《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确指出：各地各校需创新实验教学方式，丰富实施形式，推动任务型、问题式、项目式学习，加强多学科融合，促进传统实验与现代科技有机融合
［1］。
实验教学是国家课程方案中的重要内容。其创新是教育改革的核心环节，关乎教育质量提升、学生核心素养培养及国家创新能力建设。高中生物学实验教学创新应回归学习本真，引导学生在深度参与科学探究与实践的过程中，在扎实掌握学科知识的基础上，发展支撑终身学习与未来发展的核心素养
［2］。为说明问题，笔者结合实验教学实例阐述4种行之有效的创新策略。
1 基于境脉学习理论：在真实问题中深度探究
境脉学习理论强调将学习内容、活动与学习者置于丰富的、有意义的境脉中。在真实境脉中，知识获得意义，理解得以深化，应用能力得以培养
［3］。实验教学本身具有动手操作、感官体验、身体参与的高度具身性优势。不可否认，基于境脉学习理论的实验教学设计能将实验置于真实的科学探究或工程问题解决场景中，并极大地强化了这一优势。
例如，设计实验课“探究不同环境因素对光合作用的影响”，以“盐碱地植物光合受限”这一现实生态问题为核心境脉，设置3个子任务，如
表1所示。
以“盐碱化”这个生态问题为境脉，将抽象的光合作用原理锚定在真实的农业环境中，赋予实验学习直接的社会意义和现实感。观察到气孔关闭，学生自然会联想到光合速率下降，叶绿素含量的数据又能区分是气孔限制还是非气孔限制，知识不再孤立，而是嵌入解决问题的完整链条中。教学不仅传授知识与技能，更帮助学生搭建起将宏观问题（盐胁迫如何影响光合作用）拆解为可操作的子问题（气孔、光合速率、色素含量）的思维框架。
基于境脉学习理论进行教学设计，改变了传统实验教学“为做实验而做实验”的观念，将“在课本里做实验”变为“在世界上解难题”。新理念推动教学突破教材既定实验内容，通过核心情境对知识进行有机解构与重组，使教学内容从孤立知识点转化为具有内在逻辑的“知识模块”，并进一步促使教师从“知识权威”转变为“情境设计者与探究引导者”，学生从“被动操作者”转变为“主动探究者”，学习方式由“验证模仿”向“身份代入式探究”转变。
2 基于学习进阶理论：建构认知阶梯
学习进阶是国际科学教育领域的一个重要理论框架，该理论强调学生围绕核心概念开展连贯且递进式的学习，从而实现概念的螺旋深化
［4］。教师据此设计教学，能在把握学生现有思维水平的基础上，搭建通向深度理解的阶梯。
例如，在“观察植物细胞的质壁分离和复原”一课中，教材安排的任务仅要求学生观察洋葱鳞片叶表皮细胞的质壁分离和复原现象，属于单一观察任务，缺乏开放性与探究性。在开展实验教学创新时，可对这节课进行深度改进，依据学习进阶理论设计五级递进任务链，依次为：观察洋葱鳞片叶表皮细胞的质壁分离和复原，检测洋葱鳞片叶表皮细胞的细胞液浓度，探究影响质壁分离能否复原的因素，探讨烧苗的根本原因及补救措施，讨论培育耐盐碱植物的策略。5个任务始终围绕核心概念“渗透作用”展开教学，并逐级深化对概念的理解：从现象观察（理论基础）、定量分析（细胞液浓度测定）、规律探究（影响因素分析）、问题解决（烧苗原因与补救）到创新应用（耐盐碱植物培育），形成螺旋上升的认知路径。在此过程中，学生的认知水平从具象认知、初步抽象、因果推理、问题解决到创新应用，认知深度逐级跃迁。5个任务将知识学习（渗透原理）、技能训练（显微镜操作、浓度测定）与能力培养（实验设计、问题解决）有效整合到连贯的任务中，实现了多维度能力的同步发展。
