基于核心素养的高中生物实验教学逆向教学设计——以“酶的作用和本质”实验教学为例

刘 鑫

(福州市闽侯县第一中学,福建福州,350100)

核心素养教育强调全人教育,生物学科核心素养对高中生物教学具有重要的指导作用。实验教学是高中生物教学的重要组成部分,但是长期以来存在忽略学生核心素养培养的问题。基于核心素养的生物实验逆向教学设计,更关注学生能力、素养的提升。因此,本研究将以“酶的作用和本质”实验教学为例,探讨基于核心素养的高中生物实验逆向教学设计,旨在通过逆向教学方法,培养学生的自主学习、合作学习、实验探究等核心素养,提高学生的综合素质。

一、逆向教学设计概述

逆向教学设计又称倒置教学法,即从学习目标开始,依次倒推至教学活动的设计。与传统的教学设计方法相反,逆向教学设计将学生的学习需求和目标设定为首要考虑因素,以确保教学过程紧密贴合学生的学习需求。[1]与传统的教学设计方法相比,逆向教学设计强调学习者的积极参与和深度学习,将学习者置于学习过程的中心地位,首先要求明确学习目标,然后设计课程内容、教学活动和评估方式,以确保目标达成。在逆向教学设计过程中,教师需要明确课程或单元的学习目标,目标应该清晰、具体且可测量,以便后续的设计和评估。在明确学习目标后,教师应该设计与之相关的评估工具,如考试、作业、项目等,评估工具应能测量学生是否达成了预定的目标。基于学习目标和评估工具,教师可以制定教学策略,包括确定课程内容、选择教材、设计教学活动等。在教学策略确定后,教师应开始实施教学,包括教授课程内容、组织教学活动、引导学生学习等。在课程结束后,教师应进行评估和反馈,包括评估学生学习成绩,反思和改进教学过程。

逆向教学设计与建构主义理论相契合,建构主义认为学生通过与新知识的交互来构建自己的理解体系。逆向设计的关键在于明确学习目标,体现以学生为中心、关注学生主动学习的核心理念和认知理论中“先认识、后知识”的思想。先明确学习目标,再设计教学活动,逆向教学设计更好地考虑了学生在学习中的认知过程,使教学更有针对性。此外,逆向教学设计强调反思性教学,通过不断迭代教学设计,使教师更深入理解学生的学习需求,提高教学效果。

二、作用分析

高中生物实验教学是培养学生科学素养和实验技能的关键环节。逆向教学设计以学习目标为出发点,强调学生的主动参与,为高中生物实验教学提供了一种新的设计思路,具有重要作用。一是促进学科知识的深度理解。逆向教学设计的首要环节是明确学习目标,强调学科知识的深度理解,使教师更准确地规划实验内容,使学生更系统地掌握生物学的基本概念和原理。二是培养科学思维和实验技能。将实验活动纳入整体教学设计,突出科学思维的培养,在提出假设、设计实验、分析数据等问题解决过程中培养科学思维科学活动,使学生逐渐掌握实验的基本方法和技巧。三是强调科学探究的主动性。逆向教学设计强调学生的主动学习,关注学生的知识获取,注重培养学生主动提问、实验设计、问题解决等能力。借助清晰的学习目标,学生在实验过程中将更加主动地探究问题、发现规律,成为真正的科学探究者。[2]四是建立实验与现实生活的联系。逆向教学设计注重实际应用,以更好地引导学生将实验结果与实际问题联系在一起,培养学生知识迁移应用能力。五是促进个性化学习。逆向教学设计强调学生的个体差异,为学生提供更多的自主学习空间,根据学生的兴趣和能力差异提供不同难度的实验选项,发挥学生的个体优势。

三、教学实例——以“酶的作用和本质”实验教学为例

(一)分解教学目标

在讲解“酶的作用和本质”实验时,需要明确以下学习目标。一是理解酶的定义和基本特征,如催化作用和底物特异性。二是了解酶在生物体内的作用,如消化食物、合成物质等。三是掌握酶活性的影响因素,如温度和pH值。四是实验并分析数据。

