高中生物教学中科学思维培养的教学案例研究

摘 要：高中生物实验教学的实施是培养学生科学思维的有效途径。基于此分析了高中生物实验教学中培养学生科学思维的有效策略，以“探究植物细胞的失水与吸水”实验为例，从教材、学情分析，教学目标、重难点、学法，实验过程三个方面探究了具体的教学案例。其中详细分享了实验过程的细节设计，可以为高中生物实验教学中如何培养学生科学思维提供教学参考。

关键词： 高中生物；科学思维；实验教学

《普通高中生物学课程标准》（2017年版2020年修订）强调了科学思维在学生核心素养发展中的重要性。高中是学生认知发展的关键阶段，学生已经具备了抽象逻辑思维的能力，能够进行演绎推理[1]。因此，科学思维的培养可以显著推动学生批判性和创新性思维能力的发展。高中生物实验教学是培养科学思维的有效途径之一。通过具体的生物实验，学生可以直观地观察生命现象，设计实验，提出假设，并通过实验验证，加深对生物学知识的理解，培养问题解决能力和科学探究能力。

一、高中生物实验教学中科学思维培养的策略

（一）结合实际改进实验材料

高中生物实验教学中，科学思维能力的培养需要结合实际情况，灵活选择实验材料。在选择实验材料时，要考虑材料是否便于观察、无毒无害、价格低廉且易于获取。同时，教师应充分利用本地资源，使实验更加贴近学生生活和实际情况。结合实际情况选择实验材料有助于激发学生的创造性思维和批判性思维。

（二）结合定性和定量开展实验

在高中生物实验中，定性实验主要用于研究事物的性质、成分等，而定量实验则侧重量的关系的研究。然而，目前生物实验大多为定性研究，不利于学生科学思维能力的培养。为培养学生的科学思维能力，教师应该逐步培养学生定量实验的思维方式。具体可以通过培养学生的变量意识来实现，例如，在定性实验中要求学生清楚自变量、因变量和无关变量等，并注意控制变量。同时，教师可以根据实验内容和性质进行拓展探究，通过设置问题引导学生进行定量思维[2]。

（三）开展探究性实验改进实验内容

通过开展探究性实验，教师可以给予学生更多的自主探究和思考空间。相较于传统的验证实验，探究性实验侧重让学生提出问题、做出假设、设计实验、进行实验、得出结论，并进行表达与交流。这种实验过程对学生开放思维和创造性思维的培养具有积极促进作用，但教师也需要根据学生的认知特点进行情境创设和教学设计，适当给予引导，同时不能过多干预学生的设计思路。

二、高中生物教学中科学思维培养的教学案例

为进一步探究高中生物教学中如何有效锻炼学生的科学思维能力，以高中生物“植物细胞的吸水和失水”实验为例进行教学设计与实施。

（一）教材和学情分析

本部分内容来自人教版高中生物学必修一的第四章第1节，主要探讨动植物细胞在吸水与失水过程中的渗透作用。该实验作为高中生物学课程中的首个探究实验，目的在于激发学生对渗透现象的兴趣，并通过问题驱动的方法逐步深入理解相关生物学原理。针对高中生在此发展阶段已具备的抽象逻辑思维能力和一定生活经验基础，本实验不仅有助于学生建立感性认识到理性认识的桥梁，也旨在通过实践活动使学生掌握科学探究方法和科学思维方式。教师在此过程中扮演关键角色，需引导学生深入体验科学实验的流程，并通过有效的教学策略提升学生的科学探究能力。

（二）教学目标、重难点与方法

本实验的教学目标主要包括三个方面：首先是帮助学生深入理解植物细胞吸水与失水的生物学机制，同时培养他们关于生命结构与功能相适应的科学观念；其次是提升学生的科学探究能力和科学思维水平；最后通过实验活动解决实际生物学问题，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。在教学中，重点是引导学生掌握实验探究的基本过程和注意事项，并深入理解植物细胞的水分调节原理。教学的难点则集中在如何有效地组织和实施实验探究活动。为了实现这些目标，教学方法包括讲授法、探究法、小组讨论和自主学习。学生将通过课前导学案的预习、课上的小组合作探究以及课后的实验报告编写来加强知识的理解和应用。教师需在实验开始前做好充分的教学准备，并确保学生对实验内容有预先的了解和准备。

