实验教学中实验器材的优化改进研究

——基于学生学习需求的高中生物教材实验优化改进的研究

                           开题报告

主持人  倪莹莹 王景花

一、研究背景

1.问题的提出

在整个高中生物教材中，必修1、2，以及选修1、2、3都穿插了不同类型的实验课题，生物实验为学生了解生物、钻研生物提供了一个最直接有效的方法，在高中生物实验教学中，运用好生物实验，不仅能增加课堂的趣味性，也激发了学生的学习兴趣，而且在进行实验操作中，提高学生自己的动手能力，掌握相应的操作技能，更有利于培养学生良好的学习习惯和严谨的科学态度，在此基础上，学生分析问题、观察问题、思考问题的能力也可以得到有效提高。所以生物实验的重要作用不可忽视。

高中生物教材中的部分实验的实验材料不易得、现象不明显、实验过程不清晰、实验所呈现的现象与教材支撑的概念不匹配等，所以通过实验所得的结论有一定的争议。对实验材料的优化，实验条件优化，实验器材的优化，让教学实验更加贴近真实，更好地验证教材所给结论，才能更好发展学生对生物实验的思考以及逻辑分析能力。

新高考对生物实验的要求是能够创设新颖的问题情境，使学生能够在情境中积极思考，完成探究开放性任务；能够利用批判性、创新思维，提出解决问题的新思路、新方法。然而，就高中生物实验教学的现状而言，仍存在较多的问题与不足。如何在新高考背景下，科学高效的开展高中生物实验教学，优化高中教材实验，促进教学效果的完善，需要教师积极寻找改进措施，从而更好的满足学生的学习需求。

2.国内外研究现状

（1）国内研究现状

在国内，高中生物实验教学中实验器材的优化改进研究已经引起了一定的关注。研究者主要集中在实验材料和器材的选择、方案的设计和改进等方面进行探索。在实验材料的选用方面，一些研究关注如何选择适合高中生物实验教学的材料，考虑到实验的目的、内容和学生的实验操作能力，选择合适的材料进行教学。例如，李合娟（2019）认为高中生物“植物组织培养”实验过程通常被认为繁琐、耗时长，并且实验结果往往不理想。为了改进这一实验的教学实践，在选材上，可以选择番茄幼苗作为实验材料，因为番茄幼苗具有较高的实用性和可操作性。在外植体消毒和培养基配置等方面，可以优化操作流程以节省时间并提高效率。通过以上改进措施，可以优化“植物组织培养”实验的操作流程，节省时间，提高效率，并减少误差的发生。

在实验方案的设计和改进方面，一些研究致力于设计和改进具有更好教学效果和操作便利性的实验方案。例如，王芝（2021）在中学生物教学中，以细胞大小与物质运输的关系为例，可以通过启发式教学的方式引导学生对教材实验进行改进和创新，提出数字化实验方案，并对比研究教材实验方案和改进后的实验方案，从中总结出改进方案的创新要点和实验改进的一般思路，以培养学生的生物学学科核心素养。

（2）国外研究现状

在国外，实验的优化改进研究也取得了一些进展。一些研究关注开发更先进的实验器材，利用先进的材料和技术，提高实验器材的性能和功能。例如，李大莉通过对比分析中美教科书中的生物学实验发现，美国教科书的编写体现了人性化，注重培养学生的专业素养。教科书中设置了大量实验，旨在培养学生的操作技能和探究能力；实验材料偏向于采用生活类用品；涵盖了从实验室到生活的不同类型实验。可见，美国在生物学实验选材方面表现优于我国。李昕昱对我国与英美两国的生物学实验教学课程资源进行了对比研究，发现在英美国家，实验室已不再是唯一的实验场所，学生可以在教室中完成实验。针对一些难以完成的实验，学生可以通过网络虚拟实验室进行体验。此外，真人操作的图片也被引入中学生物学教材中。

3.研究的意义与价值

（1）理论价值

①推动实验教学理论的发展：本课题关注学生学习需求对实验教学器材的影响，为实验教学理论提供了新的视角。通过对教材实验优化改进的研究，可以丰富实验教学的教学模式和教学策略，促进实验教学理论的创新和发展。

②拓宽教育技术与设计研究领域：本课题涉及教材实验的设计和改进，与教育技术和设计研究领域有关。通过对教材实验的优化改进，可以丰富教育技术与设计研究领域对学习环境和工具的设计原理和方法的理解。

（2）实践价值

①提升实验教学效果：通过优化改进教材实验，可以提高实验教学的效果，使学生更好地理解和掌握学科知识和实验技能。同时，适应学生学习需求的教材实验可以激发学生的学习兴趣和主动参与，提升学习动力，适应高考需求。

