摘要：
高中生物学实验教学是培养学生生物学科核心素养的主要阵地，本文从实验材料、实验装置、实验变量、实验目的和任务难度5个角度说明如何在实验探究教学中实现进阶，以引导学生进行科学探究，建立理性思维，落实核心素养的培养。
正文：
中学生物学科核心素养中的理性思维即崇尚并形成科学思维的习惯，能够运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法探讨生命现象及规律。理性思维强调有明确的思维方向、有充分的事实或理论依据、有推理和论证的过程。生物学是一门以实验为基础的学科，科学实验的开展可以帮助学生理解科学概念，认识科学本质，形成科学思维。可见，实验教学是培养学生理性思维的有效途径。
真实的实验教学需要创造有价值的问题情境，结合学生已有的知识和技能，自主思考，合作探究，推理论证，真正像科学家一样研究和探索新知。然而，该过程的实现不是一蹴而就的，教师在实验教学中，需要根据学生原有的认知结构，针对某一研究主题，依次进阶，螺旋上升，使教学循序渐进，逐级深化。本文从5个角度说明在高中生物学实验教学中如何进阶。
1 利用实验材料进阶
实验材料是实验探究的基础，理想的实验材料不是特定的，只要符合材料易得、便于操作、效果显著、经济节省等特点即可。利用多样的实验材料进阶，不仅可以增强启发性，摆脱教材的局限，还可以激发学生的兴趣，自主深入探究，从而大大提高探究的效率。
以“观察植物细胞的质壁分离及复原”实验为例，教材选取的实验材料为洋葱鳞片叶外表皮细胞，原因是该细胞具有紫色的大液泡，有利于实验现象的观察。此外，教师依次给学生提供红色花瓣、黑藻叶片、洋葱鳞片叶内表皮细胞，让学生探究这3种实验材料的可行性。首先，学生很容易发现红色花瓣与洋葱鳞片叶外表皮细胞的相似点，液泡都是有颜色的。其次，在探究黑藻叶片时，学生需要抛开液泡的思路，锁定黑藻叶片的叶绿体，由于叶绿体的存在，原生质层是有颜色的，同样利于观察。最后，在探究洋葱鳞片叶内表皮细胞时，因为其液泡和原生质层都是无色的，所以探究重点应转移到如何清晰地观察无色植物细胞的质壁分离及复原现象。学生积极讨论，再结合教师的指导，总结出： 调暗显微镜视野，或者改用红墨水等其他有颜色的试剂，可以清晰地观察实验现象。利用这4种实验材料进阶，加强了学生对实验的理解，拓展了学生的思维。
2 利用实验装置进阶
实验装置是实验探究的保障。组装实验装置的依据源于对自变量和因变量的分析，最重要的是严格控制无关变量，遵守单一变量原则。为了增强实验结果的说服力，实验装置可以从简易到严密，不断被优化。利用实验装置进阶，训练学生对实验变量的分析和处理能力，让学生认识到实验的科学性和严谨性。
以“探究酵母菌的呼吸方式”实验为例，该实验的自变量是氧气的有无，因变量是二氧化碳的产生量和酒精的有无。据此，教师提供第一组实验用具和试剂(图1)，引导学生画出相应的实验装置图(图2)，并分析因变量的检测方法。学生根据实验装置图推测可以通过观察气泡的多少和是否闻到酒味来检测因变量。
接着，教师提供第二组实验用具和试剂(图3)，引导学生画出相应的实验装置图(图4)，并分析因变量的检测方法。学生结合教材中的信息，得出相同时间内澄清石灰水的浑浊程度可以判断CO2的产生量。将酵母菌培养液滴入吸管(酒精的检测)。
最后，教师提出问题： 第二组实验装置有没有不完善的地方？学生经过讨论，画出改进后的实验装置(图5)，并做出解释： 增加一个含有澄清石灰水的锥形瓶，可以确保空气中的CO2被全部吸收，避免空气中的CO2对结果的影响。滴加石蜡油，可以使酵母菌培养液完全隔绝空气，创造无氧环境。利用这3组实验装置进阶，学生深刻地体会到科学严密的实验装置对实验的重要性。
3 利用实验变量进阶
变量分析是实验探究的关键，对于一个实验而言，自变量单一，但不唯一，随着自变量的变化而变化的量是因变量，因变量也会因材料、试剂、装置的不同而不同。利用实验变量进阶，让学生学会灵活地确定变量，进而开拓实验探究的思路。
以“探究酶的专一性”实验为例，教师提供淀粉溶液、蔗糖溶液、淀粉酶溶液、蔗糖酶溶液、碘液、斐林试剂等，供学生自由选择，设计实验方案。学生会从熟悉的淀粉、淀粉酶、碘液入手，再加上蔗糖酶，设计方案： 在两个相同的试管中加入等量的淀粉溶液，然后分别滴加等量的淀粉酶和蔗糖酶溶液，在37℃下保温后，再向两个试管中滴加等量的碘液，观察颜色变化。在此基础上，有些学生利用蔗糖、蔗糖酶、淀粉酶、斐林试剂设计了相似的实验。此时，教师提示： 自变量只能是酶的种类吗？底物的种类也能作为自变量。于是，学生利用淀粉、蔗糖、淀粉酶(或蔗糖酶)、斐林试剂再次设计实验。在该实验中，利用自变量进阶，有助于学生厘清思路，经过充分思考，有条理地设计多种实验方案。
