高中生物学教材中探究实践活动的内容分析_韩菲.pdf

2023 年 7 月 20 日投稿网址：*该文为安徽省哲学社会科学规划项目“中小学理科教师科学探究教学能力水平及影响因素的实证研究”（AHSKQ2019D029）的研究成果科学探究是科学教学的重要组成部分，教材是教师在课堂上实现学科核心素养的重要资源。以人教版高中生物学必修模块 分子与细胞 和 遗传与进化 的探究实践活动为研究对象，采用 Herron s Scale 对其开放等级进行比较分析，并采用 ITAI 量表对其教育功能完善程度进行总结，发现教材中探究实践活动的 ITAI 所涉及子维度越多，其活动开放程度也越高；教材较为注重观察、推论和解释数据等技能，但较为忽视预测、提出问题等技能的训练；所涉教材内容在协助学生理解科学探究方面也较不均衡。建议教师使用教材进行探究式教学时，应依据能力梯度设置开放等级；灵活结合科学思维栏目，均衡发展不同类型探究技能；融合科学史教学，全方位理解科学探究。高中生物学教材 探究实践活动 科学探究 内容分析 ITAI 量表韩菲，王佳虹，鲁亚平.高中生物学教材中探究实践活动的内容分析J.教学与管理，2023（21）：29-34.摘要关 键 词引用格式普通高中生物学课程标准（2017 年版 2020 年修订）（以下简称“课标”）以核心素养为宗旨，其中科学探究是重要组成部分。实施意见中强调“组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键”1。如何让真正的科学探究落地，教材的作用至关重要。课标明确指出“教材编写是在课程标准基础上的一次再创造，必须充分体现课程标准的基本思想，准确把握课程标准的内容要求”。在科学探究方面，课标在内容的选择中强调“应重视科学探究活动的设计科学探究活动的设计和安排应当以探究能力的培养为重要线索，应当在设计教材知识体系的同时，设计较完整的探究能力体系，将两者整合，使之形成有机的整体”2。大多数科学教师都是根据教材内容设计课程，它们代表了科学课程的学习目标和轨迹。因此，教材作为落实课程文件指导思想的载体，是课程文件在操作层面更加细化的呈现3，对课程内容和教学方法有着重要影响。近年来，国内外关于科学教材探究活动的研究十分丰富。Dogan 对土耳其 9-12 年级的 4 本生物学教材进行分析，发现教材中的活动大多与国家课程要求相一致，但其设计不足以让学生做好探究或理解什么是科学探究的准备4；CoelhodaSilva 对 8 本葡萄牙八年级物理、化学科书中的 22 项实验活动的性质和开放性进行了内容分析，证实探究能力的发展不是活动的主要目标，重点主要集中在实体知识的构建5；Upahi 研究科学本质在 3 本尼日利亚化学教材中的表达方式，发现科学本质各维度分布不均，科学的跨学科性质完全被忽视，内容关系更多是嵌入性6；李西营等人针对 5 个版本的八年级初中物理教材中的科学探究活动，分析其是否能够满足中国新课程改革的要求，发现无论是认知过程的开放性程度还是可操作性，都不能满足真实科学探究的要求，不利于学生科学探究技能和科学推理技能的发展7；杨文源等人对 3 个版本共 9 本高中生物学教材从对科学概念的表达、科学探究技能的发展和对科学探究本身的理解三个方面进行分析，指出生物学教材中的探究性活动可能未能达到教育目标，导致教学效果不佳，值得教材编写者密切关注8。综上，分析教材中探究性活动包含“科学探究”和“教材”两个方面的内涵，根据分析侧重点的差异可以将已有的研究划分为三个角度，大部分的研究从“科学探究”的角度分析问题。从教材的角度来看，教材中高中生物学教材中探究实践活动的内容分析*韩 菲1王佳虹1，2鲁亚平1（1.安徽师范大学生物教育研究中心，安徽芜湖，241000；2.安徽省南陵中学，安徽芜湖，242400）29科学探究活动的分析还包含了关于引导学生建立对科学探究理解的评价，以及主题与课程标准一致性的评价，能够为教材中探究活动内容分析提供更充实可靠的证据9。本研究选取人民教育出版社（2019 年版）高中生物学教材必修模块 分子与细胞 与 遗传与进化中的探究实践活动进行文本分析，判断其中的探究实践活动是否有利于探究教育教学目标的实现，并为教师深层次理解教学内容并有效开展探究性教学提供帮助。一、高中生物学教材中探究实践活动内容的分析方法人教版普通高中生物学教材在全国范围内使用面最广。