②改善学生的学习体验：优化改进的实验可以提供更好的学习环境和体验，使学生在实验过程中感到更加舒适和自信。这有助于培养学生的实践能力和创新思维，并提高他们的学习满意度和学习成果。

③推动教学方法创新：通过针对学生学习需求的实验教学的优化改进，可以促进教学方法的创新。优化改进的教材实验可以与不同的教学方法和策略结合，拓宽教学模式，提供多样化的学习体验和教学路径，满足不同学生的学习需求。

二、概念界定

本课题的核心概念是：“学生学习需求”，“高中生物教材实验”，“实验优化改进”。

1. 学生学习需求

指学生在实验教学中的学习目标、知识水平、技能需求、学习风格、兴趣爱好等方面的个体差异和特点。学生学习需求是实验教学的基础，也是器材优化改进的依据和关注重点。

本课题研究的学习需求主要包括对教材实验的操作和对苏派高考试题的应用。

2. 高中生物教材实验

高中生物教材实验是指在高中生物课程中，通过实践操作来验证生物学原理、探究生物现象和培养科学思维的一种教学活动。这些实验通常涉及生物的结构、功能、生命周期、遗传、进化等方面的内容。高中生物教材实验的目的是通过实际操作，让学生亲自参与并观察生物现象，以加深对生物学知识的理解和实践能力的培养。实验可以帮助学生理解和应用生物学原理，培养他们的观察、实验设计、数据分析和解决问题的能力。

3. 实验优化改进

实验优化是指对原有实验的步骤、设备和材料进行精简和优化，以减少实验的复杂性和资源需求。优化后的实验应当更易于操作，并能在现实教学环境下进行。实验改进是指对原有实验内容进行修改和完善，以提高实验的教学效果和学生的实践操作能力。改进的实验应当更符合学生的学习需求和能力水平，并能培养学生的科学思维和实验设计能力。

三、研究目标

1. 分析教材实验内容的难度和复杂度，通过对人教版高中生物教材中实验内容的分析，确定实验的难度和复杂度，了解学生在实验中可能遇到的困难和问题。

2. 确定教材实验内容的优化方向，根据分析结果，确定需要优化和改进的实验内容，并明确优化的方向和目标，以提高实验的教学效果和学习效果。

3. 设计优化与改进的实验方案，根据实验内容的优化方向，设计优化与改进的实验方案，包括实验步骤的优化、实验材料的替代或优化、实验数据的获取和分析方法的优化等。

4. 实施实验方案并评估效果，将设计的优化与改进的实验方案应用于实际教学中，组织学生进行实验操作，并通过观察、记录和评估学生的实验表现和学习效果，评估实验方案的有效性和可行性。

5. 收集师生反馈并进行改进，在实施实验方案的过程中，收集师生的反馈意见和建议，了解他们对优化与改进实验的认可度和改进的需求，根据反馈结果进行适当的调整和改进。

6. 形成优化与改进实验的指导意见，根据研究结果和改进经验，形成针对人教版高中生物教材中实验内容的优化与改进的指导意见，为其他教师提供参考和借鉴，促进实验教学的改进和发展。

四、研究内容

1. 教材实验内容分析与评估的调查研究

对人教版高中生物教材中的实验内容进行全面分析和评估，了解实验的难度、复杂度以及与学生实际生活和社会需求的关联性

（1）设计问卷调查：制定针对学生学习需求的问卷调查，包括学生对教材实验的理解、问题及需求等方面。

（2）访谈与深度讨论：在问卷调查基础上，选取部分一线教师进行个别访谈，深入了解他们对教材实验教学及操作过程中的体验、疑惑或建议。

2. 实验内容筛选与优化的研究

根据实验内容的分析评估结果，筛选出需要优化和改进的实验内容，并确定优化的方向。

（1）模型建构类实验优化与改进：对于模型建构类实验，研究将寻找简化实验步骤的方法，并提供更直观、易于理解的模型，以加深学生对生物概念的理解和记忆。

（2）课堂演示类实验优化与改进：针对需要教师演示的实验，研究将致力于发现更有效的演示方法，使学生更清晰地观察和理解实验过程，从而提高实验教学的直观性和吸引力。

（3）模拟类实验优化与改进：在涉及模拟的实验中，研究将探索简化模拟过程的途径，确保学生更好地参与其中，增强他们的实验操作能力和科学思维。

（4）部分经典实验再现优化与改进：针对高中生物经典实验的再现，研究将通过优化实验步骤和提供更直观的实验资料，使学生更容易理解和掌握实验原理，促使其更深入地参与实验过程。

