生物学学科核心素养下高校实验室课程资源的运用

高嫚 朱易辰 李进华

摘 要：为落实生物学学科核心素养的发展，以剑桥苏大基因组资源中心为例，阐明运用高校实验室资源开展教学活动的价值及可行性，将中心内丰富的课程资源与高中生物学教学内容相融合，创设情境，探讨学科核心素养培养策略。

关键词：核心素养；高中生物学；高校实验室；课程资源

中图分类号：G64          文献标识码：A          文章编号：1673-9132（2023）15-0006-03

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2023.15.002

着眼于学生适应未来社会的发展及满足个人终身发展的需求，培养核心素养的教育理念应运而生［1］，基于此，各个学科凝练了本学科的核心素养，生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究及社会责任。要落实学科核心素养的培养，教师就必须在教学中改变单一的授课方式和内容，运用有效的资源尽可能活化生物学课堂［2］。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》在实施建议中也指出教师应积极利用社会上的生物学课程资源，例如，本地的大专院校、科研部门等，都可以为学生的学习提供帮助［3］。剑桥苏大基因组资源中心是一个隶属于苏州大学的校级研究机构。其中诸多元素与高中生物学课程内容存在交集，适宜开展科普融合教学活动，故以该中心为例，探讨如何运用高校实验室资源来培养学生的生物学学科核心素养。

一、学科核心素养下高校实验室资源的运用价值

（一）激发学生对生物学的探究兴趣

学生对生物学的浓厚学习兴趣是有效培养学科核心素养的前提，兴趣不仅是一种积极的学习态度，也是学生主动学习、开展探究的催化剂。传统生物学课堂教学方法及授课内容相对局限、生硬，导致学生的学习兴趣不高。运用高校实验室资源开展科普融合教学活动可有效改善这种窘境，首先，高中学生对于高校是充满向往和期待的，这种心境利于教学活动的展开；其次，在高校实验室里，学生可了解到丰富的实验内容、前沿的生物学课题和与时俱进的生物技术手段，获得许多新鲜的感官刺激，既开阔视野又扩大知识面，有利于调动学生的好奇心和积极性，对于激发学生的生物学探究兴趣大有裨益。

（二）提高学生对知识的掌握效果

学科核心素养是学生通过学科知识的学习而逐步发展起来的价值观和能力。高中生物知识具有一定的深度和广度，不仅涉及物质的宏观层面、生命的个体水平，还有诸如微观层面的细胞水平、分子水平等，此外学生还需掌握相关实操的基本理论。教师仅依托教材及校内资源不够，需开发更多有价值的资源、开展更多样的教学活动。高校实验室资源丰富、场景多样，蕴含大量的高中生物学课程资源，教师可运用这类资源创设情境，帮助学生增加感性认识，增加动手操作的机会，拓展和强化教学内容，从而使概念具体化，使操作直观化，使教学生动化，提高学生对知识的掌握效果。

（三）落实学科核心素养的培养

高中生物学课程高度重视学生在学习过程中的实践经历，即“教学过程重实践”［4］，强调学生在主动参与的过程中学习知识、解决问题、发展学科核心素养。高校实验室相较于中学的实验室具有仪器设备先进、实验设计多样、环境条件优越和师资力量强大等显著优势，且高校实验室的许多资源与高中生物学教材中的实践内容相吻合，能够运用于开展生物学课堂教学实践的条件十分充裕，是教师带领学生参与观察、调查、实验和制作等活动的良好平台。运用高校实验室资源教师可依据不同的教学内容及核心素养要求有效地开展实践活动，鼓励学生多观察、多思考、多动手，促使学生在亲身参与中达成学科核心素养。

二、学科核心素养下高校实验室资源运用的可行性

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》指出“要增强高等教育的社会服务能力，全方位开展服务；高校要承担起开展科学普及工作的义务，积极推进文化传播，鼓励高校师生开展志愿服务；推进高等学校与社会团体的资源共享，形成协调合作的有效机制［5］”。为中学教师将高校实验室资源运用于开展教学活动提供了政策上的支撑。

近年来，许多高校也是在积极响应以上改革，高校实验室开放日、夏令营、科普宣传周等活动的广泛开展，在一定程度上打破了中学与高校之间的隔膜，高校科研机构不再是遥不可及的存在，而是在课堂上、生活中就可了解到其中的模样。例如，剑桥苏大基因组资源中心会定期举行实验室开放日，科普进社区等具有教育功能的服务性活动，旨在传播科学知识，服务社会，服务他人，也为中学教师运用高校实验室资源开展教学活动提供了多种渠道。