教材中的科学探究活动有两种呈现方式，一种以“思考 讨论”的形式呈现，要求学生分析、讨论、交流和寻求答案。另一种是以学生操作为主的探究活动，主要以“探究 实践”的形式呈现10。本研究选取第二种形式的科学探究活动，以必修模块教材中“探究 实践”栏目的 20 个活动为研究对象，为方便描述对其进行简单编码，例如 101 代表必修 1中第一个活动，203 代表必修 2 中第三个活动。1.探究实践活动开放水平的分析方法1971 年，Marshall D.Herron 在前人研究的基础上开发出一个四点量表来判断科学探究活动的开放程度，这一量表成为后来探究活动水平划分的起源性框架11，12。它针对探究活动的问题、过程和讨论三个部分进行评分，如果该部分由教师直接提供，则计分 0；学生自主构建，则计分 1，根据探究活动整体得分可将其分为 4 个等级，详细划分标准见表 1。探究水平的等级越高，则探究活动的开放程度越高。其中，水平 0 为验证性实验，是指探究活动过程从问题的提出到结果分析全部以教师为主体，学生只需观察、理解、记忆即可，如 101 使用高倍显微镜观察几种细胞；水平 1 为结构化探究，是指学生通过既定的过程完成探究活动，并进行处理数据、得出结论，其他环节仍以教师为主体，如 102 检测生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质；水平 2 为指导性探究，是指学生自主设计或选择研究过程，并独立完成数据处理和结果分析，如 104 尝试制作真核细胞的三维结构模型；水平 3 为开放性探究，是指学生从生活中的生物现象出发，结合科学概念，提出探究问题，并自主设计或选择过程设计、最终得出探究结论，如 108 影响酶活性的条件。表 1 探究实践活动开放等级标准2.探究实践活动教学内容的分析方法The Inquiry-based TasksAnalysis Inventory（简称 ITAI）是由杨文源等人开发的内容分析工具，用来判断教材中探究性活动文本内容的呈现是否有利于探究性教学的教学目标实现。量表包含三个维度，各个维度均有特定的题目进行子维度评估，共 22题，对应关系如下：1-2：通过探究来帮助学生发展对科学概念的理解；3-14：教给学生进行科学探究所需的探究过程技能；15-22：引导学生建立对科学探究的理解13。为了增强结果的客观性，所有的项目都设置成“是”或“不是”的回答，“是”则计分“1”，“否”则计分“0”，并制定了评分规则来证明不同的回答。例如，如果不去猜测教师会怎样组织和引导学生开展这个活动，仅从探究活动的文本编写上看，该探究活动需要学生观察则给“是”，不需要则给“否”。活动 101 需要学生使用高倍显微镜观察并比较几种细胞，则该题给“是”，计分“1”。越高的分数表明在这个探究实践活动中包含了更多的真实探究的元素，为学生提供了更大的挑战。二、高中生物学教材中探究实践活动内容的分析结果1.探究实践活动内容的整体分析人教版高中生物学教科书（2019 年版）必修部分科学探究活动共有 20 个，其中必修 1 含 12 个，必修 2 含 8 个（见表 2）。在呈现方式方面，探究实践活动绝大部分以文字结合实物图、表格、实验流程图等形式呈现。实物图能够更加客观地表现事物的特征，也能加深学生对于科学是存在于真实情境的这一观点的理解；活动 105、107、112 和 207 中含有表格，主要有两个作用：清晰表达实验流程和引导学生记录数据；活动 106、109、110 和 201 中含有示意图，主要作用为展示研究过程。在活动类型方面，必修 1 探究实践活动 50%以上为验证类实验，内容大多需要利用显微镜进行微观层次的观察，其次是探究类和模拟类；相比而言必修 2 探究实践活动类型较为丰富，四种活动类型均等级水平 0验证性实验水平 1结构化探究水平 2指导性探究水平 3开放性探究可检验的问题教师教师教师学生过程设计教师学生学生学生结果分析教师学生学生学生韩菲王佳虹鲁亚平：高中生物学教材中探究实践活动的内容分析30有涉及。两者都未涉及设计类活动。2.探究实践活动内容的开放水平分析在探究水平方面，20%的探究实践活动的开放水平为 0；50%的探究实践活动的开放水平为 1；其余含有少数的水平 2 和水平 3，整体开放水平不高。开放的环节侧重有所不同，较为注重解释数据和结果讨论，而忽视研究问题的提出和过程的设计，活动大多为“食谱式”操作（如图 1）。