中學(xué)生物學(xué)實驗助力學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)初探

孫春燕

摘要 以“探究酵母菌的細(xì)胞呼吸方式”一課的實驗教學(xué)為例，闡述如何在實驗課的課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞 科學(xué)思維 實驗教學(xué) 細(xì)胞呼吸

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）提出，培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)是生物課程設(shè)計的宗旨。核心素養(yǎng)中最突出的就是科學(xué)思維。著名物理學(xué)家勞厄曾說，在學(xué)習(xí)過程中，發(fā)展思維能力比獲得知識更為重要。教育給予人們的應(yīng)是當(dāng)一切已學(xué)知識都被遺忘的時候仍然留在腦海中幫助人們解決問題的那種科學(xué)思維能力。在教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維呢？生物學(xué)實驗就是一個很好的載體。生物學(xué)物實驗是有目的地探索生物現(xiàn)象與生命活動規(guī)律，受理性支配，最終尋找科學(xué)的答案。因此，實驗過程貫穿著科學(xué)思維。教師依托教材，借助實驗，可以更好地提升學(xué)生的思維品質(zhì)，將科學(xué)思維培養(yǎng)落到實處。筆者以“探究酵母菌的細(xì)胞呼吸方式”實驗教學(xué)為例，嘗試在實驗中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

1教材分析

“探究酵母菌的細(xì)胞呼吸方式”是人教版生物教材《必修1.分子與細(xì)胞》第五章第三節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。細(xì)胞中的直接能源物質(zhì)是ATP，而ATP的主要來源正是細(xì)胞呼吸。學(xué)生在初中已經(jīng)知道了酵母菌的呼吸作用會產(chǎn)生COs和酒精，但對細(xì)胞呼吸是否需要氧氣以及不同氣體條件下產(chǎn)物是否存在區(qū)別并不清楚。學(xué)生通過探究實驗，既可以實現(xiàn)對的建構(gòu)，又能培養(yǎng)其科學(xué)思維。

筆者確立了以下教學(xué)目標(biāo)：（1）根據(jù)現(xiàn)象，提出問題，并設(shè)計可行的實驗方案，培養(yǎng)創(chuàng)新思維；（2）描述實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果，并進(jìn)行歸納演繹，培養(yǎng)邏輯思維能力；（3）如實描述異常現(xiàn)象，嘗試解釋并尋求原因，培養(yǎng)批判性思維能力。

2教學(xué)過程

2.1情境導(dǎo)入

筆者開展的這節(jié)課參加了2017年江蘇省優(yōu)質(zhì)課評比。由于異地上課，師生之間是陌生的，因此筆者通過組織學(xué)生觀察、品嘗自釀酒，并觀看當(dāng)?shù)孛癖娽劸频囊曨l，以當(dāng)?shù)靥厣莆幕胝n題。

導(dǎo)演張藝謀曾說過這樣一段話：“沒有多少人能記住整部電影詳細(xì)的過程，但卻能記住某個閃亮的細(xì)節(jié)。”課堂教學(xué)亦是如此，任何一個細(xì)節(jié)都有可能影響一節(jié)成功優(yōu)質(zhì)課程的質(zhì)量。一個有吸引力的視頻環(huán)境會激發(fā)學(xué)生最佳水平的刺激，而零距離地接觸實物則效果更好。這樣的導(dǎo)入大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于探究活動的深入開展。

2.2釋疑解惑

（1）學(xué)習(xí)活動一：三思而后行。

根據(jù)觀察的現(xiàn)象，教師引導(dǎo)學(xué)生對酵母菌的細(xì)胞呼吸方式以及產(chǎn)物展開探討。

教師對學(xué)生提出的問題匯總歸納，引導(dǎo)學(xué)生對本組所提問題嘗試作出假設(shè)。借助教師提供的實驗器材，各小組交流討論實驗思路。實驗器材分為兩套：一套是錐形瓶、橡膠塞、直角導(dǎo)管等傳統(tǒng)實驗器材，另一套由注射器、三通閥等創(chuàng)新器材構(gòu)成。上課前，各組組長自行選擇，任取一套。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：本實驗的自變量是什么？因變量的觀測指標(biāo)是什么？無關(guān)變量如何控制？

組1：選用傳統(tǒng)器材，計劃組裝出兩組裝置，一組通入氧氣，另一組不通入氧氣。通過直角導(dǎo)管將錐形瓶相連，最后用澄清石灰水檢測有無二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生。