此外，随着科学技术的不断发展，我们进入了“互联网+”时代，高校实验室资源也搭上了时代的“顺风车”，许多高校实验室正在加快建设实验室开放信息网络平台，开展多层次的开放实验活动，利用网站、官方微信和微博宣传科研成果，这使得实验室资源的开放不再受时间和空间的限制［6］，也为中学共享高校实验室资源提供了技术上的保障。

三、学科核心素养下高校实验室资源的运用策略

（一）以动物资源为核心，培养“生命观念”

“生命观念”作为生物学学科核心素养的特色组成部分，主要体现在学生对生命本质的理解，要求学生能够对生命现象及生命活动规律做出解释，正确地认识生命和对待生命，进而树立起正确的生命价值理念［7］。运用真实的、可感知的活细胞和活体实验动物作为教学素材，可使学生更加直观地感受到生命的存在。例如，在剑桥苏大基因组资源中心，教师可利用实验室资源开展以下教学活动：（1）组织学生在高倍显微镜下观察小鼠精子与卵细胞的形态结构及运动状态，引导学生思考“精子和卵细胞同为生殖细胞为何在形态结构与运动方式上有如此大的差异”等问题，鲜活游动着的精子和大小悬殊的精卵细胞比教材中的图片在视觉上更有冲击力，可激发学生的好奇心和求知欲，进而积极思考问题、解答问题，形成结构与功能观；（2）教师可带领学生观察果蝇、斑马鱼和小鼠的受精卵及胚胎发育过程，并展示人类胚胎发育的视频及三者与人类之间的基因同源性数据。启发学生思考问题：“果蝇、斑马鱼和小鼠的受精卵与课堂上已经学习的古细菌在细胞结构上有哪些共同点？”“三者与人类之间的基因同源性说明了什么？”“人类的胚胎在发育早期会出现鳃裂和尾，这与鱼的胚胎非常相似，又有何意义？”通过解答问题使学生从分子、细胞及胚胎学角度认同生物有着共同起源这一观点，体会生命的多样性和统一性，形成进化与适应观；（3）在学生体验细胞培养实验时，創设问题情境，引导学生思考“在动物体内细胞能够维持正常的生命活动，有些细胞还能不断增殖所需要的条件有哪些？”从而分析出动物细胞体外培养的基本条件：温度、PH、营养物质等，并体会稳态与平衡观、物质与能量观。

（二）以生物学问题为指引，形成“科学思维”

“科学思维”是一种思维习惯，要求学生在学习中能够尊重生物学事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学概念和科学的思维方法去认识、判断、解释客观事物，并对事物客观发展变化作出预测，解决实际问题［8］。高校实验室里有大量生物学相关现象及前沿问题，为培养学生的科学思维营造了良好的情境。普通高中人教版（2019）教材《生物学选择性必修3  生物技术与工程》中的内容与学生们的日常生活相距较远，学生不易理解和掌握，但是在高校实验室里学生会“身临其境”于这些技术工程中，以第二章第三节《胚胎工程》第二课时为例，教师可借助实验资源开展如下教学设计：（1）设疑导入。在科学研究中有时一项实验的实施需要在短时间内获得大量的相同来源、年龄、基因型、饲养环境等的实验动物，自然繁殖往往满足不了实验需求，这时候研究者应怎么办？（2）新课讲授。引导学生带着疑问学习，教师组织学生观看技术人员进行小鼠体外受精实验的整套操作流程，学生通过小组合作讨论概括出体外受精的过程，教师总结并提出问题“将其与前面学到的体内受精的过程相比较有何异同”，学生对比分析做出解答。教师再引导学生观看小鼠的胚胎移植相关操作，有条件的情况下可让学生动手尝试，组织学生结合教材自主完成“体外受精—胚胎移植”的概念模型。教师继续提问：“若想进一步提高胚胎的利用效率，还有哪些方法？”从而引出胚胎分割技术。（3）巩固提升。教师请学生对新课开始前的问题进行作答并提出可改进的建议，安排学生在课下查阅资料，了解胚胎工程除了用于实验动物的快速增值外还有哪些应用。以上教学有利于提高学生的对比与分析、归纳与概括、模型建构、批判性思维等方面的能力，形成基本的科学思维。

（三）以探究性活动为手段，强化“科学探究”

