲和课程标准的统一，如实验名称、实验内容等；要将生物探究性实验列入“学生学业水平考试”的范畴，将实验测评作为评价学生学业水平的重要指标，如此才能督促教育行政部门、学校、教师对生物学探究性实验的重视；精选实验内容，借鉴其他学科（如物理），以“必做实验”的方式对高中生物学教材中的探究性实验提出要求，对“必做实验”的开设数量、目的、方法等作出要求。其次，针对《标准》在学生科学探究能力及素养水平划分存在的“缺位”现象，建议在课程标准中对学生探究能力水平和界定办法进行细化。此点在2018年颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中已经有所体现，将学生“科学探究”这一核心素养作了四个水平的划分，并对四个素养水平的具体表现进行了详细描述与界定。［8］（P75-76）