基于學科核心素養培養的實驗教學設計
——以“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”為例

（大通縣第二完全中學 青海西寧 810100）

生物學學科核心素養是學生在生物學課程學習過程中逐漸發展起來的，在解決真實情景中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力。其中包含的重要一點是：能理性思考與論證生命現象及規律并具備一定的科學探究與合作能力。

1 前端分析

1.1 學習內容分析

“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”是人教版生物教材必修一第六章第一節“細胞的增殖”中一個經典的生物學實驗。本實驗的內容包括目的要求、原理、材料用具、方法步驟、結論和討論等。為了便于學生操作，增強操作步驟的目的性和條理性，教材把裝片制作過程中的步驟、方法、所需時間和操作目的以表格的形式展示出來，增強了教學內容的直觀性。本實驗的關鍵是進行裝片的制作并利用顯微鏡觀察，但是裝片制作的難度較大且觀察效果有限，所以在教材中處理為驗證性實驗。

1.2 學習者分析

本實驗的授課對象是高一的學生，他們已經學習了臨時裝片的制作方法，初步掌握了裝片制作所需要的操作技能，但本實驗中解離、染色的時間要嚴格控制，壓片時用力要恰當。這些都增加了裝片制作的難度，對學生而言是一個挑戰。對于觀察，學生在之前的實驗中已經能夠熟練地使用顯微鏡觀察不同細胞，也具備低倍鏡轉換到高倍鏡的操作技能。同時，學生已經具備了一定的自主探究能力，能夠利用虛擬仿真軟件來完成實驗過程。

1.3 學習環境分析

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出，教師在教學中應開展一系列具有探究性的學習活動，以此提高學生的生物科學素養。因此，本節課利用計算機多媒體教室并借助虛擬仿真軟件來進行實驗探究，突出教學手段和教學方法的現代化，并適應教學的個性化需求。

2 教學目標

①學會裝片制作的操作技能，提高動手實踐能力，掌握科學探究的基本思路和方法，學會對實驗結果進行交流與討論。

②能使用高倍顯微鏡觀察根尖分生區細胞的有絲分裂，并運用其中的操作技能和科學思維對其他適宜材料進行觀察研究，闡釋不同材料的細胞分裂現象，總結細胞分裂規律。

③基于對細胞有絲分裂現象的觀察，理解通過有絲分裂維持染色體數目穩定的科學規律，認同生命過程的精致和奇妙，形成生命觀念，嘗試以審美的視角舉例闡釋生命過程。

3 教學策略

本實驗展示的是一個真實的細胞分裂現象。這種真實的情境能很好地調動學生的學習積極性，提高學生的求知欲。但是，由于本實驗中洋蔥根尖的培養需要在實驗前3～4 d進行，而且裝片制作時解離、漂洗、染色等步驟還需要一定的等待時間，使得實驗所需時間長。加之，本實驗中裝片制作的難度較大，觀察效果有限，而且解離最好在上午10時～下午2時，讓全年級學生集中在這個時間段內進行實驗不現實。筆者嘗試將信息化條件下的虛擬仿真實驗引入本實驗教學中，實施知識發生過程式教學，在提高教學效果的同時發展學生的生物學學科核心素養。教學中，教師通過虛擬實驗操作，使學生全感官參與學習，讓學生在親身體驗裝片制作過程的同時，真實地觀察到細胞分裂不同時期的圖像，進而總結細胞分裂規律，認同生命過程的精致和奇妙，落實生命觀念培養的目標。

在本實驗中，筆者選擇支持交互操作的“東師理想生物虛擬實驗平臺”進行虛擬仿真實驗。

4 教學媒體的選擇

虛擬仿真實驗軟件有利于學生直觀感受實驗過程。教師同時利用“東師理想云教學平臺”的“備課助手”制作教師版和學生版交互式課件輔助教學，便于呈現實驗結論、注意事項等重點內容；利用計算機多媒體教室進行教學，可以呈現教學過程中的學生操作過程，也便于學生回顧、總結重點內容，既方便了教師教學，也方便了學生學習。

5 教學過程

5.1 復習引入

教師展示學生手繪的有絲分裂模式圖，要求學生辨別圖示的時期并用一句話概括該時期的特點。接著，創設過渡的問題情境：剛才觀察的是同學們自己手繪的細胞分裂過程模式圖，那細胞有絲分裂的真實圖像是怎么樣呢？想不想觀察一下真實的細胞分裂圖像呢？要觀察細胞有絲分裂的真實圖像，就要通過實驗來進行觀察，本節課就通過“洋蔥根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗來觀察一下細胞真實的有絲分裂圖像。