在教学设计时，3个重要进阶节点的设计具有关键作用。
节点一：从现象到本质的进阶，旨在破解学生易停留于现象观察、难以建立浓度与渗透作用定量关系的难点。在任务二“检测细胞液浓度”中，应引导学生思考“何种浓度引发质壁分离、何种浓度导致不可逆损伤”，通过设置浓度梯度实验获取数据，使抽象概念具体化。
节点二：从实验室到现实的进阶，旨在解决知识难以迁移至复杂现实情境（如土壤溶液动态变化）的问题。在任务四“烧苗原因分析”中，通过设置短期高盐可恢复与长期高盐不可逆的对比情境，引导学生思考“为何实验室常用蔗糖而农田面临盐胁迫”，并进一步引出“离子毒性”这一拓展概念，深化对“不可逆损伤”的理解，实现概念的深度迁移。
节点三：从问题解决到主动创造的进阶，是从应用已知知识解决既定问题，到创造性地应对未知挑战的高阶能力跃升。在任务五“耐盐碱植物培育”中，应为学生提供多级支架，基于学情诊断，为不同水平学生提供差异化学习资源，引导其分别完成基础策略（基于临界浓度的认知筛选现有耐盐品种）与进阶策略（运用基因工程改造细胞）。
学习进阶理论的应用弥补了传统实验教学任务“零散、扁平化”的不足，推动了教学目标的创新，使其不局限于单一技能或结论，而是致力于帮助学生建立完整的知识体系，实现认知与能力的螺旋上升。教学目标革新推动教学内容由单一观察类任务转变为递进式任务链。而递进式任务链使学生无法停留于表面现象，必须沿着教师设置的阶梯逐步深入。这一过程推动着学习方式从“碎片化记忆”向“结构化建构”的转变。
3 基于“教、学、评”一体化：以评价驱动学习闭环
“教、学、评”一体化倡导在教学过程中融入评价，使教学目标、学习活动与评价反馈相互促进。这有助于教师精准把握学情，进而动态调整教学。学生则通过多元评价（如师生互评、生生互评）获取全方位、多维度的反馈信息，从而深化认知，实现持续改进。
例如，在“制作DNA双螺旋结构模型”一课中，教师可将制作DNA结构模型的任务分解为3个小任务，分别是制作4种脱氧核苷酸单体模型、连接单链、建构DNA的双螺旋结构模型。在每个小任务完成时，可组织学生展开生生互评及师生互评，待评价完成后立即修正模型。
为了在课堂上有效引导评价活动，教师需在课前深入剖析每个任务对应的核心知识，制定评价要点（
表2），甚至在此基础上制作精确且包含分级评分标准的科学量表。例如，针对“模型是否整洁、牢固？”这一要点，教师可在每个维度上制定不同表现水平的具体标准，即细化为：优秀（模型极其整洁，无多余黏合剂，所有连接处牢固，能长期保持形态）、良好（模型较为整洁，连接处基本牢固）、合格（模型有部分不整洁之处，个别连接点稍松，但整体结构完整）、需改进（模型粗糙，连接不牢固，容易散架）。
以上案例将阶段性评价嵌入教学关键节点，在评价完成后及时将结果转化为学习行动，促使学生修正模型、优化方案，在实践中消化反馈、纠正错误，形成“学习—实践—评价—反馈—修正—再学习”的完整闭环，确保学习目标层层落实。在这一过程中，学生评价他人作品本身也成为深度学习的重要环节：他们需在头脑中建构评价标准，并据此进行逻辑、客观且具有建设性的评判，从而深化对核心概念的理解与反思，实现“以评促学”。教师通过观察模型制作过程与互评表现，能够及时发现普遍存在的误区和个体差异，如对“磷酸二酯键”连接方式理解不清等问题，进而调整教学重点或提供个性化指导，实现“以评促教”。要知道，学生不仅是学习者，更是评价者与改进者，深度参与学习全过程，可增强责任感与主动性。评价由此成为学习的“导航仪”和“加油站”，有效推动学习持续深入。