为了实现上述学习目标,教师可以将其分解为更具体的学习任务和活动,以满足学生的学习需求。教师可以设计概念导图,可视化呈现学习目标。例如,在概念导图的中心标注“酶的作用和本质”,分设不同子目标,如“酶的定义”“酶的作用”“影响酶活性的因素”等。教师基于概念导图,制定与每个子目标相关的教学任务。例如,为了达到理解“酶的定义”的目标,教师可以要求学生阅读相关教材或观看教育视频,并撰写简要的定义和特征总结。对“实验并分析数据”这一学习目标,教师可以设计一个酶活性实验任务,学生需要收集实验数据、分析结果、撰写实验报告,理解酶活性和影响因素。此外,教师还需提供相关资源和指导材料,如教科书章节、在线视频、实验指南和模型答案等。[3]

(二)确定核心素养评价指标

为评估学生在“酶的作用和本质”实验中的表现,需要制定相应的评价指标。一是科学思维与实践。学生能否合理地设计实验步骤,并记录实验过程和结果;学生能否正确使用科学仪器和设备进行实验操作;学生能否根据实验数据绘制图表和图形,以支持实验结果的分析。二是批判性思维与问题解决。学生能否提出关于酶的作用和本质的批判性问题;学生能否分析实验数据,提出可能的解释和假设;学生能否根据实验结果提出改进实验设计的建议。三是科学交流与合作。学生能否与小组成员有效合作,分享实验数据和讨论结果;学生能否用清晰的科学语言书写实验报告,包括实验目的、方法、结果和结论;学生能否参与课堂讨论,提出和回答与实验相关的问题。四是信息素养。学生能否查找和引用相关的学术文献,支持实验的背景和理论部分;学生能否评估信息资源的可靠性,并选择合适的参考资料;学生能否适当地引用文献并编写参考文献列表。[4]

(三)设计实验教学活动

在实验教学活动中,可以采用如下设计方案。一是准备所需材料,如生熟的水果(如苹果、香蕉、草莓等),盐、砂糖等酶的催化剂,塑料袋,榨汁机或搅拌器,温度计,秤,滴定管或注射器,试管或玻璃烧杯,酵母,计时器。二是实验第一部分。学生分成小组,每组选择一种水果(如苹果)和一种搅拌器,将水果切成小块并放入塑料袋,向每个袋子中添加一定量的盐或砂糖作为催化剂,记录袋子中的水果质量和添加的催化剂量,使用榨汁机或搅拌器将水果和催化剂混合均匀,记录混合后的温度,将混合物倒入试管或玻璃烧杯,使用滴定管或注射器将酵母添加到混合物中,启动计时器,并观察混合物中是否产生气泡(表示酵母开始发酵),记录产生气泡的时间。重复以上步骤,分别改变水果种类和温度条件,以获取多组数据。三是实验第二部分。学生在小组内合并数据,计算出不同条件下酵母发酵的时间,小组讨论并回答“酵母是一种什么类型的酶?盐或砂糖对酵母的催化作用有何影响?温度对酵母催化作用有何影响?”等问题,然后整个班级讨论、总结实验结果、探讨酶的催化作用原理。四是撰写实验报告。学生以小组为单位撰写实验报告,包括实验目的和背景、材料和方法、数据收集和分析、结论和讨论。五是评价。评价可以基于学生的实验报告、小组讨论、口头展示等方面的表现。实验教学活动有助于学生全面发展,使学生更好地理解和应用生物学概念。[5]通过该实验教学活动,学生不仅能够理解酶的催化作用原理,还能够培养科学思维、问题解决能力、科学交流和合作技能和信息素养。