組2：補充介紹控制氣體的方法。

組3：選擇創(chuàng)新器材。注射器與三通閥連接后，排盡空氣，關(guān)好閥門，即形成無氧環(huán)境。另一組則打開閥門，使用注射器抽取一定量的氣體，即形成有氧環(huán)境。

對于有氧、無氧條件的控制，教師可以組織學(xué)生展開充分討論，相互評價，取長補短，不斷完善。理越辯越明，因此教師在此環(huán)節(jié)中切忌越俎代皰，更不能急著公布所謂的標(biāo)準(zhǔn)答案，以免影響學(xué)生的思維擴展。教師應(yīng)該循循善誘，引導(dǎo)學(xué)生相互交流，使學(xué)生以討論、闡述與質(zhì)疑等方式實現(xiàn)思維碰撞，從而達(dá)到授之以漁，這才是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的核心。

（2）學(xué)習(xí)活動二：絕知須躬行。

學(xué)生進(jìn)行實驗，教師巡視指導(dǎo)，手機抓拍，并通過“希沃授課助手”同屏顯示。學(xué)生描述實驗現(xiàn)象：注射器裝置均產(chǎn)生了氣泡，推桿移動明顯，在錐形瓶裝置的培養(yǎng)液中有氣泡冒出。教師提出問題：氣泡是二氧化碳嗎？各組開始對氣泡進(jìn)行檢驗。教師補充介紹溴麝香草酚藍(lán)溶液，其檢測二氧化碳的靈敏度更高。傳統(tǒng)組中有的小組使用直角導(dǎo)管將盛有酵母菌培養(yǎng)液的錐形瓶與澄清石灰水連通，有的選擇溴麝香草酚藍(lán)溶液；創(chuàng)新組在三通閥的另一個接口接上盛有澄清石灰水或溴麝香草酚藍(lán)溶液的注射器。

學(xué)生進(jìn)一步描述實驗現(xiàn)象。教師組織學(xué)生對實驗現(xiàn)象進(jìn)行對照、剖析、歸納，同時結(jié)合教材裝置，分析各個小組的優(yōu)缺點。

由于學(xué)生剛剛體驗了實驗，因此對于教材中“間歇充氣50 min，培養(yǎng)8～10 h”紛紛表示太麻煩，時間太久，無法當(dāng)堂課觀察到實驗現(xiàn)象。而創(chuàng)新組根據(jù)注射器推桿的移動距離進(jìn)行定量分析則是另一大優(yōu)勢。在使用注射器時，并沒有使用輸液管和止水夾來形成密閉環(huán)境。課前預(yù)實驗中，筆者發(fā)現(xiàn)如果操作不細(xì)心，輸液管中殘留的酵母菌培養(yǎng)液易隨氣體一并流入鑒定溶液中，從而對顏色變化造成干擾，同時直角導(dǎo)管與橡膠塞的連通也消耗了不少時間。因此，筆者選用了醫(yī)用三通閥和螺紋口注射器（圖1）。創(chuàng)新組比傳統(tǒng)組實驗操作更便捷，實驗效果更明顯。

根據(jù)教材中有氧條件的控制方法，學(xué)生在操作時往往不能很好地控制橡皮球的通氣速度，使空氣中的二氧化碳未經(jīng)氫氧化鈉溶液充分吸收，從而影響實驗結(jié)果。鑒于純氧的制備并不是本實驗的目的，因此，實驗中提供事先制備的純氧既縮短實驗時間又增大了培養(yǎng)液中的溶解氧濃度。氧氣是借助醫(yī)用制氧機制取的，儲存于輸液袋中，需要時用注射器抽取所需體積的氧氣即可。這樣簡化了實驗操作，也使實驗現(xiàn)象更明顯。

本實驗還需要檢測的酒精。教師介紹檢測方法，學(xué)生進(jìn)行酒精檢測并描述實驗現(xiàn)象。操作后，各小組紛紛表示兩支試管顏色均發(fā)生了顏色變化。

教師提出問題：理論上有氧呼吸裝置中應(yīng)該沒有灰綠色現(xiàn)象，為什么實驗結(jié)果不能說明？并留給學(xué)生足夠的時間展開分析、討論，進(jìn)行激烈的思維碰撞。