“科学探究”包含科学探究能力、对科学探究的认知和相关情感意识三个方面，要求学生能够发现现实世界中的生物学问题，并针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论，从中获得科学探究的思路和方法，提高实践能力［9］。高校实验室本身就是开展科学研究的主要场所，其丰富的实验资源有利于激发学生的好奇心和求知欲，产生主动探索的欲望，教师只需提供简单的专业性引导。如：（1）学生参观动物房时，看到笼架上饲养的实验动物——小鼠，可能会心生疑惑：“为什么小鼠是生命科学及医药研究中使用最广泛的实验动物？”教师可以此作为主题开展探究性学习，要求学生以独立或小组合作的方式完成，教师给出搜集信息过中需要注意的事项，组织学生分工合作，充分利用图书馆、互联网等来进行信息的搜集，学生通过信息搜集、资料整理、交流讨论后得出自己的观点，之后要求学生写出报告并展示成果，小组代表进行汇报，师生共同评价，有助于培养学生获取科学信息、处理信息和归纳总结的能力。（2）分子实验室的工作人员会根据不同的基因鉴定要求选择不同的Taq酶进行PCR，教师可组织学生开展探究式实验进行“不同品牌的Taq酶对PCR结果的影响”的研究，以期为科研人员提供一些有价值的数据。该探究可由学生自己制定实验方案、设计实验记录表，并在教师的指导下有步骤地进行实验，再根据实验结果分析交流，最后得出实验结论。探究式实验有利于学生了解科学探究的基本过程和方法，提高动手操作的实践能力和团队合作意识。

（四）以实验室情境为依托，提升“社会责任”

“社会责任”是指基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。学科核心素养的培养并不是孤立存在的，而是在知识的学习过程中同步进行。在剑桥苏大基因组资源中心，教师在讲解基因敲除小鼠模型制作原理时，可结合“基因编辑婴儿”等社会热点话题让学生展开讨论，在思维的碰撞中形成正确的伦理观念和科学道德。学生在开展探究式实验时，教师要注意引导学生规范实验操作，遵守实验室相关规则，严格按照要求处理实验中产生的废弃物，了解实验废弃物处理不當对人类和环境的危害，使学生在亲身实践中形成良好的环境保护意识。学生在实验的过程中还会体验到科学研究的过程是在不断重复和解决新问题中曲折前行，从而锻炼学生解决实际问题的能力，培养挫折意识。在剑桥苏大基因组资源中心有着大量的实验动物，它们为人类的生物与医药行业发展做出了很大贡献，教师可以此为情境，培养学生保护动物、敬畏生命的价值观，拥有动物福利的理念［10］，并教育学生面对生命要永远怀有仁爱之心。学生在实验室参观学习的过程中，还会看到许多严谨的科研工作者孜孜不倦地工作，他们的专注、勤奋与一丝不苟也会在潜移默化中影响着学生，并埋下“投身科研，知识报国”的种子，这颗种子会在某一天生根发芽。

综上所述，高校实验室作为集科学研究和培养人才为一体的教育机构，为拓展生物学课程资源、活化高中生物学教学提供了极大的便利。高校实验室资源的运用使学生在真情境中学习知识、在真实验中开展探究、在真体验中发散思维，落实了学生在教学中的主体地位，有效地培养了学生的生物学学科核心素养。

参考文献：

［1］ 核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养［J］.中国教育学刊，2016（10）：1.

［2］ 王芹.开发课程资源 发展生物学学科核心素养［J］.中学生物学，2020（1）：69.

［3］ 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：73.

［4］ 刘恩山，刘晟.核心素养作引领  注重实践少而精——《普通高中生物学课程标准》修订思路与特色［J］.生物学通报，2017（8）：8.

［5］ 顾明远，石中英.国家中长期教育改革和发展规划纲要解读［M］.北京：北京师范大学出版社，2010.

［6］ 刘建华.高校实验室面向中小学生开放研究与实践［J］.实验室研究与探索，2018（3）：251.

［7］ 赵占良.对生物学学科核心素养的理解（一）——生命观念的内涵和意义［J］.中学生物教学，2019（6）：4.

［8］ 赵占良.对生物学学科核心素养的理解（二）——科学思维及其教学［J］.中学生物教学，2019（10）：4.

［9］ 赵占良.对生物学学科核心素养的理解（三）——科学探究与实践［J］.中学生物教学，2020（5）：4.

［10］ 辇伟峰，宓奇，刘文凤，等.新课标下动物福利教育的实践与思考［J］. 生物学教学，2021（12）：7.