基于理性思維的高中生物學實驗教學進階

任夢然

(河北省石家莊市第二中學 050000)

李秋石

(河北師范大學生命科學學院 石家莊 050024)

中學生物學科核心素養中的理性思維即崇尚并形成科學思維的習慣，能夠運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法探討生命現象及規律。理性思維強調有明確的思維方向、有充分的事實或理論依據、有推理和論證的過程。生物學是一門以實驗為基礎的學科，科學實驗的開展可以幫助學生理解科學概念，認識科學本質，形成科學思維。可見，實驗教學是培養學生理性思維的有效途徑。

真實的實驗教學需要創造有價值的問題情境，結合學生已有的知識和技能，自主思考，合作探究，推理論證，真正像科學家一樣研究和探索新知。然而，該過程的實現不是一蹴而就的，教師在實驗教學中，需要根據學生原有的認知結構，針對某一研究主題，依次進階，螺旋上升，使教學循序漸進，逐級深化。本文從5個角度說明在高中生物學實驗教學中如何進階。

1 利用實驗材料進階

實驗材料是實驗探究的基礎，理想的實驗材料不是特定的，只要符合材料易得、便于操作、效果顯著、經濟節省等特點即可。利用多樣的實驗材料進階，不僅可以增強啟發性，擺脫教材的局限，還可以激發學生的興趣，自主深入探究，從而大大提高探究的效率。

以“觀察植物細胞的質壁分離及復原”實驗為例，教材選取的實驗材料為洋蔥鱗片葉外表皮細胞，原因是該細胞具有紫色的大液泡，有利于實驗現象的觀察。此外，教師依次給學生提供紅色花瓣、黑藻葉片、洋蔥鱗片葉內表皮細胞，讓學生探究這3種實驗材料的可行性。首先，學生很容易發現紅色花瓣與洋蔥鱗片葉外表皮細胞的相似點，液泡都是有顏色的。其次，在探究黑藻葉片時，學生需要拋開液泡的思路，鎖定黑藻葉片的葉綠體，由于葉綠體的存在，原生質層是有顏色的，同樣利于觀察。最后，在探究洋蔥鱗片葉內表皮細胞時，因為其液泡和原生質層都是無色的，所以探究重點應轉移到如何清晰地觀察無色植物細胞的質壁分離及復原現象。學生積極討論，再結合教師的指導，總結出： 調暗顯微鏡視野，或者改用紅墨水等其他有顏色的試劑，可以清晰地觀察實驗現象。利用這4種實驗材料進階，加強了學生對實驗的理解，拓展了學生的思維。

2 利用實驗裝置進階

實驗裝置是實驗探究的保障。組裝實驗裝置的依據源于對自變量和因變量的分析，最重要的是嚴格控制無關變量，遵守單一變量原則。為了增強實驗結果的說服力，實驗裝置可以從簡易到嚴密，不斷被優化。利用實驗裝置進階，訓練學生對實驗變量的分析和處理能力，讓學生認識到實驗的科學性和嚴謹性。

以“探究酵母菌的呼吸方式”實驗為例，該實驗的自變量是氧氣的有無，因變量是二氧化碳的產生量和酒精的有無。據此，教師提供第一組實驗用具和試劑(圖1)，引導學生畫出相應的實驗裝置圖(圖2)，并分析因變量的檢測方法。學生根據實驗裝置圖推測可以通過觀察氣泡的多少和是否聞到酒味來檢測因變量。

圖1 第一組實驗用具和試劑

圖2 第一組實驗裝置

接著，教師提供第二組實驗用具和試劑(圖3)，引導學生畫出相應的實驗裝置圖(圖4)，并分析因變量的檢測方法。學生結合教材中的信息，得出相同時間內澄清石灰水的渾濁程度可以判斷CO2的產生量。將酵母菌培養液滴入吸管(酒精的檢測)。

最后，教師提出問題： 第二組實驗裝置有沒有不完善的地方？學生經過討論，畫出改進后的實驗裝置(圖5)，并做出解釋： 增加一個含有澄清石灰水的錐形瓶，可以確?？諝庵械腃O2被全部吸收，避免空氣中的CO2對結果的影響。滴加石蠟油，可以使酵母菌培養液完全隔絕空氣，創造無氧環境。利用這3組實驗裝置進階，學生深刻地體會到科學嚴密的實驗裝置對實驗的重要性。

圖3 第二組實驗用具和試劑

圖4 第二組實驗裝置

圖5 第三組實驗裝置

3 利用實驗變量進階

變量分析是實驗探究的關鍵，對于一個實驗而言，自變量單一，但不唯一，隨著自變量的變化而變化的量是因變量，因變量也會因材料、試劑、裝置的不同而不同。利用實驗變量進階，讓學生學會靈活地確定變量，進而開拓實驗探究的思路。