如在必修 1 中，活动111 开放性等级为 1，虽要求学生根据影响光合作用强度的诸多因素进行自主探究，但教材中提供的参考案例详实，本质上没有较多可独立探究的空间；活动 109 开放性等级为 3，要求学生根据日常生活经验和酵母菌细胞呼吸的方式提出探究问题并作出假设，活动虽给出实验试剂、装置的参考资料，但保留一定空间让学生自主设计，并依据实验结果得出结论。3.探究实践活动内容的 ITAI 分析在 ITAI 方面，大多数探究实践活动包含不超过50%的科学探究子维度，得分主要集中在 12 分以下。整套评分工具总分 22 分，换算成百分制则低于54.5%（见表 3、表 4）。从纵向来看，得分最高的探究活动为 108、109 和 208，包含 50.00%的科学探究子维度。活动 107 和 108 为定性实验，两者均要求根据相关背景知识独立思考提出可探究的问题，并根据提出的问题作出假设、设计实验。教科书虽提供实验材料和设计提示，但仍留有自主设计空间，最后需要学生进行交流讨论、比较实验结果、运用科学的语言得出结论。得分最低的为 103、111 和 205，包含22.7%的科学探究子维度，如 103 活动要求学生使用高倍显微镜观察叶绿体和胞质流动，205 活动要求学生通过学习低温处理植物的分生组织细胞的方法，理解其作用机制。两者教材均给出了详细的方法步骤，且讨论部分与观察结果未有较大联系，主要与教材中的知识概念总结和延伸有关，属于简单观察的结构化实验。对于探究实践活动来讲，得分率越高，其涵盖的科学探究的要素就越多，对学生的挑战也就越大，教材中的探究实践活动应当能够均衡地体现探究活动的功能，而不能所有探究实践活动都偏重于科学探究的某几个方面。因此，本研究统计了所有探究实践活动在评价工具每一个题目上的得分率，并作成折线图（如图 2），以期直观地反映人教版高中生物学必修模块中的探究实践活动是否能较为均衡地覆盖科学探究的不同方面。必修模块所有探究实践活动都能帮助学生理解相应的生物学概念，且能够帮助学生构建课标中要求的核心概念和重要概念。例如活动 104 通过制作真核细胞的三维结构模型，使学生在构建模型中掌握“细胞各部分结构既分工又合作，共同执行细胞的各项生命活动”的重要概念。图 2 探究实践活动得分率分布图100.00%90.00%80.00%60.00%70.00%50.00%40.00%30.00%20.00%10.00%0.00%12534678910111213 14151617181920 2122题目编号必修 1必修 2探究活动呈现方式活动类型文字表格实物图示意图验证类探究类模拟类调查类设计类101 使用高倍显微镜观察几种细胞*102 检测生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质*103 用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动*104 尝试制作真核细胞的三维结构模型*105 探究植物细胞的失水与吸水*106 比较过氧化氢酶在不同条件下的分解*107 淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用*108 影响酶活性的条件*109 探究酵母菌细胞呼吸的方式*110 绿叶中色素的提取和分离*111 探究环境因素对光合作用的影响*112 观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂*201 性状分离比的模拟实验*202 观察蝗虫精母细胞减数分裂装片*203 建立减数分裂中染色体变化的模型*204 制作 DNA双螺旋结构模型*205 低温诱导植物细胞染色体数目的变化*206 调查人群中的传染病*207 探究自然选择对种群基因频率变化的影响*208 探究抗生素对细菌的选择作用*表 2 探究实践活动内容的整体分析韩菲王佳虹鲁亚平：高中生物学教材中探究实践活动的内容分析25.00%水平 041.67%水平 116.67%水平 216.66%水平 325.00%水平 062.50%水平 112.50%水平 2总计=12总计=8图 1 探究实践活动开放等级分布（左图：必修 1；右图：必修 2）31子维度活动编码1011021031041051061071081091101111123.