從學科核心素養角度例談高中生物學實驗教學

夏 天

(浙江省余姚市第四中學 余姚 315400)

《普通高中生物學課程標準(2017年版)》提出了培養生物學學科核心素養，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任[1]。生物學是一門實驗科學，實驗教學是生物學課程的重要組織形式之一。本文以“觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及質壁分離復原”“模擬尿糖的檢測”“模擬標志重捕法”的教學為例，探討生物學學科核心素養的落實。

1 實驗教學中滲透生命觀念

在“觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及質壁分離復原”實驗中，學生通過動手操作和實際觀察，能更好地建構“滲透作用”相關概念，用結構與功能相適應觀念解釋質壁分離及質壁分離復原現象： 成熟的植物細胞是一個典型的滲透系統，成熟的植物細胞有大液泡，細胞質膜、液泡膜的結構決定其對水的透過性遠大于其他分子(膜的選擇透性)，當外界溶液的濃度大于細胞液濃度時，細胞將滲透失水；反之，細胞將滲透吸水[2]。再如“模擬尿糖的檢測”實驗，通過學習胰島素與胰高血糖素在調節血糖水平中的作用，回顧腎小管對原尿中葡萄糖的重吸收作用[3]，有助于學生建立穩態與平衡觀。類似的例子還有很多，需要教師發掘和完善，讓學生通過實驗提升學習效率。為了更好地讓學生建立生命觀念，還可以引用跨學科的內容，幫助學生進一步理解相關概念的同時，提高學生的學習興趣。

2 實驗教學中培養科學思維

科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用邏輯推理的方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[1]。在實驗中，學生根據學習或生活實踐提出問題，收集文獻，提出合理的假設，設計嚴謹的實驗步驟，實驗后對實驗數據進行分析，得出實驗結論，并進一步討論、分析，提出新的問題。這是培養科學思維的有效途徑。

在科學探究或日常生活中，經常對事物進行比較。要得到合理、嚴謹的結論，就需要具備“對照”思想。例如，“模擬尿糖的檢測”實驗中就存在空白對照、陽性對照和陰性對照的設置。通過本實驗，學生不僅掌握3種對照組的設計及其意義，還可以學習尿糖檢測的半定量方法，比較不同檢測方法的原理。葡萄糖試紙檢測葡萄糖的反應原理是葡萄糖氧化酶法，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖，生成葡萄糖醛酸和過氧化氫，過氧化氫在過氧化物酶的作用下，使指示劑氧化而顯色。用本尼迪特試劑檢測葡萄糖，原理是Cu2+在堿性條件下被還原糖還原為紅黃色的Cu2O沉淀。

除上述對照外，在“觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及質壁分離復原”實驗中，則采用“自身對照”，對洋蔥表皮細胞實驗前后的狀態進行比較，學生通過不同的實驗過程，真正理解和掌握“對照”原則的內涵。

“模型與建模”是認識自然的一種重要方法。在“種群的特征”這一節中，為了深入理解標志重捕法，可以先構建數學模型，讓學生理解標志重捕法的數學原理，再進行模擬操作。教師首先幫助學生回顧初中數學的內容： 準備一盒珠子(大小、材料均相同)，倒出其中一部分珠子，標上記號，記這部分珠子的數量為M。然后把這些珠子放回盒子，攪拌均勻，再倒出一些珠子，記顆數為n。若帶有標記的有m顆，那么盒子里珠子的總數(N)為M×n/m[4]。這一公式即為標志重捕法的數學模型，再引出教材中調查池塘中鱸魚數量的例子(圖1)。接下來進行模擬實驗，教師準備若干卡片代表鱸魚總數(N)，對其中M張卡片做上標記，代表被標記的鱸魚總數為M條。將卡片混勻，再隨機取出n張卡片，代表重捕了n條鱸魚，數出帶有標記的卡片為m張，即重捕中帶有標記的鱸魚有m條。接著，可用樣本中被標記個體的概率(圖1D)估計總體中被標記個體的概率(圖1C)，即可得如下公式： 重捕中被標記的個體數(m)/重捕個體數(n)=標記個體數(M)/種群總個體數(N)。在此公式中，m、 n和M都是已知的，因此可以得出N=M×n/m。將計算得到N值與實際的卡片總數進行比較，體會樣本估計總體的統計學思想。

批判性思維是科學思維的重要組成部分，它促使了科學在繼承中發展，不斷地進步。在實驗教學中，可以鼓勵學生對教材實驗進行討論、完善。例如，在“模擬尿糖的檢測”中，3號試管為蛋白質溶液，僅能說明蛋白質不與葡萄糖試紙發生顯色反應。可將蛋白質溶液替換為健康人的尿液(茶水)，健康人的尿液更適合作為陰性對照，說明尿液中的其他成分均不與葡萄糖試紙發生顯色反應。

圖1 標志重捕法： 捕捉(A)→標記(B)→放回(C)→重捕(D)

實驗教學還是培養創造性思維的有效途徑。根據已有的實驗結果，提出新的問題，并設計實驗，即是創造性思維的體現。在“模擬尿糖的檢測”后，還有進一步的探究： 假設糖尿病患者可以通過改變飲食結構來減輕病癥，請設計一個實驗證明這一假設是否成立。學生首先需明確自變量和因變量。自變量為飲食結構，因變量為尿液中葡萄糖的含量。再進行實驗設計，在班級中交流、展示。可以有2種方案： 一種設置對照組，將若干糖尿病患者分為2組，1組常規飲食(對照組)，1組使用適合糖尿病患者的食譜(實驗組)，定期檢測兩組患者尿液中葡萄糖的含量；另一種不單獨設置對照組，定期檢測患者改變飲食結構前后尿液中葡萄糖的含量，即自身對照。

3 實驗教學中培養科學探究能力

教材中的探究性實驗是培養學生科學探究能力的重要途徑。通過探究性實驗，學生可以掌握科學探究的基本思路和方法。例如，“探究環境因素對光合作用的影響”這一開放性實驗可以讓學生體驗科學探究的整個流程[5]。在實驗教學中，不僅要重視科學探究的過程，還要重視對實驗結果的討論、交流和展示。例如，在“觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及質壁分離復原”實驗中，學生可以拍下典型的照片，進行交流、討論。科學探究能力的培養正越來越受到重視，在浙江省的生物學高考中，實驗占有較高分值，其中實驗設計題一般考查探究性實驗(表1)。

表1 浙江高考中的實驗設計題

4 實驗教學中加強社會責任的教育

實驗不僅是生命觀念和科學思維的實踐，也是培養社會責任的途徑。“模擬尿糖的檢測”中有一個問題： 醫生僅憑一份尿液樣本就能斷定某人患糖尿病嗎？意在引導學生基于生物學的認識，參與個人與社會事物的討論，并作出理性解釋和判斷。教師可引導學生進行充分討論，并達成統一認識： 僅憑一份尿液樣本不能斷定某人患糖尿病，食糖過多使血糖暫時過高，也會導致尿液中暫時出現葡萄糖。從而理解任何確診或治療決策都不能基于某一單項檢測結果。此外，通過關注糖尿病，鼓勵學生宣傳關愛生命的觀念和知識，崇尚健康的生活方式。再如在“種群的特征”的教學中，引導學生從年齡結構的角度解讀全面二胎政策，關注社會議題。