基于核心素養(yǎng)的生物實驗在概念教學中的運用

趙文浪

摘 要 闡述了高中生物學教師需要將生物學核心素養(yǎng)有效地融入概念教學，各種類型的實驗的運用可以幫助學生有效構(gòu)建生物學概念，并提高生物學核心素養(yǎng)：通過探究實驗，使概念教學掌握知識與發(fā)展能力相統(tǒng)一；通過演示實驗，使概念教學抽象性與具體性相統(tǒng)一；通過課外實驗，使概念教學理論性與實踐性相統(tǒng)一；通過科學史實驗，使概念教學科學性與思想性相統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞 中學生物學 概念教學 生物實驗 核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物學核心素養(yǎng)主要包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任四個方面。生物學概念是對生物的結(jié)構(gòu)生理和生命現(xiàn)象的概括和歸納，是學生構(gòu)建生物學知識的核心組成部分，也是高中生物教學的重點和難點。由于概念是生物學理論的基礎(chǔ)，也是思維過程的核心，所以教師在概念教學過程中可根據(jù)教學內(nèi)容和學生的實際情況，創(chuàng)設(shè)情景，啟發(fā)學生積極思考，逐步培養(yǎng)學生自主學習的能力，提高學生的生物學核心素養(yǎng)。

然而，生物學課堂上的概念教學在實施過程中會遇到一些困難：比如概念過于抽象；概念的形成過程被忽視；只關(guān)注概念本身，不能靈活運用概念來解決實際問題。生物學是一門實驗科學，教師借助實驗教學可以有效地解決概念教學中的上述問題：生動真實的實驗可以使學生獲得感性認識；在實驗探究過程中，學生能培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維和探究能力，并嘗試解決現(xiàn)實生活中與生物學相關(guān)的問題。下面筆者就以各種類型的實驗教學為例，談?wù)勆飳嶒炘诟拍罱虒W中運用。

1 演示實驗使概念教學的抽象性與具體性相統(tǒng)一

生物學是以觀察和實驗為基礎(chǔ)的的學科，觀察和實驗離不開人的感覺和知覺。學生要形成生物學概念，首先要有一定的感性認識。這種感性認識可以來源于生活，也可以來源于實驗。演示實驗一般是由教師提供精心選擇后簡化的素材，將課本上的知識化抽象為具體，動態(tài)地展現(xiàn)在學生面前，使學生先獲得感性認識；而后，教師在此基礎(chǔ)上有意識地引導(dǎo)學生分析歸納出理性認識。在此過程中，教師不僅能幫助學生形成正確的概念并理解掌握有關(guān)知識，還有助于培養(yǎng)學生形成理性思維的生物核心素養(yǎng)。

例如，對“細胞膜和細胞壁”中“選擇透過性”這一概念的理解，教師可以利用課本演示實驗，促進學生理解：取玉米子粒放在20～25℃的溫水中浸泡36 h；取4粒已經(jīng)泡漲的子粒，將其中2粒在沸水中煮5 min后，冷卻，作為對照的實驗材料；分別取煮過和未煮過的玉米子粒放在培養(yǎng)皿中，用刀片沿胚的中線縱向切開籽粒，以稀釋20倍的紅墨水染色；2 min后，倒去紅墨水，用水沖洗子粒數(shù)次，直到?jīng)_洗液無色為止；觀察子粒中胚的顏色。本實驗的實驗原理是：活細胞的細胞膜具有選擇透過性，而死細胞的細胞膜則喪失了這種能力，紅墨水能進入死細胞將死細胞染色。教師課初演示該實驗，能充分調(diào)動起學生的學習興趣，活躍課堂氣氛。學生會思考沸水中煮過的玉米子粒會被染色的原因、該現(xiàn)象和今天的學習內(nèi)容細胞膜的關(guān)系。紅墨水不能進入活細胞的現(xiàn)象使學生認同了細胞吸收物質(zhì)具有選擇性，對細胞膜的選擇特性有初步的感性認識，也為后面細胞膜結(jié)構(gòu)模型的教學做好了鋪墊。

