生物實驗與學科核心素養培養的珠聯璧合
——淺談“生物體維持pH 穩定的機制”實驗的教學設計

內蒙古

“生物體維持pH 穩定的機制”是人教版教材必修3 第一章的實驗，是在學生對內環境穩態的相關知識有了初步了解后所設定的一個實驗，是《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》中建議的一項實驗探究活動，其目的是通過觀察向純凈水、緩沖液和生物材料中加入酸或者堿后溶液pH 的變化，來推測生物體是如何維持機體酸堿平衡的。內環境穩態的相關內容比較繁雜，每一種調節方式都以不同的機制和方式呈現，學生理解和記憶起來較為困難。為了讓學生對這一部分的內容有更充分的理解，能系統地掌握相關知識，并解決相關問題，筆者對該實驗進行了調整和改進，取得了較好的教學效果。

一、創新實驗過程，培養實驗設計能力

1.實驗用具

用dislab pH 傳感器代替pH 試紙，此操作可縮短實驗時間，保證實驗在1 課時內完成，實驗結果也更為直觀。另外，利用pH 傳感器可以得到較為直觀的數據和曲線，通過對實驗結果的分析培養學生處理數據和分析數據的能力，這對于學生日常學習中利用曲線模型解決問題也有一定的促進作用（下面的圖示分析是部分傳感器上的數據截圖）。

2.實驗材料

生物實驗材料選擇的是生活中比較常見易獲取的黃瓜、西紅柿和雞蛋，不僅可以通過觀察加入酸或堿后溶液pH 的變化推測生物維持酸堿平衡的機制，還可以對比不同生物材料之間緩沖能力的大小。

3.實驗處理

實驗課的處理改變了以往教師給出實驗操作步驟，學生按照實驗步驟操作即可的模式。而是把實驗目的在實驗前告訴了學生，并和學生一起討論合適的實驗設計，也就是說這節課不是簡單的重復操作，而是實驗設計、材料準備以及實驗中一些問題的解決都由教師和學生共同完成，這個過程不僅培養了學生的實驗探究能力，更培養了學生的創新能力、獨立思考能力和團隊合作能力。

4.情境導入

在實驗教學中改變了直入主題的教學方式，而是選用“紫甘藍汁的酸堿指示劑作用”的小實驗進行導入，通過花青素在不同pH 條件下的顏色變化，吸引學生的注意力，并激發他們去探究生物在獲取營養物質或者新陳代謝的過程中酸性物質或堿性物質進入內環境后是否能維持內環境pH 的相對穩定，若能，通過什么樣的機制來維持？從而引出該實驗。

二、科學分析實驗結果，培養科學思維

1.生物材料具有緩沖能力

由圖1、圖2 可知，在加入堿（NaOH）或酸（HCl）后，不同實驗材料的pH 變化不同。且可以看到水的pH 變化較大，緩沖溶液的pH 基本沒變，兩種生物材料稀釋液的pH 與水相比變化較小，但并不是我們在日常教學中給出的模式曲線。此現象說明生物材料中存在緩沖物質，但它們的緩沖能力是有限的。

圖1 加入NaOH 后溶液pH 的變化

圖2 加入HCl 后溶液pH 的變化

2.不同生物材料之間緩沖能力的比較

2.1 不同生物材料稀釋液的pH 不同

圖3、圖4 是不同生物材料稀釋液加入酸（HCl）或堿（NaOH）后pH 的變化數據，可以看到不同材料稀釋液的pH 是不同的：西紅柿稀釋液是偏酸性的，蛋清稀釋液是偏堿性的，最有意思的是蛋黃和蛋清只是隔著卵黃膜，蛋黃稀釋液卻是偏酸性的，二者稀釋液的pH 差別還比較大，學生很疑惑，為什么會有如此大的差異？筆者并沒有給學生明確的答案，而是就此現象引導學生課下通過查閱資料解決疑惑，從而培養學生查找信息、處理信息的能力。課后學生反饋的結果是由于蛋黃中不飽和脂肪酸含量較高，蛋清中含堿性基團的蛋白質較多，所以稀釋液呈現出不同的pH。由此看來，即使是一個簡單的實驗現象，只要去認真地觀察和思考，也會發現有很多需要解決的問題。同時借助于這個過程讓學生通過自主學習獲取知識，突破實驗中生搬硬套的“模擬學習”，教學效果要好很多。其實這個實驗現象給學生帶來的困惑并不止于此，學生依然對這種成分的差異很疑惑，這種現象對小雞的發育會有什么影響？這實際上又是一個新的研究課題。通過這樣的“懸疑”，進一步激發了學生探究的動力。