學生識圖，回憶有絲分裂各個時期的特征并作答。

設計意圖：教師利用學生自己手繪的有絲分裂模式圖，引導學生復習鞏固有絲分裂的基礎知識并過渡到新授課的內容，幫助學生形成知識網絡圖，激發學生學習興趣。

5.2 探究新知

5.2.1 探究一：實驗目的及原理

教師利用虛擬仿真實驗平臺的交互式課件展示本實驗的實驗目的并做簡單介紹：（1）制作洋蔥根尖細胞裝片；（2）觀察植物細胞有絲分裂的過程，識別有絲分裂的不同時期，通過統計每一時期的細胞數與計數細胞總數的比例來比較細胞周期不同時期的時間長短。接著，展示實驗原理（圖1）。

師生共同探討本實驗材料的選材依據：根尖包括根冠、分生區、伸長區和成熟區，只有分生區細胞有絲分裂旺盛，所以選擇分生區細胞作為實驗材料。分生區細胞在根尖中0～3 mm處，呈正方形、排列緊密。強調實驗材料的正確選擇是實驗成功的關鍵，教師列舉科學史上孟德爾選擇豌豆、摩爾根選擇果蠅做實驗取得成功的例子，引導學生設計實驗方案時學會選擇恰當的實驗材料，從而落實科學探究培養的目標。

各小組開展探究活動，探討并解決以下問題：（1）材料為何選擇根尖分生區細胞？（2）分生區細胞在根尖中的什么位置上？（3）在觀察時如何找到分生區細胞？

設計意圖：教師引導學生根據所學的知識對實驗材料的選擇，做出科學的解釋，學會實驗設計中材料選擇的依據和一般原則，明確實驗成功的關鍵是選擇合適的實驗材料。

5.2.2 探究二：實驗設計中的一些探究問題

教師展示實驗設計要解決的2個探究問題（圖2）：（1）觀察細胞有絲分裂的實驗應選擇哪種材料？（2）請將實驗過程和所需時間填寫完整。

學生在虛擬仿真實驗平臺的學生版交互式課件中根據預習的內容對所探究的問題做出解答，并在自己的交互式課件中查看答案正確與否（圖3）。依次完成2個探究問題，學生可以知曉并熟悉實驗材料的選擇和實驗具體操作的步驟，學會進行實驗的方法和技能，助力獨立完成實驗。

設計意圖：教師通過引導學生解決平臺設計的2個重要探究問題，讓學生知曉并熟悉實驗材料的選擇和實驗具體操作的步驟，有助于后期實驗的順利進行。

5.2.3 探究三：實驗過程

教師在虛擬仿真實驗平臺邊講解操作要點邊分步驟演示（圖4），加深學生對實驗過程中的操作步驟和操作技巧的記憶，并就實驗過程中的注意事項形成初步印象。

學生觀看演示過程，熟悉操作步驟。

設計意圖：教師通過動態演示實驗過程，實施知識發生過程式教學，充分利用視聽媒體使學生全感官參與學習。

5.3 實踐操作

5.3.1 實踐操作一：個人獨立操作

教師指導學生在自己的電腦上打開學生版交互式課件中的虛擬仿真實驗進行實踐操作，并巡回指導，觀察學生操作中存在的問題與創新之處。

學生在虛擬仿真實驗平臺上獨立進行實驗操作，明確實驗步驟中每一步操作所用試劑、操作目的、所需時間長短、注意事項等（圖5）。

設計意圖：教師培養學生虛擬仿真實驗的操作技能，體驗完整的實驗過程，并以此發展學生獨立利用虛擬仿真實驗平臺進行實驗探究的能力。

5.3.2 實踐操作二：學生操作觀摩

教師根據在巡回指導時發現學生操作中的亮點，請有創新之處的學生在自己的電腦上獨立進行實驗操作，并利用多媒體小哨兵系統，將學生的操作投影到教室的白板上，請其他學生觀摩。

學生觀摩學習優秀學生的操作過程，大膽分享自己的實驗心得，解釋自己操作中的獨到之處，探討實驗中出現的問題。

設計意圖：學生通過實驗過程的共享，加深對實驗過程的理解。教師要鼓勵學生分享體會，培養學生的表達和交流能力。

5.4 實驗評價與反饋

教師簡單地小結實驗，梳理實驗注意事項，組織學生分享對本節實驗課的收獲、感悟和存在的疑問。

學生自主評價本節實驗課的成果。

設計意圖：教師采用學生自評的方式進行形成性評價，可以更好地掌握學生在實驗理解、實驗操作、實驗收獲等方面的情況。

6 教學反思

本實驗探究活動具有一定的復雜性，如果進行真實實驗，學生很難在有限的時間內完成裝片的制作，而且觀察效果也有限，所以選擇了虛擬仿真實驗進行替代，在一定程度上彌補了不能進行真實實驗的遺憾。虛擬仿真實驗教學可以在較短時間內讓學生經歷實驗設計、實驗操作、實驗觀察等環節，并使學生鞏固實驗設計的基本原則及實驗操作的細節，促進學生形成正確的生命觀念，發展學生的科學思維，提高學生的科學探究能力。