（三）实验过程

1.情境导入

教师活动：以凉拌萝卜为例，引导学生观察并思考加盐后萝卜失水萎蔫，再放入清水后恢复坚挺的现象。提问学生这一现象背后的原因，并鼓励学生联想生活中的其他相关实例。

学生活动：学生根据已有知识，推测这是植物细胞的失水和吸水现象，并举例腌制咸菜时蔬菜的萎缩、农田植物因施肥过多而“烧苗”等生活实例。

设计意图：通过情境导入，利用生活中的常见现象激发学生的兴趣，使学生从感性认识向理性认识转变，激发学生的探究欲望。

2.实验探究

（1）提出问题

教师活动：联系生活中植物细胞吸水和失水的实例，如腌制咸菜时蔬菜的变化、给植物浇水后的饱满状态等，结合植物细胞的结构特点，引导学生提出问题。在此之前，需要回顾植物细胞的基本构造，特别是细胞壁、细胞膜、液泡等关键部分，并探讨这些结构如何与吸水和失水现象相关联。

学生活动：学生积极思考，并基于这些生活实例和细胞结构知识，提出了一系列问题。例如，有学生问：植物细胞和动物细胞在吸水和失水原理上是否相同？植物细胞为什么会吸水和失水？更有学生对细胞结构的理解提出疑问：“原生质层是否相当于一层半透膜？”

设计意图：这一环节旨在鼓励学生基于已有的知识经验，自主提出问题，培养他们的科学探究能力和批判性思维。通过引导学生从生活中的实例出发，结合植物细胞的结构特点，让他们自主构建问题，为后续的实验设计和探究奠定基础。

（2）提出假设

教师活动：组织学生进行小组讨论，探讨前面提出的问题中哪一个更具研究价值。通过引导学生讨论和分析，我们将聚焦于“原生质层是否相当于一层半透膜”这一问题。在确定研究问题后，鼓励学生根据已有知识和生活经验，做出合理的假设——原生质层相当于一层半透膜。

学生活动：学生积极参与小组讨论，思考并评估各个问题的研究价值。在教师的引导下，选定“原生质层是否相当于一层半透膜”作为本次实验探究的核心问题。随后，学生结合自己的知识和经验，大胆地做出假设：原生质层的作用类似于一层半透膜。

设计意图：这个环节旨在培养学生的科学探究能力和批判性思维。通过让学生自主选择研究问题并做出假设，可以激发他们的探究欲望，提高他们的思维活跃度。同时，在推翻或验证自己猜想的过程中，学生的批判性思维也会得到锻炼和提升。

（3）设计实验

教师活动：教师首先提出一个关键问题：“如果我们的假设是正确的，那么植物细胞分别被放入不同浓度的溶液中，可能会出现哪些情况呢？”这个问题旨在引导学生思考细胞在不同溶液浓度下的反应。接着，教师展示了几种试剂：0.3g/ml的蔗糖溶液、葡萄糖溶液、清水、硝酸钾溶液和尿素，并询问学生哪些可以作为实验试剂。教师引导学生通过演绎和推理的方法，考虑到多种可能的实验情况，设计出完善的实验方案。在讨论实验材料时，教师展示紫色洋葱鳞片叶外表皮、紫色洋葱鳞片叶内表皮、洋葱根尖和金鱼藻等材料，让学生选择最适合的实验材料并说明理由。最后，教师引导学生确定实验的观察工具和观察次数，明确实验中的自变量和因变量，以及实验中的对照组设置。

学生活动：学生积极参与讨论，根据之前的假设和所学知识，推断出细胞在不同浓度溶液中的变化。提出三种可能的情况：细胞失水、水分子进出平衡和细胞吸水。在选择实验试剂时，学生通过讨论和查阅资料，认为可以选择0.3g/ml的蔗糖溶液和清水作为实验试剂，但对于其他几种溶液的不确定性表示了疑虑。在选择实验材料时，大部分学生倾向于选择紫色洋葱鳞片叶外表皮，因为它具有紫色的大液泡，便于观察。也有部分学生认为金鱼藻也是一个不错的选择，因为它的绿色大液泡也能产生明显的实验现象。学生确定使用显微镜作为观察工具，并计划观察三次：正常细胞、失水细胞和吸水复原细胞。他们明确了实验中的自变量和因变量，并设计了合理的对照组。

设计意图：这个环节旨在培养学生的科学探究能力和创造性思维。通过引导学生自主设计实验方案，让他们深入理解科学探究的过程和方法。同时，通过讨论和选择实验试剂和材料，锻炼学生的批判性思维和归纳概括能力。最终，通过制订和完善实验方案，培养学生的创造性思维和解决问题的能力。

（4）进行实验，记录结果

教师活动：教师将学生分为两人一组，并详细讲解实验步骤和注意事项，强调实验过程中的安全规范。随后，教师要求学生以小组为单位进行探究实验，观察植物细胞在不同溶液中的反应，并在10分钟内完成临时装片的制作与观察。在实验过程中，教师进行巡视，及时解答学生在实验中遇到的问题，确保实验顺利进行。