(四)确定实验过程性评价记录要点

在高中生物实验逆向教学设计中,过程性评价记录至关重要,有助于了解学生的学习进展、问题解决能力和科学思维。记录表要点包括如下内容。一是实验前的问题提出与预测,了解学生对实验的期望和理解。在实验开始前,学生是否提出关于酶催化作用的问题,并根据预测写下猜想。二是实验步骤记录,评估学生对实验方法的理解和实验操作的准确性。学生是否详细记录实验的步骤,如所用材料、操作顺序、温度、添加的催化剂量等。三是数据收集与观察记录,了解学生的观察力和数据收集能力。学生在实验过程中是否记录数据,如温度变化、酵母产生的气泡数量和时间等,是否观察混合物的外观和变化,如颜色、气味等。四是问题解决和实验结果分析,评估学生的问题分析和解决能力。学生是否根据实验数据回答相关问题、解释实验结果,并与预测进行比较;是否分析实验中的变化和趋势,并探讨酶催化作用的原理。五是讨论与小组合作记录,了解学生的合作和沟通能力。学生在小组内是否讨论、分享实验结果和观察;是否讨论实验中遇到的问题、困难和解决方法。六是反思和自我评价,学生评价自己在实验中的表现和学习成果。学生在实验结束后是否反思,如实验中遇到的挑战、新的发现、学到的知识等。七是总结和结论,有助于了解学生对酶催化作用的理解程度。学生是否总结实验的主要发现和结论,以及从实验中学到的关键概念。八是提出新问题和进一步研究,培养学生的科学兴趣和继续学习的动力。学生是否提出与实验相关的新问题,并思考如何进一步研究酶的作用和本质。

(五)分析评价结果制定后续措施

首先,教师需要收集并整理学生在实验中产生的数据和结果,如观察记录、数据表格、实验报告等,分析学生的数据,比较不同学生或小组的实验结果,发现模式、趋势或异常情况,进一步评估学生的理解和实验操作的准确性。教师与学生一起讨论实验结果,帮助学生理解结果的科学意义,培养学生的科学思维和问题解决能力。在分析结果的过程中,教师需反馈学生可能存在的问题,如理论概念的误解、实验操作的错误和数据处理的困难等。[6]

基于数据分析和问题识别,教师制定后续措施,优化教学。一是有针对性的教学介入。为出现问题或误解的学生提供额外的教学支持和解释,帮助学生理解和纠正错误。二是调整教学策略。根据实验结果,调整教学策略,如重新讲解关键概念、提供更多示例和调整实验步骤。三是拓展学习机会。为理解水平较高和感兴趣的学生提供拓展学习机会,鼓励学生深入探究相关主题。四是引导性问题和讨论。通过提出引导性问题和组织小组讨论,促进学生深入思考和合作解决问题。五是继续实验。如果实验结果出现异常或不一致,考虑组织后续实验验证结果以解决问题。

(六)设计课后探究性作业

在逆向教学设计中,课后探究性作业是巩固学习成果、培养学生综合素养的关键环节。其一,学生需要撰写一份实验总结报告,包括以下内容:重新概括实验的目的和科学问题;详细描述实验步骤和所用材料;呈现实验数据、图表、观察和现象;总结实验结果,回答科学问题,并提出自己的想法;探讨实验中可能遇到的误差、改进方法、与理论的关系等;对实验过程和自己的学习进行反思。其二,学生需要提出一个与酶的作用和本质相关的科学问题,并借助图书馆、互联网等资源,撰写一份小型研究报告。其三,学生可以选择一种酶的作用实验,重新设计该实验以验证不同的科学问题或改进实验方法,需要详细说明实验的目的、设计、预期结果和可能的改进之处。其四,学生可以选择实验中的数据集进行分析,使用图表可视化数据,回答一些关于数据趋势、异常值和实验结果的问题。其五,学生可以查找一篇与酶的作用和本质相关的科学新闻报道,并撰写一份分析报告,应该总结新闻报道的主要发现、方法和影响,并提出自己的观点。

综上所述,基于核心素养的高中生物实验逆向教学设计能促进学生的自主学习,培养学生的批判性思维,提高学生的实践能力。在实验教学中,教师需要提前准备好教材和实验设备,确保所有必需的材料和仪器准备就绪,确保实验材料质量与安全性。在逆向教学中,教师应指导学生设计实验方案,包括确定实验变量、控制条件和数据采集方法,确保学生的实验设计符合科学方法的原则。在“酶的作用和本质”实验中,鼓励学生提出关于酶活性、反应速率和底物浓度等的问题,培养学生的探究精神和批判性思维。在教育实践中,教师可以积极采用逆向教学设计,为学生的核心素养培养提供更好的支持和机会。