例談基于科學探究的中學生物學實驗教學實施

許龍兵

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《新課標》）明確提出了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4個維度。其中，科學探究能夠發現和解決現實世界中的生物學問題，而基于科學探究的中學實驗教學需要教師轉變觀念，讓學生在教師的指導下自主設計實驗思路，尋找解決問題的方法，結合實踐繼續探究，最終培養發現問題、解決問題的探究能力。核心素養理念下的生物學教學應以培養健康人、智慧人作為基本培養目標，在科學探究活動中構建核心概念、發展科學思維、樹立生命觀念、增強社會責任。下面以“DNA的粗提取與鑒定”的教學實施為例，探討生物學學科核心素養在高中生物學實驗教學中的實踐。

1教材分析

“DNA的粗提取與鑒定”是人教版高中教材中選修1模塊中的內容，在高考中為b級實驗考點。本節課設計由傳統實驗教學中學生按步就班、機械地進行操作，改為由學生自主探究的模式，學生按改進的實驗方法主動去探究實驗過程，獲得實驗結果，有效地提高了學習興趣和探究能力。通過反復多次實驗，學生得出結論：以植物花椰菜作為實驗材料，取材范圍廣，成本低，操作簡便且成功率高;而且整個實驗中不使用特殊的實驗器材，便于在所有中學中能推廣和應用。

2學情分析和設計思路

學生已經學習了DNA分子結構和復制的相關知識，對DNA分子已經有了一定的認識，這為本節課的學習奠定了基礎。但本節課對實驗探究能力要求較高，實驗操作中，教師應強化規范操作，引導學生對實驗設計進行調整和改進。另外，學生需要在課外投入一定的時間和精力。該探究實驗的設計思路如圖1所示。

3教學目標

①能說出從生物材料中粗提取DNA的原理;②掌握DNA提取和鑒定的方法;③通過多種方法比較后，能夠探索出一種最為簡單、易操作、成功率高并且可以普遍推廣的DNA提取方法。

4實驗設計和操作

學生分成4個小組收集資料，討論、設計出本組的實驗方案（表1）。

5教學過程

5.1創設問題情境，激發學生探究興趣

教師展示DNA雙螺旋結構模型的圖片，引入課題：生物體內是不是真的存在DNA？引導學生對DNA粗提取和鑒定的實驗進行分析討論。

5.2設計問題，共同探究實驗原理和過程

教師引導學生思考：要提取的DNA主要存在于細胞的什么結構中？如何將它提取出來呢？怎樣才能破壞細胞結構？在選擇作為DNA提取材料時需要考慮哪些因素呢？提供了幾種常見的動植物材料，思考這些材料是否適合用于進行DNA粗提??？以動物細胞或者植物細胞作為材料，如何獲取DNA？

設計意圖：教師利用一系列問題串，以此展示本節課的思路，激發學生思考和討論的熱情，培養學生分析問題、解決問題的能力。

5.3教師引導學生分析討論

學生在課前查閱大量資料，分成4個興趣小組，通過思考下列問題，選擇實驗材料：①選擇這種材料是否可行？②提取DNA的難易程度如何？③最后提取出來的DNA的量是多還是少？④DNA的鑒定結果是什么？最終，小組討論并設計出DNA的提取方案;并由每組組長在全班匯報。

①第一組以雞血作為實驗材料，進行DNA粗提取。操作程序復雜，耗時長，實驗條件不易控制，再加上學生實驗操作技能相對較弱，所以每增加一次實驗步驟，就會損失相當部分DNA，特別是多次過濾和添加0.14mol/LNaCl的人工調節，操作不當會導致實驗失敗。

②第二組以洋蔥為材料，添加嫩肉粉以除去蛋白質。學生普遍認為第二組成功率較高，能夠提取出的絮狀物較多，且操作過程簡單，易掌握。

③第三組以花椰菜為材料，高溫變性除掉蛋白質。將濾液放在60～75℃恒溫環境中保溫10～15min，經反復實驗，發現需要影響實驗最關鍵的環節是控制好具體溫度。因此要確定實驗的合適溫度，還需要做一定量的實驗。

④第四組也是以花椰菜為材料，不做任何特殊處理。得到濾液后加入冷酒精，也能得到較多絮狀物，但DNA純度比前三組要差，在鑒定時只能加入少量提取物，否則出現的藍色效果不好。而且，溶液中加入二苯胺加熱后有時會發白，觀察不到藍色反應。

6實驗教學實施過程中的注意事項

（1）在進行實驗材料和方法選擇時，教師應引導學生充分發揮主觀能動性，多思考，多實踐。例如，花椰菜和洋蔥作為實驗材料，其DNA的提取量相對較多，但是用研缽研磨耗時長，雜質多，而且時間久了由于DNA酶的存在，會使DNA被降解。所以最好用研磨機統一對洋蔥進行研磨，形成研磨液后再分發給學生。向材料里加入洗潔精和食鹽時，應充分緩慢攪動，攪拌時玻璃棒勻速沿一個方向攪動，攪動太快，會出現較多泡沫，影響過濾。

（2）整個實驗探究過程持續時間長，有很多工作需要利用課外時間完成。學生先分組明確各自的課題，然后收集資料討論實驗方法，設計好實驗方案后進行實驗。學生在實驗過程中發現問題，自主探究以解決問題，可以提升科學探究的能力。

（3）教師在實驗過程中要不斷地引導學生，遇到問題要調整自己的實驗思路，改進實驗方法，最大限度地發揮主觀能動性，能更好地解決問題。例如，過濾時用5或6層紗布，雖可濾出較多的殘渣，如果使用離心機離心可能是獲得澄清濾液更好的方法。

（4）在交流討論的過程中，教師要重點提醒學生突出關于實驗設計的思考，進行實驗的過程中所遇到的困難及采取的措施，其他組的同學在交流的過程中也可以提出自己的疑問，或者給出相應的改進建議。這樣可以發揮集體的智慧，共同探究。

7教學效果及學生反饋

整個過程中，教師和學生為了找到一個合適的實驗方案，經過長時間的探究，最后確定以上四種實驗方案。學生通過合作交流，不但掌握了操作步驟和操作原理，還體驗了科學探究的過程，明確這四種實驗方案的優劣，提升了生物學學科科核心素養。在學生開展探究的過程中，教師需要時刻注意學生的實驗過程，引導正確的探究方向。在本節課的課堂實施過程中，教師和學生共同經歷由“學習一實踐一認識”向“再學習一再實踐一再認識”不斷循環的科學探究過程，教師和學生融合成為一個共同學習的群體。教師應該在準確把握教材的前提下，根據實際情況，適當地變驗證實驗為探究實驗，充分發揮實驗教學的作用。但是探究性學習并不是實驗教學活動的全部，教師應該結合具體的教學內容，采用多種不同的教學方法，最終達到課程的副示。