观察*4.推论*5.测量*6.交流*7.分类*10.操作性设计*11.作出假设*12.解释数据*13.提出问题*14.构建模型15.科学探究都是从研究问题开始的，但不一定都需要有假设16.科学研究并没有一套固定的步骤和方法*17.探究过程设计取决于问题*18.不同科学家按相同过程研究同一个问题，不一定会有相同结果*19.探究过程会影响到探究结果*20.结论必须与所收集的数据一致*21.科学数据并不等同于科学证据*22.对问题的解释需要结合所收集的数据和已有的认识或研究成果*8.预测9.控制变量*2.核心概念*1.课程目标*表 3 必修 1 探究实践活动 ITAI 分析协助学生发展探究技能方面的得分率较不均衡。有些探究技能涉及的比例较高，如第 12 题对应的“解释数据”，活动 105 探究植物细胞的吸水和失水，要求学生将实验数据结果记录在表格中，并通过解释数据，得出植物细胞发生质壁分离的原因。有些探究技能涉及的比例较低，甚至完全没有涉及，如第 5 题对应的“测量”，活动 104 在制作模型时需测量模型大小，以及真核细胞与各细胞器间的比例，满足科学性的要求；活动 208 需要测量和记录每个实验组中抑菌圈的直径，以探究抗生素对细菌的选择作用。除这两个活动外，其他均未强调与实验变量相关的测量操作，侧面说明大部分的探究实践活动都属于定性实验，未涉及定量；第 8 题对应的“预测”，其需要运用较高难度的科学推理技能，仅有活动 207 在特定问题情境下计算种群基因和基因型频率后，需要学生根据结果预测种群生存的现状；第13 题对应的“提出问题”，除活动 108、109 需要学生根据所学知识提出探究问题外，大部分活动没有给予学生提出问题的机会，或者提供活动的目的要求，不是真实需要探究的问题。协助学生理解科学探究方面的得分率也不均衡，这些探究实践活动在第 16 和 20 题对应的科学探究本质方面的体现都较强，大多数活动都不是按照经典的探究模式“提出问题-作出假设-制定计划-得出结论-讨论交流”来编写的，且在问题设置上要求引导学生根据数据得出实验结论，如活动106 在结论处强调“通过对实验结果的分析和讨论，你对酶的作用形成了哪些认识”。但是，两本书的探究实践活动在第 15、17、18 和 19 题对应的科学探究本质方面体现较弱，说明绝大部分探究活动的过程子维度2012022032042052062072083.观察*4.推论*5.测量*6.交流*7.分类*10.操作性设计*11.作出假设*12.解释数据*13.提出问题14.构建模型*15.科学探究都是从研究问题开始的，但不一定都需要有假设16.科学研究并没有一套固定的步骤和方法*17.探究过程设计取决于问题*18.不同科学家按相同过程研究同一个问题，不一定会有相同结果*19.探究过程会影响到探究结果*20.结论必须与所收集的数据一致*21.科学数据并不等同于科学证据*22.对问题的解释需要结合所收集的数据和已有的认识或研究成果*8.预测*9.控制变量*2.核心概念*1.课程目标*活动编码表 4 必修 2 探究实践活动 ITAI 分析韩菲王佳虹鲁亚平：高中生物学教材中探究实践活动的内容分析32和结果是已知的，也无须对数据进行复杂处理，如活动 102 属于验证性实验，教材提供了详细的实验过程，且得出的实验结果为单一的颜色反应；活动 203虽为物理建模，但教材提供每一阶段的方法步骤，学生只需按步骤操作，故最后模型很可能大同小异。对于这样的活动，教师通常会引导学生通过固定的实验过程，得出相同的结论。部分活动在第 20、21、22 题表现也不良好，且必修 2 表现优于必修 1，因为这部分活动属于定性实验，不涉及对数据的分析和处理，必修 2 表现更为良好可能由于遗传与变异类活动更偏向于定量思维。三、高中生物学教材中探究实践活动的改进及教学建议科学探究活动主要有两方面的教育功能，一是帮助学生建构概念，二是引导学生学习和训练科学方法和科学思维13。本研究从活动开放水平和活动内容两个角度对科学探究实践活动进行了分析，发现在概念学习的功能实践上有较好的完成度。在科学方法方面，定量研究方法的训练弱于定性研究方法的训练。在科学思维方面，大部分探究实践活动更倾向于让学生根据实验现象自己构建结论，而不是提出问题。科学解释与科学建模的思维训练所占比例也不高。