2 探究實驗使概念教學中掌握知識與發(fā)展能力相統(tǒng)一

探究實驗是指學生在教師引導(dǎo)下，主動參與到發(fā)現(xiàn)問題、尋找答案的過程，從而提高學生獨立思考和合作探究的能力。探究實驗應(yīng)用于概念教學是一種有效的教學策略。教師在學生學習概念時，可提供一些生物學現(xiàn)象和事實，讓學生自己通過觀察、實驗、比較和歸納等途徑形成對問題的解釋。然后，學生通過討論和交流，解決并發(fā)現(xiàn)新的問題，對問題進行深入的研究。所以以探究實驗為基礎(chǔ)的概念教學符合學生的認知規(guī)律。在實驗探究過程中，學生有效地將掌握生物學知識和發(fā)展自主學習的能力相統(tǒng)一，有利于培養(yǎng)理性思維和科學探究的生物學核心素養(yǎng)。

例如，對“酶是生物催化劑”中“酶”和“酶的高效性”兩個概念，教師可以通過將課本實驗“酶的催化效率”設(shè)計成探究實驗以促進學生理解。教師首先進行演示，創(chuàng)設(shè)問題情境：在兩個編號（1號、2號）的試管中各加入等量過氧化氫溶液；在1號試管中加入少量雞肝勻漿，2號試管中加入少許二氧化錳；觀察兩個試管中發(fā)生的變化。學生觀察的結(jié)果是1號試管中產(chǎn)生的氣泡瞬間從試管壁溢出，可使帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃；2號試管中不時有針尖大小的氣泡產(chǎn)生，能使帶火星的衛(wèi)生香發(fā)亮。接著，教師提出問題：新鮮的雞肝勻漿里面有什么使過氧化氫溶液迅速分解？為什么要用新鮮的雞肝勻漿，煮熟的行嗎？學生繼續(xù)查閱資料思考，并提出假設(shè)：雞肝勻漿里含有過氧化氫酶，能催化過氧化氫迅速分解。酶作為一種生物催化劑，催化效率比無機催化劑高。過氧化氫酶可能是蛋白質(zhì)，煮熟后蛋白質(zhì)變性，不能使過氧化氫分解。學生根據(jù)假設(shè)，設(shè)計并實施實驗來驗證假設(shè)：加入煮熟的雞肝勻漿，重復(fù)試驗，觀察試管中沒有氣泡產(chǎn)生，說明煮熟的雞肝勻漿沒有了活性，不具有催化功能（高溫會使蛋白質(zhì)變性）。最后得出結(jié)論：① 酶是活細胞產(chǎn)生的一類具有生物催化作用的有機物，絕大多數(shù)的酶是蛋白質(zhì)。② 通過對照實驗，可知酶的催化效率要比無機催化劑的催化效率高出很多，說明了酶的催化作用具有高效性。

由此可見，學生通過自主探究的實驗活動，不僅有效構(gòu)建了概念，也培養(yǎng)了創(chuàng)新思維和探究能力，提高了社會責任的生物學核心素養(yǎng)。

3 課外實驗使概念教學的理論性與實踐性相統(tǒng)一

生物學知識和人的生產(chǎn)生活實踐有非常密切的關(guān)系，所以學習時有很多實驗需要在課外完成。生物課外實驗是高中生物實驗的重要組成部分，也是生物課堂教學的有效補充和延伸。課外實驗大多在學生家庭或者野外進行，學生可以根據(jù)實驗的目的，依據(jù)實驗原理自行設(shè)計操作步驟，活動范圍可更廣泛，時間持續(xù)可更長。與課堂實驗相比，課外實驗更能培養(yǎng)學生的獨立操作性，讓他們將所學的知識轉(zhuǎn)變成自己的本領(lǐng)。學生結(jié)合本地資源開展科學實踐，在準確靈活地建立、理解和應(yīng)用生物學概念的同時，嘗試解決現(xiàn)實生活中與生物學相關(guān)的問題，培養(yǎng)社會責任的生物學核心素養(yǎng)。

例如，教師可通過設(shè)計課外實驗“調(diào)查校園操場中車前草的種群密度”來促進對“種群的特征”中“種群密度”和“樣方法”兩個概念的理解和應(yīng)用。學生在校園操場根據(jù)不同形狀的調(diào)查地段，確定取樣方法（五點取樣法、等距取樣法）；先將調(diào)查總體分為若干等分，由抽樣比率決定距離或間隔，然后按這一距離或間隔抽取樣方；在劃定的樣方內(nèi)，學生依照植物分類圖鑒掌握的車前草的形態(tài)特征對每個樣方中車前草數(shù)量進行統(tǒng)計和記錄；最后以所有樣方內(nèi)車前草的種群密度的算術(shù)平均數(shù)作為其種群密度。在實驗過程中，學生體驗了種群密度的計算和樣方法的具體操作過程，印證和鞏固了有關(guān)概念知識。