3. 实验方案设计与改进的撰写的研究

将优化改进方案详细地撰写成报告，包括方案的目标、内容、实施步骤和预期效果等。报告应提供充分的理论和实践依据，为后续的实施和评估提供指导。

4. 实验方案实施与效果评估的研究

将设计的优化与改进的实验方案应用于实际教学中，组织学生进行实验操作，并通过观察、记录和评估学生的实验表现和学习效果，验证实验方案的有效性和可行性。

（1）方案可行性评估：评估优化改进方案的可行性和可操作性。考虑到实施成本、技术要求、资源限制等因素，确保方案的实施可行性。

（2）通过观摩课题组成员生物实验课堂教学，制作课堂观察量表，关注教师课堂教学行为、学生的学习行为，收集相关的数据。

5. 师生反馈收集与改进的研究

在实施实验方案的过程中，积极收集师生的反馈意见和建议，了解他们对优化与改进实验的认可度和改进的需求，根据反馈结果进行适当的调整和改进。

6. 指导意见形成与分享的研究

根据研究结果和改进经验，形成优化与改进实验的指导意见，并与其他教师分享，为他们提供参考和借鉴，促进实验教学的改进和发展。 

（1）效果与总结：根据数据分析结果，评估优化改进方案对学生学习效果的影响。总结实施效果，指出优化改进方案的优势和不足，提出改进建议。

（2）撰写教材实验优化和改进的具体方案。

五、主要观点与创新之处

1. 主要观点

（1）学生学习需求、教师教学效果是教材实验优化改进的重要依据。

（2）教材实验的优化改进能够提高学生的学习效果和学习体验。

（3）通过针对教材实验的优化改进，能够推动教学方法的创新。

2. 创新之处

（1）设计创新：本课题将以学生学习需求为出发点，设计针对性的优化改进方案。通过深入研究学生对教材实验的需求和问题，以及对现有器材的评估，将提出创新的设计方案，这种以学生为中心、基于实际需求的设计创新，将提升实验教学的效果和学生的学习体验。

（2）技术创新：本课题将关注新兴技术在实验教学中的应用。通过研究学生学习需求和实验器材的评估，将探索和引入新的技术手段，如虚拟实验、增强现实、远程实验等，以丰富实验教学的方式和内容。这种技术创新将为实验教学带来新的可能性，提高学生的参与度和学习效果。

（3）教学创新：本课题将通过优化改进方案，推动实验教学的创新。针对学生学习需求和现有实验的不足，将提出改进方案并进行实施，如改进实验指导手册、优化实验流程、提供个性化学习支持等。这种教学创新将提升实验教学的效果和质量，为学生提供更有意义和丰富的学习体验。

（4）应用创新：本课题不仅注重理论研究，更注重实践应用。通过实施优化改进方案，并进行效果评估，将研究成果转化为实际应用，提升实验教学的质量和效果。这种应用创新将推动实验教学的改进和发展，并为其他教育实践提供借鉴和参考。

六、研究方法

1. 文献研究法

通过对相关文献、教材和研究成果的综合分析和评估，调查已有的实验内容和教学方法，了解当前实验教学的现状、问题和改进方向，为实验优化与改进提供理论依据和参考。

2. 问卷调查法

设计和发放问卷调查给高中生物教师和学生，了解他们对现有实验内容的认知和评价，收集他们的意见、建议和需求，以便确定需要改进的实验内容和方向。

3. 访谈法

通过与高中生物教师和学生进行面对面或在线的访谈，深入了解他们对实验教学的看法、体验和期望，探讨实验优化与改进的可行性和具体方法，获取详细的个体意见和反馈。

4. 分类法

对人教版高中生物教材中的实验内容进行分类和归纳，根据实验的性质、难度、操作步骤等特点，进行系统的整理和分析，以便确定哪些实验需要优化和改进，并为后续的实验方案设计提供基础。

5. 案例分析法

选择具有代表性的实验案例，对其进行深入的分析和研究，探讨其优点、局限性和改进空间，从中提取经验和教训，为其他实验的优化与改进提供借鉴和启发。

七、研究过程

第一阶段：研究准备阶段（2023.6—2023.9）

在学校教科室的领导下，结合我校学生学习的实际情况，我们筛选通过了以“实验教学中实验器材的优化改进研究”作为研究大课题，其中主要侧重于“基于学生学习需求的高中生物教材实验优化改进的研究”。