4 利用实验目的进阶
实验目的是实验探究的核心，实验变量的确定、实验步骤的设计都是围绕实验目的进行的。利用实验目的进阶，对教材基础实验进行拓展和延伸，打破教材对学生思维的禁锢，还学生创新的空间，培养学生的知识迁移能力和实际应用能力。
以“观察植物细胞的质壁分离及复原”实验为例，该实验目的是观察植物细胞的质壁分离及复原的实验现象。若把实验目的改为“判断成熟植物细胞是否有生物活性”，如何改进实验？学生会想到，将待测的成熟植物细胞浸润在一定浓度的蔗糖溶液中，在显微镜下观察是否会发生质壁分离。若发生质壁分离，则说明有生物活性，若不发生质壁分离，则说明无生物活性。若继续把实验目的改为“测定成熟植物细胞的细胞液浓度范围”，如何改进实验？学生经过一定的分析后会想到，将待测的成熟植物细胞浸润在一系列浓度梯度的蔗糖溶液中，在显微镜下观察，细胞液浓度就介于未发生质壁分离和刚发生质壁分离的蔗糖溶液浓度之间。若再把实验目的改为“比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度”，如何改进实验？学生类比刚才的实验思路，把不同的成熟植物细胞浸润在同一浓度的蔗糖溶液，在显微镜下观察。发生质壁分离所需的时间越短，细胞液浓度越小；反之，则细胞液浓度越大。利用这4种不同的实验目的进阶，由易到难，由浅入深，引导学生挖掘实验的内涵，剖析实验的原理，培养学生的创造性思维。
5 利用任务难度进阶
实验教学的最终目标是实现高阶理性思维。设计实验任务难度进阶，为学生的独立思考、讨论探究搭建平台，给学生更多的机会对实验问题进行分析、归纳、推理、判断、质疑以及创新等，逐步发展学生的高阶思维。
以酶的相关实验为例，教师先布置简单的任务： 写出“探究唾液淀粉酶的最适pH”的实验思路。学生小组讨论，尝试写出实验思路，教师点评和修改后，呈现完整的实验思路： 在一定范围内，设置一系列梯度pH，其他条件相同且适宜，分别测定酶活性，若测得数据出现峰值，则其对应的pH即为最适pH。在教师的指导下，学生总结实验思路的要点： 自变量的设置，因变量的检测和无关变量的控制。接着，教师布置稍复杂的任务： 写出“探究温度对唾液淀粉酶活性的影响”的实验步骤。师生共同探讨，逐渐完善： ①取6支大小相同的试管，分别编号A1、A2、B1、B2、C1、C2；②在A1、B1、C1试管中分别加入2mL淀粉溶液，在A2、B2、C2试管中分别加入1mL唾液淀粉酶溶液，将A组、B组、C组试管分别置于0℃、37℃、100℃水浴锅中进行保温；③一段时间后，将每组的唾液淀粉酶溶液倒入相应的淀粉溶液中，反应一段时间后，每组分别滴加等量的碘液，观察并记录每组的颜色变化。据此，师生总结实验步骤的模板： ①取材、分组、编号；②分组施加实验变量，注意控制无关变量；③一段时间后，观察并记录因变量的检测指标。当学生能熟练书写实验思路和实验步骤之后，教师加大任务难度，让学生评价实验方案： 若除酶外所有试剂均已预保温，则在测定酶活力的试验中，下列操作顺序合理的是： A.加入酶→加入底物→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量B.加入底物→加入酶→计时→加入缓冲液→保温→一段时间后检测产物的量C.加入缓冲液→加入底物→加入酶→保温并计时→一段时间后检测产物的量D.加入底物→计时→加入酶→加入缓冲液→保温并计时→一段时间后检测产物的量。学生综合比较4个选项，选择答案C。实验评价的难度系数很高，要求学生具备一定的逻辑思维、批判性思维和分析推理能力。实验思路和实验步骤的设计训练了学生的逻辑思维、分析推理能力以及归纳概括的能力，由此进阶到批判性思维的训练，顺理成章。
实验材料的选择、实验装置的设计、实验变量的确定、实验目的的分析以及实验思路和实验步骤的探索，都是一种严谨的思维活动。开展进阶的实验教学，学生的分析能力、推理能力、归纳与概括能力、逻辑思维、创造性思维、批判性思维都能在潜移默化中得到提高。
(基金项目：河北省教育科学研究“十三五”规划2016年度重点资助课题，No.1602055；*通信作者)