學(xué)生1：氧氣太少，酵母菌消耗完氧氣后又進(jìn)行了無氧呼吸。

學(xué)生2：可能氧氣與酵母菌培養(yǎng)液沒有充分接觸導(dǎo)致酵母菌進(jìn)行了無氧呼吸。

學(xué)生3：可能實驗中設(shè)定的溫度適宜酵母菌進(jìn)行無氧呼吸，也許需要重新尋找合適的保溫溫度。

……

教師補充：酒精遇到酸性重鉻酸鉀呈現(xiàn)灰綠色，但不表示只有酒精會有這種反應(yīng)。像葡萄糖這類還原糖也可以和酸性溶液中的重鉻酸鉀發(fā)生此顏色反應(yīng)。綜合以上，如何改進(jìn)酒精檢測的方法呢？

學(xué)生結(jié)合化學(xué)知識提出酒精氣化、聞氣味或者把葡萄糖溶液消耗完再進(jìn)行檢測。教師可以用搖床振蕩培養(yǎng)24 h的酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行檢測，幫助學(xué)生理解教材中培養(yǎng)時間為“8～10 h”。而注射器這套裝置雖然用量少，現(xiàn)象明顯，但若長時間培養(yǎng)注射器推桿會從注射筒掉出。教師可以鼓勵學(xué)生課后繼續(xù)探究，有沒有更合適的探究實驗裝置搭建。

有氧呼吸裝置中的培養(yǎng)液進(jìn)行酒精檢測也變成了灰綠色，這一現(xiàn)象與理論不相符。在實驗教學(xué)中，由于各種原因，有時會出現(xiàn)與預(yù)期不相符的實驗現(xiàn)象。針對異常現(xiàn)象，如果教師不進(jìn)行正確引導(dǎo)，往往會給學(xué)生帶來認(rèn)知困惑，影響教學(xué)效果。在本節(jié)課中，筆者沒有回避異常現(xiàn)象，而是鼓勵學(xué)生質(zhì)疑與分析，進(jìn)一步優(yōu)化實驗方案，提出改進(jìn)措施，有利于學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)。

新課標(biāo)倡導(dǎo)教師“用教材教”而不是簡單的“教教材”。在教學(xué)活動中，教師應(yīng)創(chuàng)造性地使用教材，結(jié)合實際條件以及學(xué)生的操作技能，選取更適合本校師生的實驗方法，使高中生物實驗更有實效。本節(jié)課上，筆者引導(dǎo)學(xué)生對兩套裝置進(jìn)行分析，使學(xué)生的思維更趨理性。課后有學(xué)生還給出了其他建議。教師只有集思廣益，博采眾長，才能使探究活動更深入，并將課堂教學(xué)延伸到課后。

3感悟建構(gòu)

通過前面的實驗及分析，學(xué)生對細(xì)胞呼吸有了進(jìn)一步認(rèn)識，從而修訂細(xì)胞呼吸的概念，并建構(gòu)如圖2所示的知識框架圖。

新課標(biāo)認(rèn)為，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該學(xué)會運用歸納與概括、演繹與推理等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律。歸納概括是在知識間建立聯(lián)系，實現(xiàn)對知識的再建構(gòu)。學(xué)生要在原有知識的基礎(chǔ)上，通過探究性實驗，進(jìn)一步完善其知識結(jié)構(gòu)體系。

4反思

4.1情境教學(xué)與課堂的融入

以江陰黑酒、老白酒這些地方特色的非物質(zhì)文化作為情境貫穿整節(jié)課。通過適宜的情境教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，體現(xiàn)了新課標(biāo)“理論與實際相結(jié)合”的理念，從而使學(xué)生“知其然”，更“知其所以然”。傳統(tǒng)文化與生物課堂教學(xué)的融合有利于弘揚了傳統(tǒng)文化，但限于筆者的傳統(tǒng)文化底蘊并不深厚，因此，教學(xué)中傳統(tǒng)文化的滲透還顯粗淺，有待進(jìn)一步研究。

4.2實驗教學(xué)的重要性

“善觀察者，可以見常人所未見；不善觀察者，入寶山而空手歸。”實驗可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和實事求是的科學(xué)態(tài)度。教師對異常現(xiàn)象的不回避更使學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。理性而謹(jǐn)慎的思維可以讓師生更好地獨立思考，不人云亦云。

4.3課程設(shè)計的利弊分析

本節(jié)課的設(shè)計還存在不足這處，如酵母菌的細(xì)胞呼吸產(chǎn)物除了酒精、二氧化碳外，還有其他物質(zhì)嗎？有機物氧化分解后釋放的能量如何檢測？……這些只能由學(xué)生課后再次通過探究實驗來完成。