1. 课题组制定详细的课题研究方案和课题研究计划。

2. 开展调查、访谈，初步进行资料的搜集及分析工作，为课题研究的实施提供比对资料。

3. 申请立项，进行开题论证，布置课题组成员研究任务。

第二阶段：研究实施阶段（2023.9—2024.12）

1. 确定研究对象和范围：明确研究的对象是人教版的高中生物教材中的实验内容，确定需要研究和改进的实验范围，例如生物实验的具体章节或单元。

2. 收集相关资料和文献：通过文献研究法，收集和整理与高中生物实验教学相关的资料、文献和研究成果，了解当前实验教学的现状和问题，为后续研究提供理论基础。

3. 设计问卷和访谈指南：根据研究目标，设计适用于高中生物教师和学生的问卷调查和访谈指南，包括问题的选择和组织，以便获得关于实验内容认知、评价和改进需求的信息。

4. 数据采集和分析：通过问卷调查和访谈方法，收集教师和学生的反馈数据，并进行数据整理和分析，以便了解实验教学的问题和改进方向，并提取关键信息和意见。

5. 实验内容筛选和优化：根据数据分析结果，确定需要优化和改进的实验内容，并确定优化的方向和目标，例如优化实验步骤、减少实验材料的复杂性等。

6. 设计实验方案：根据实验内容的优化方向，设计优化与改进的实验方案，包括实验步骤的优化、实验材料的替代或优化、实验数据的获取和分析方法的优化等。

7. 实施实验方案并评估效果：将设计的优化与改进的实验方案应用于实际教学中，组织学生进行实验操作，并通过观察、记录和评估学生的实验表现和学习效果，评估实验方案的有效性和可行性。

8. 收集师生反馈并进行改进：在实施实验方案的过程中，收集师生的反馈意见和建议，了解他们对优化与改进实验的认可度和改进的需求，根据反馈结果进行适当的调整和改进。

9. 形成研究报告和指导意见：根据研究结果和改进经验，撰写研究报告，总结研究过程和结果，并形成针对人教版高中生物教材中实验内容的优化与改进的指导意见，为其他教师提供参考和借鉴。

课题组成员针对课题研究方案中的研究内容，进行理论学习，全面展开研究工作，参与各级各类活动，并做好活动过程记录及资料的搜集与整理工作，及时总结研究心得。同时建立课题组网站，成员定期上传课题组资料，包括课堂评价表，听课记录照片，学生成果展示等。

第三阶段：总结与报告撰写阶段（2024.12-2025.3）

1.课题组网站日常资料的上传维护；

2.收集课题组各类资料；

3.撰写课题结题报告迎接结题鉴定。

八、预期成果

九、完成研究任务的保障条件

1.研究人员齐整，研究基础稳固

课题主持人王景花老师是正高级教师，江苏省名教师，金坛区名教师工作室领衔人，有厚实的理论功底，开阔的研究视野，丰富的科研能力。倪莹莹老师是常州市生物学科带头人，具有丰富的生物教学和科研能力；课题组成员由全区各所高中的生物骨干教师组成，多名教师为常州市教学能手、金坛区骨干教师，他们常年奋战在教育一线，拥有丰富的实践经验，而且还积极参加课题研究，多名老师经常在省级刊物发表文章。

2.研究保障充足，研究过程完善

（1）建立保障机制

第一，准备阶段积极制定研究计划，定期组织课题组成员交流课题研究推进计划，明确个人承担的研究任务，始终保持课题研究在正确的轨道上进行。

第二，研究中期通过开设研究课、说课、备课研讨、专题研修等方式，交流研究的进展情况。

第三，研究后期，通过校内、区级等活动总结成果，并积极搭建平台展示成员的研究成果。

（2）引领日常研究

课题相关负责人要积极为课题教师创造学习、交流、展示的机会，促进成果的形成，研究成员间要相互合作和交流，及时上传研究结果。重视资料搜集和成果提炼。课题组成员要重视日常研究过程性资料的分类积累，包括：教学设计、课件、反思、案例、师生问卷、师生访谈等；从形式上说，可以有文字、音像等资料等。每学期上交一次，及时整理课题组资料，然后上传到课题组网站共享。

总之，本课题有厚实的研究基础、精干的研究队伍、务实的研究策略，一定能圆满完成研究任务，顺利结题。

3.参考文献

[1] 周洪凯.基于科学探究素养的高中生物实验教学实践研究[D].山东师范大学，2019.

[2] 徐敬文.高中生物人教版教材实验改进的研究[J].读与写（教师），2021，000(005)：P.1-1.

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[6] 李合娟.高中生物“植物组织培养”实验的简化和改进[J].中学课程辅导(教学研究)，2019.

[7] 王芝梁云贺.基于核心素养的高中生物学实验改进教学——以“细胞大小与物质运输的关系”为例[J].中学生物教学，2021(33):52-54.

[8] 徐敬文.高中生物人教版教材实验改进的研究[J].读与写：上旬，2021(5):0370-0370.

2023年12月8日