以“探究酶的專一性”實驗為例，教師提供淀粉溶液、蔗糖溶液、淀粉酶溶液、蔗糖酶溶液、碘液、斐林試劑等，供學生自由選擇，設計實驗方案。學生會從熟悉的淀粉、淀粉酶、碘液入手，再加上蔗糖酶，設計方案： 在兩個相同的試管中加入等量的淀粉溶液，然后分別滴加等量的淀粉酶和蔗糖酶溶液，在37℃下保溫后，再向兩個試管中滴加等量的碘液，觀察顏色變化。在此基礎上，有些學生利用蔗糖、蔗糖酶、淀粉酶、斐林試劑設計了相似的實驗。此時，教師提示： 自變量只能是酶的種類嗎？底物的種類也能作為自變量。于是，學生利用淀粉、蔗糖、淀粉酶(或蔗糖酶)、斐林試劑再次設計實驗。在該實驗中，利用自變量進階，有助于學生厘清思路，經過充分思考，有條理地設計多種實驗方案。

4 利用實驗目的進階

實驗目的是實驗探究的核心，實驗變量的確定、實驗步驟的設計都是圍繞實驗目的進行的。利用實驗目的進階，對教材基礎實驗進行拓展和延伸，打破教材對學生思維的禁錮，還學生創新的空間，培養學生的知識遷移能力和實際應用能力。

以“觀察植物細胞的質壁分離及復原”實驗為例，該實驗目的是觀察植物細胞的質壁分離及復原的實驗現象。若把實驗目的改為“判斷成熟植物細胞是否有生物活性”，如何改進實驗？學生會想到，將待測的成熟植物細胞浸潤在一定濃度的蔗糖溶液中，在顯微鏡下觀察是否會發生質壁分離。若發生質壁分離，則說明有生物活性，若不發生質壁分離，則說明無生物活性。若繼續把實驗目的改為“測定成熟植物細胞的細胞液濃度范圍”，如何改進實驗？學生經過一定的分析后會想到，將待測的成熟植物細胞浸潤在一系列濃度梯度的蔗糖溶液中，在顯微鏡下觀察，細胞液濃度就介于未發生質壁分離和剛發生質壁分離的蔗糖溶液濃度之間。若再把實驗目的改為“比較不同成熟植物細胞的細胞液濃度”，如何改進實驗？學生類比剛才的實驗思路，把不同的成熟植物細胞浸潤在同一濃度的蔗糖溶液，在顯微鏡下觀察。發生質壁分離所需的時間越短，細胞液濃度越??；反之，則細胞液濃度越大。利用這4種不同的實驗目的進階，由易到難，由淺入深，引導學生挖掘實驗的內涵，剖析實驗的原理，培養學生的創造性思維。

5 利用任務難度進階

實驗教學的最終目標是實現高階理性思維。設計實驗任務難度進階，為學生的獨立思考、討論探究搭建平臺，給學生更多的機會對實驗問題進行分析、歸納、推理、判斷、質疑以及創新等，逐步發展學生的高階思維。

以酶的相關實驗為例，教師先布置簡單的任務： 寫出“探究唾液淀粉酶的最適pH”的實驗思路。學生小組討論，嘗試寫出實驗思路，教師點評和修改后，呈現完整的實驗思路： 在一定范圍內，設置一系列梯度pH，其他條件相同且適宜，分別測定酶活性，若測得數據出現峰值，則其對應的pH即為最適pH。在教師的指導下，學生總結實驗思路的要點： 自變量的設置，因變量的檢測和無關變量的控制。接著，教師布置稍復雜的任務： 寫出“探究溫度對唾液淀粉酶活性的影響”的實驗步驟。師生共同探討，逐漸完善： ①取6支大小相同的試管，分別編號A1、A2、B1、B2、C1、C2；②在A1、B1、C1試管中分別加入2mL淀粉溶液，在A2、B2、C2試管中分別加入1mL唾液淀粉酶溶液，將A組、B組、C組試管分別置于0℃、37℃、100℃水浴鍋中進行保溫；③一段時間后，將每組的唾液淀粉酶溶液倒入相應的淀粉溶液中，反應一段時間后，每組分別滴加等量的碘液，觀察并記錄每組的顏色變化。據此，師生總結實驗步驟的模板： ①取材、分組、編號；②分組施加實驗變量，注意控制無關變量；③一段時間后，觀察并記錄因變量的檢測指標。當學生能熟練書寫實驗思路和實驗步驟之后，教師加大任務難度，讓學生評價實驗方案： 若除酶外所有試劑均已預保溫，則在測定酶活力的試驗中，下列操作順序合理的是： A.加入酶→加入底物→加入緩沖液→保溫并計時→一段時間后檢測產物的量B.加入底物→加入酶→計時→加入緩沖液→保溫→一段時間后檢測產物的量C.加入緩沖液→加入底物→加入酶→保溫并計時→一段時間后檢測產物的量D.加入底物→計時→加入酶→加入緩沖液→保溫并計時→一段時間后檢測產物的量。學生綜合比較4個選項，選擇答案C。實驗評價的難度系數很高，要求學生具備一定的邏輯思維、批判性思維和分析推理能力。實驗思路和實驗步驟的設計訓練了學生的邏輯思維、分析推理能力以及歸納概括的能力，由此進階到批判性思維的訓練，順理成章。

實驗材料的選擇、實驗裝置的設計、實驗變量的確定、實驗目的的分析以及實驗思路和實驗步驟的探索，都是一種嚴謹的思維活動。開展進階的實驗教學，學生的分析能力、推理能力、歸納與概括能力、邏輯思維、創造性思維、批判性思維都能在潛移默化中得到提高。