基于科学探究的高中生物实验教学的设计与评价

引言：

生物学作为一门以实验为基础的自然科学，其核心价值在于通过科学探究揭示生命活动的本质规律。高中生物实验教学不仅是验证理论知识的工具，更是培养学生科学思维、创新能力和实践素养的关键载体。《普通高中生物学课程标准》明确将“科学探究”列为学科核心素养之一，强调通过实验设计、数据分析和结论推导，发展学生提出问题、获取信息、解决问题的能力。

一、科学探究的高中生物实验教学的设计存在的问题

（一）探究目标设定模糊化

当前部分实验设计未精准对接科学探究的核心要素，存在目标泛化倾向。例如在“探究温度对酶活性的影响”实验中，教师仅要求学生“观察不同温度下的反应速率”，却未明确提出“通过控制变量法建立温度 - 酶活性数学模型”的深层目标。这种目标模糊导致学生停留于操作层面，难以形成“提出问题—设计实验—分析数据—得出结论”的完整探究链条。实验报告常出现“温度越高，反应越快”等简单描述，缺乏对最适温度、抑制区间等本质规律的提炼，削弱了探究的深度与科学性。

（二）探究过程指导过度化

部分教师为追求实验成功率，将探究过程异化为“半开放式教学”。在“探究植物向光性”实验中，教师提前规定“用锡箔遮盖胚芽鞘尖端”的单一方法，限制学生自主设计“旋转培养皿”“单侧光间歇照射”等多样化方案。实验材料的选择也常被标准化，如统一使用“绿豆幼苗”而非鼓励学生尝试不同植物，导致探究路径高度趋同。这种过度指导使学生沦为“操作工”，抑制了批判性思维发展。课后访谈显示， 60% 学生认为“实验步骤都是老师设计好的，自己只需按部就班”，反映出探究主体性的缺失。

（三）探究评价维度单一化

现行评价体系仍以“操作规范性”为主导，忽视探究能力的多元表现。在“观察细胞有丝分裂”实验中，评分标准侧重于显微镜使用技巧、染色效果等显性指标，却未评估学生提出的“如何优化固定液浓度以减少细胞变形”等改进建议。实验报告评分也集中于数据记录准确性，对“异常数据处理”“结论合理性论证”等科学思维要素关注不足。这种评价导向使学生倾向于追求“完美操作”而非“深度思考”，导致 65% 的实验创新点集中在“改进装置外观”等表层改进，而非“优化实验原理”“拓展应用场景”等本质创新。

二、基于科学探究的高中生物实验教学的设计策略

（一）真实问题驱动，构建探究起点

以社会热点或生活现象为切入点，设计具有认知冲突的真实问题，激发学生探究动机。例如在“探究微生物发酵”实验中，教师可提出“为何家庭自制酸奶常出现口感差异”的问题，引导学生分析发酵条件与菌种活性的关联。学生通过观察不同温度下牛奶的凝固状态，提出“最适发酵温度是否因菌种而异”的假设，进而设计对照实验：选取保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，分别在 30℃、37℃、45℃条件下发酵，每日记录酸度变化与质地差异。实验中，学生发现保加利亚乳杆菌在 37℃时产酸最快，但嗜热链球菌在45℃下仍能保持活性，从而修正了“温度越高发酵越好”的片面认知。

（二）分层任务设计，支持个性化探究

根据学生认知水平设计阶梯式任务，提供“基础验证—改进优化—创新拓展”三级探究路径。例如在“观察植物细胞有丝分裂”实验中，基础任务要求学生按教材步骤完成根尖染色与制片，观察细胞周期各阶段特征；改进任务则引导学生分析“为何解离时间过长会导致细胞破碎”，通过调整解离液浓度与时间，优化实验条件；创新任务鼓励学生设计“动态追踪细胞分裂”方案，如利用荧光标记技术标记染色体，结合延时摄影记录分裂过程。某小组在创新任务中尝试用不同浓度秋水仙素处理根尖，发现低浓度可诱导染色体加倍而不抑制分裂，据此提出“秋水仙素浓度梯度对多倍体诱导效率的影响”新课题。

（三）技术工具融合，突破认知局限

引入数字化传感器、虚拟仿真平台等工具，将微观过程可视化、抽象概念数据化。例如在“探究环境因素对光合作用的影响”实验中，传统方法仅能通过观察气泡计数粗略估算产氧量，而融合溶解氧传感器后，学生可实时采集不同光照强度下的溶氧值，生成精确的光合速率曲线。通过分析曲线拐点，学生发现“光饱和点并非固定值，而是随二氧化碳浓度升高而右移”，进而设计“二氧化碳浓度与光饱和点关系”的延伸实验。在“神经冲动传导”教学中，虚拟仿真平台可模拟静息电位与动作电位的形成过程，学生通过调整细胞膜内外钠钾离子浓度，观察电位变化规律，直观理解“离子通道开闭是电位变化的基础”。技术工具的应用不仅提升实验精度，更将不可见的生命活动转化为可交互的探究对象，帮助学生突破宏观观察的局限，构建动态的生命观念。

（四）跨学科整合，拓展探究维度

结合物理、化学、数学等学科知识，设计综合性探究任务。例如在“设计校园雨水净化系统”项目中，学生需运用生物学知识筛选高效净化微生物（如硝化细菌），结合化学原理分析污染物降解路径（如氨氮转化为硝酸盐），利用工程学设计多层过滤装置（如砂石层、活性炭层、植物根系层），并通过数学建模预测不同降雨量下的净化效率。某小组在项目中发现，单纯增加植物种类未必提升净化效果，反而可能因根系竞争降低微生物活性，于是提出“功能微生物与植物协同净化”的优化方案。跨学科整合使学生认识到生物学问题往往需要多维度解决方案，培养其系统思维与知识迁移能力。

结语：

随着人工智能、合成生物学等前沿技术的发展，生物学探究的边界将持续扩展。高中生物实验教学需进一步强化“真实情境—问题驱动—技术赋能—跨学科整合”的设计理念，为学生提供更多接触前沿科技、参与真实研究的机会。例如，通过与高校或科研机构合作开展“公民科学项目”，让学生参与“城市鸟类迁徙监测”“微生物组测序分析”等真实研究，在解决实际问题的过程中体验科学研究的完整流程，感受生物学对人类福祉的价值。

参考文献：

[1]赵建新.高中生物实验教学培养学生科学探究素养的研究[J].甘肃教育研究 ，2024，（11）：56- 58.

[2] 陈金焕 ， 钱丽娜 . 基于科学探究思维培养的高中生物实验教学途径 [J]. 中国新通信 ，2020，22（21）：207- 208.