学生活动：学生按照分组进行实验，互相协作，共同完成临时装片的制作与观察任务。他们仔细观察细胞在不同溶液中的变化，并及时记录实验数据和现象。在实验过程中，学生严格遵守实验规范，确保实验结果的准确性。实验结束后，学生整理实验数据，完成相关实验报告。

设计意图：本环节的主要目的是培养学生的实际操作能力与团队协作精神。通过组织学生进行分组实验，不仅鼓励他们相互学习和支持，还能共同解决实验中的问题，完成共同的实验任务。实验过程中，学生需亲自操作、仔细观察并记录相关数据，这样的活动有助于培养他们的科学素质和实验态度。同时，教师在实验中的巡视和指导将使学生能够及时获得必要的帮助和反馈，进一步培养他们的实验技巧和解决问题的能力。

（5）分析现象，得出结论

教师活动：在本环节中，教师将随机选取两个小组前来向全班展示其实验现象和分享实验结果。通过指导学生观察和分析实验数据，教师帮助他们验证实验假设的准确性，并协助学生一起总结实验结论。特别强调学生需要注意观察液泡的大小变化、原生质层位置的变化以及细胞液颜色的变化，通过这些观察点，学生可以更深入地理解原生质层的功能。这种教学活动不仅深化学生对实验内容的理解，也促进了批判性思维和科学分析能力的发展。

学生活动：在本环节中，学生积极参与到实验结果的分享与讨论中。通过对实验现象的仔细观察和数据记录，学生进一步分析了这些数据与原生质层功能的关联。他们观察到，在0.3g/ml的蔗糖溶液中，洋葱鳞片叶外表皮细胞和金鱼藻细胞均出现了质壁分离现象；此外，当将发生质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞移至清水中后，观察到了质壁分离的复原。这些实验观察结果有效支持了他们的假设，即原生质层具有半透膜的功能。这一活动不仅加深了学生对生物学概念的理解，也锻炼了他们的观察和分析能力。

设计意图：这个环节旨在培养学生的分析能力和批判性思维。通过分析实验现象和数据，学生不仅验证了之前的假设，还学会了如何从实验中提取关键信息，并通过归纳概括得出结论。此外，通过使用不同的实验材料进行探究，学生发现不同植物细胞发生质壁分离和质壁分离复原的时间、条件是有所区别的，这有助于培养他们的批判性思维和科学探究能力。

3.拓展应用

教师活动：在本教学环节中，教师引导学生通过探究葡萄糖溶液、硝酸钾溶液和尿素等溶质是否能诱导植物细胞的质壁分离与复原现象，学生设计实验以测定细胞液的浓度。教师在实验过程中不仅要指导学生正确观察实验现象和精确记录数据，还要鼓励学生主动分析和解释所得实验结果。通过这种教学方法，学生能够更深刻地理解细胞生理过程，同时提升他们的科学探究能力和实验设计技巧。

学生活动：学生积极参与实验，利用不同溶液进行探究，并仔细观察实验现象。他们通过预实验确定蔗糖浓度范围，再精确设计实验方案来测定花朵细胞液浓度。学生在实验中不仅锻炼了操作能力，还加深了对质壁分离原理的理解。此外，教师还可以设计多种拓展实验，例如，花卉种植。花卉在缺水时，细胞内水分减少，导致细胞失水，表现为叶片萎蔫。适时地浇水可以使植物细胞重新吸水，恢复细胞压力，使叶片重新挺拔。农作物灌溉：在盆栽中种植作物，当缺水会导致作物细胞失水，影响光合作用和营养物质的运输，减少产量。适量灌溉可以保证作物的正常生长发育，避免细胞过度失水。萝卜干制作：晾晒使萝卜失去水分，细胞因失水而收缩，而将萝卜干放入水中，又逐渐恢复坚挺。

设计意图：通过拓展实验，让学生更深刻地理解植物细胞质壁分离的原理，并培养他们的实验操作和数据分析能力。同时，通过自主探究和设计实验，逐渐提升学生的创造性思维和科学素养。

结束语

教学设计是教师教学思路的体现，也是教师教学经验、教学理念的反映。科学思维是高中学生必须培养的核心素养之一，对学生长期发展意义重大。高中生物实验教学作为培养学生科学思维的有效途径，必须重视实验教学的设计与实施，将科学思维培养融入其中，潜移默化地培养学生的科学思维。

参考文献

[1]谢丹红.浅谈高中生物教学中如何培养学生的科学思维：以“遗传因子的发现”为例[J].试题与研究，2024（2）：60-62.

[2]陈梁兴.深度学习视域下高中生物科学思维的培养策略[J].学苑教育，2024（2）：85-87.