研究还发现探究实践活动的 ITAI 所涉及子维度越多，其开放程度越高，两者存在一定的关联性。基于以上结论提出如下建议。1.适当平衡教材中科学探究活动的类型高中生物学教材中必修部分的科学探究活动类型以验证类和探究类活动为主，探究结果大多较为封闭。可能由于调查类和设计类活动周期较长，无法在课堂中完成等原因，因此其数量极少，但此类活动在培养学生自主学习和寻找学习资源方面效果会更好。为了更好地促进学生核心素养的发展，教材应立足于为学生的学习来设计，激发学生的自主能动性，促使其利用科学知识和技能去解决现实生活中的问题14。因此，在课时允许的情况下，设计者应适当增加此类结果更为开放的活动，使探究不局限于一种方式；也可将调查、设计元素融于探究类活动，学生在课堂上完成制定计划、设计活动和讨论交流等过程，课下进行调查和制作，使理论学习与动手实践紧密结合，相互联系。2.适当增加表格方式呈现科学探究活动的内容教材用表格形式呈现科学探究活动的内容有简明扼要、直观性强等特点，指向测评科学探究核心素养的高考生物学试题也常用图表的自明性和逻辑性设计题目15，所以能够准确读取和利用表格里的信息是一项十分重要的技能。在教材活动的设计中，增加表格的使用能够为教师提供更加可靠的课程材料，便于在教学中训练学生如何解读表格，并从表格中提取关键信息用于探究，最终达到学生可以自主绘制表格梳理探究过程或记录数据，将其融入科学探究的全过程，提升科学探究素养。3.依据能力梯度设置开放等级提升科学思维训练的水平虽然没有直接的证据表明探究实验的开放度可以单独用来判断探究任务的质量16。若整本教材的探究实践活动缺乏梯度设计，开放程度都较低，容易将实践主体由学生变为教师，将探究式学习变成机械式的学习。如果不考虑教学的实际情况和师生的探究水平，一味地追求高开放水平的探究活动设计，也容易让探究流于形式。从一门科学课程教材的整体设计来看，科学探究活动的总体设计应当具有合理的能力梯度，在学习的开始使用较低水平的探究形式，适应学生的探究能力发展，逐步提升等级，丰富活动类型，从中加深学生对生物学概念的理解，提升应用知识的能力17。4.增强科学探究活动中学生问题意识的培养教材的科学探究活动大部分以背景介绍或实验对象资料扩展开始，不要求学生提出探究问题，或向他们提供值得探究的问题，活动的目的要求和名称等仅仅是为了指导学生工作。在传统教学中，教材是教师和学生心中的“权威”，教师习惯于将所要教授的内容从教材直接“搬运”到课程教学中，这种长期形成的工作习惯容易阻碍学生问题意识的培养，所以我们应改善教材中科学探究活动的问题设计，从侧面加强学生问题意识的培养18，19。一方面教材可以提供一些基于真实情境的值得探究的科学问题，为学生学会提问提供蓝本；另一方面，学生提问是开放探究的标志，是培养批判性和科学思维的有力途径20。教材应该提供一定的机会让学生提问，可以在活动前，也可以在活动结束后，引导学生挖掘还可以探究的问题。5.结合科学思维栏目发展不同类型探究技能教材中的探究实践活动大多属于“食谱式”编写，存在不能兼顾多维度、分层次的探究技能训练的问题。实际教学中教师应为学生创造使用探究技能的机会，如在一些验证类实验中深入研究问题、丰富实验材料或者改良实验方法等。在探究技能的发展韩菲王佳虹鲁亚平：高中生物学教材中探究实践活动的内容分析33上应注重学生定量思维的培养，使科学论证和推理的训练更加突出，也可将探究技能训练与教材中的“思考与讨论”“思维训练”等栏目结合起来，弥补探究实践活动高阶逻辑思维训练的不足21，22。6.利用跨学科设计思路实现科学探究向科学实践的转变新课标在基本理念中强调“教学过程重实践”，强调通过探究性学习活动或完成工程学任务，加深对生物学概念的理解23。高中生物学教材实践部分多以探究性活动形式呈现，工程学内容并不突出。因此，科学实践理念下的科学教育，应促进教学从单一学科到跨学科融合24，帮助学生体验在真实情境中复杂生物学问题的解决过程，体会解决此类问题需要综合运用多个学科的知识与技能，在实践-认识-应用的过程中达成核心素养的培养目标25。在实际教学中，可结合教材内容与当地情况灵活选题；在教学组织方面，采用课上与课下相结合的方式；在活动结束后，应有物化的成果或者活动报告，以便对学生进行多元评价。参考文献1223 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