在实验教学过程中嵌入评价，突破了传统实验教学依赖实验报告与考试的终结性评价模式，使评价演变为贯穿教学全过程、促进学与教的反馈机制。这一转变推动了教学方法从“讲授—演示”走向“基于评价的迭代优化”，教学内容从“知识记忆”转向“依据标准进行评价”，学习方式则从“被动接受”迈向“主动反思”，实现了教、学、评的深度融合与相互促进。
4 基于跨学科融合理念：赋能实验现代化
跨学科融合能打破学科壁垒，将信息技术、数学建模、工程设计与生物学实验深度融合，显著提升实验教学的科学性与创新性，推动实验教学从定性描述迈向定量分析，从简单模拟升级为智能设计。
4.1 数字化工具驱动定性实验向定量实验升级
借助电子设备与互联网，许多传统定性实验得以升级为精确的定量探究，显著提升了数据的严谨性与分析的科学性。例如，在模拟生物体pH稳态调节的实验中，可利用pH传感器实时、自动采集数据，并借助数字化工具自动生成pH变化图像，快速整合多组实验数据，既提升了实验效率，又保证了结果的客观性、精确性与可重复性。
4.2 建构数学模型，深化规律认知
数学工具的深度融入使学生能够通过建模直观理解复杂的生物学过程，从而提升逻辑思维与量化分析能力。例如，在“探究自然选择对种群基因频率变化的影响”“性状分离比的模拟实验”等实践活动中，学生利用Excel等电子表格软件实时录入实验数据。软件强大的计算与图表功能可即时完成数据计算（如基因频率）并自动生成数据曲线模型（如基因频率变化曲线、性状分离比图）。学生通过观察模型曲线的动态变化趋势，能够更深刻地理解孟德尔遗传定律、哈迪-温伯格平衡等生物学规律，并据此对理论预期进行更可靠的验证。
4.3 利用AIoT技术拓展实验边界与激发创造力
人工智能（AI）与物联网（IoT）技术的引入，推动着实验教学向智能化、系统化、项目化方向飞跃。例如，在探究多环境因素（温度、光质/光强，CO₂浓度、湿度）对光合作用综合影响的实验中，学生运用跨学科通用技术知识，参与设计并制作“AI智能培养箱”，并通过编程统筹管理各类传感器数据采集与执行器（如加热器、LED灯、加湿器、气泵）的智能控制，搭建起环境参数可精准调控的智能实验室。这一过程不仅深化了学生对光合作用理论的理解，更重要的是在教学中实现了生物学知识、工程技术、编程能力的有机整合。通过进一步鼓励学生参与“智能家庭菜园”或“智能农业大棚”的设计，将课堂所学应用于真实或高度仿真的现代化农业生产场景。这种基于真实问题的项目化学习，不仅能有效激发学生的创造力与想象力，更有助于促进其创新思维与系统化工程思维的发展。
跨学科融合打破了传统实验教学局限于生物学科的狭隘观念，并推动教学手段、目标与内容发生系列变革。在教学手段上，引入传感器、物联网等现代技术，增强了实验的科学内涵与时代性；在教学目标上，从单纯掌握生物学知识提升为跨学科核心素养的培育；在教学内容上，实现生物与信息技术、数学等多学科深度融合，形成综合性学习内容。跨学科融合促使学生的学习由单一实验操作转向基于项目的综合实践，实现了从“做实验”到“做项目”的跨越。
5 结语
高中生物实验教学的创新，其核心绝非追求形式之“新”，而应紧紧围绕教学重难点，以核心概念为基础，通过精心设计的情境、问题链、互动模式与技术手段，有效引导学生超越表象，主动探究生命现象的本质，实现从碎片化知识向结构化概念网络的重构，进而帮助学生构建学科核心概念体系，形成科学而深刻的生命观念，为发展核心素养提供坚实支撑。
京公网安备11010202008535号
PDF
(422KB)