再如，對“生長素具有兩重性”該概念的理解，學生可通過課外實驗“莖的背地性和根的向地性的觀察”加以鞏固；對“植物滲透作用”該概念的理解，學生可通過課外實驗“小液流法”進行驗證。由此可見，學生通過對概念的應(yīng)用不僅解決了生活實際問題，同時完成了自己對概念由理論認識到實踐應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

4 科學史實驗使概念教學的科學性與思想性相統(tǒng)一

生物科學史內(nèi)容與高中生物學教學密切相關(guān)，能提供重要的科學概念原理和技術(shù)方法的歷史來源背景，很多中學生物學概念本身是前人科學研究的成果。學生在科學史實驗學習過程中，通過對一些經(jīng)典實驗和邏輯分析的再現(xiàn)，通過經(jīng)歷與科學工作者進行科學探究時的相似過程，學習了生物知識與技能，體驗了科學探究的樂趣，掌握了科學探究方法，形成了正確的科學價值觀。所以，科學史實驗?zāi)苁垢拍罱虒W不只具有科學性，同時具有思想性，有利于學生形成理性思維和科學探究的生物學核心素養(yǎng)。

例如學生對“對分離現(xiàn)象的解釋”中“子一代的體細胞內(nèi)兩個不同的基因各自獨立，互不混雜”“基因在體細胞中成對存在，一個來自母本，另一個來自父本”等概念難以理解，教師可借助科學史中一系列的實驗以幫助學生掌握。分離定律研究過程中，孟德爾進行了一對性狀性狀的遺傳實驗：將紫花和白花作為親本進行雜交，無論正交還是反交，子一代總是紫花，子一代自交得到的子二代中不僅有紫花還有白花，且子二代植株中紫花與白花比例為3.15∶1，接近整數(shù)比3∶1。孟德爾同時分析了得出子二代性狀分離比3∶1不是偶然而是必然，因為豌豆的其他6對相對性狀實驗結(jié)果中子二代也接近3∶1。在對實驗現(xiàn)象進行分析時，孟德爾根據(jù)實驗結(jié)果，駁斥了當時流行的“融合遺傳”和“多重微粒”觀點（泛生論），對分離現(xiàn)象的原因提出了假說。“融合遺傳”觀點是當時生物界主流觀點：由父本和母本提供的遺傳物質(zhì)在子代細胞中完全融合，使子代表現(xiàn)出介于雙親之間的性狀。達爾文認為就是類似液體的胚芽融合的結(jié)果。孟德爾根據(jù)子一代只有紫花出現(xiàn)，否定了“融合遺傳”觀點。學生此時可掌握“子一代的體細胞內(nèi)兩個不同的基因各自獨立，互不混雜”的概念。“多重微粒”觀點（泛生論）是達爾文后期提出觀點：每個細胞對應(yīng)某一種性狀存在無數(shù)完全相同的遺傳物質(zhì)，每一遺傳物質(zhì)的許多復(fù)制物可能同時傳遞給生殖細胞。孟德爾根據(jù)7對相對性狀的雜交實驗中子二代性狀分離比普遍為3∶1，否定了“多重微粒”觀點。學生此時可掌握“基因在體細胞中成對存在，一個來自母本，另一個來自父本”的概念。由此可見，實驗中的生物概念是經(jīng)過長期研究證實和更正后形成的，對概念的來龍去脈進行學習，有利于學生克服對相關(guān)概念理解的障礙，并把握概念學習中的重難點。

綜上所述，各種類型的實驗可以幫助學生有效構(gòu)建生物概念，并提高生物學核心素養(yǎng)。教師要注意：① 上述各種實驗類型并不是獨立存在，毫無交集。比如演示實驗可以作為探究實驗中現(xiàn)象觀察的一部分；課外實驗和科學史實驗可以以探究實驗的形式進行，在概念教學的過程中，教師應(yīng)該根據(jù)教學內(nèi)容需要，各有側(cè)重。② 不是所有概念的學習都適合以實驗教學的方式進行。實驗教學應(yīng)作為一種思想貫穿在整個高中生物教學過程中，教師可將其與其他教學方法和策略相結(jié)合而進行有效運用。

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