2.2 不同生物材料稀釋液的緩沖能力不同

從圖3、圖4 中，可以看到西紅柿稀釋液的緩沖能力較強，蛋黃稀釋液的緩沖能力是最弱的，為什么會有這樣的現象？學生討論后給出了較為合理的解釋：小雞的發育過程中物質的變化相對較小，而西紅柿由小長大、由綠變紅的發育和成熟過程中物質變化較大，對緩沖能力的要求較高。實驗不是終止于實驗結果，更重要的是去激發學生更多的思考和探索。通過這樣的過程，不僅培養了學生尊重客觀事實的科學精神，更讓學生學會了如何科學合理地處理實驗中問題的科學思路。

圖3 不同生物材料加入HCl 后pH 的變化

圖4 不同生物材料加入NaOH 后pH 的變化

三、透析實驗中的生活現象，培養健康的生命觀

pH 傳感器可以呈現溶液在加入酸或堿后pH 的動態變化，圖5 是蛋黃稀釋液與西紅柿稀釋液在加入酸或堿后pH 動態變化的曲線。通過這樣的動態變化能更直觀地比較這兩種材料的緩沖能力。它們的共性是在加入過量的酸或堿后，pH 都會發生明顯的變化，這說明生物材料的緩沖能力是有限的。筆者引導學生聯想到，若這種現象發生在人體內，可能會引發一些疾病。所以在實驗操作結束后，學生對實驗結果有了直觀體驗的基礎上，筆者引入“呼吸性堿中毒”（由于肺過度通氣導致血液中CO2減少、pH 升高導致的疾病）的病例。通過視頻展示了呼吸性堿中毒的癥狀以及解決辦法，即通過用塑料袋或紙袋罩住患者口鼻，使呼出的CO2重新吸入來減輕癥狀。通過這樣的學習歷程，不僅讓學生明白酸堿失衡對機體健康的影響，同時也獲取了相應的醫學常識，進而培養了學生正確對待健康和生活的生命觀。

圖5 蛋黃與西紅柿稀釋液緩沖能力動態曲線截圖

四、建構概念模型，梳理知識脈絡

基于實驗中對生物材料維持pH相對穩定的直觀體驗，筆者在實驗后進行了課題延伸。讓學生借助于實驗并結合教材的內容，構建內環境穩態的概念模型。通過這一項教學活動，將內環境中比較瑣碎的知識系統化，重新整合知識并建立知識之間的聯系，形成知識網絡，讓學生從整體上系統地把握了內環境穩態的相關知識。圖6 是學生構建的概念模型。

五、反思教學過程，切合高考命題

1.pH 傳感器的實驗現象較為直觀，效果更好；而且也能夠明顯縮短實驗時間。

2.通過給出實驗目的，讓學生自主設計、分析實驗，并通過實際操作檢驗實驗方案的可行性，從而明確實際設計應該注意的問題和遵循的原則。生物是一門實驗性學科，日常教學中教師不僅要教會學生如何分析實驗、對錯誤的實驗進行修正，還要讓學生學會通過設計實驗來達到實驗的目的。這一點在高考中也有所體現，例如從2019 年全國卷中都有涉及對實驗思路設計的考查，尤其是全國卷Ⅰ第29 題第3 問，需要用較長的語言描述實驗思路。期望通過這樣的教學模式提升學生這方面的能力。

3.通過實驗設計層層深入，從現象到本質引導學生構建模型。利用模型構建簡化原有知識，建立知識之間新的結構和聯系。讓學生對知識有了更系統的把握，同時也培養了他們的邏輯思維能力。

4.通過對穩態失衡相關疾病的引入，豐富了學生的生活常識，也讓學生學有所用，通過所學的知識解釋相關的生活現象。

實驗可以人為地變革、控制或模擬研究對象，使某一些事物（或過程）發生或再現，從而去認識自然現象、自然性質、自然規律。模型法是以建立模型來揭示原形的形態、特征和本質的方法，是邏輯方法中的一種特有形式。本實驗設計通過實驗過程為理論教學提供事實支撐，進而構建概念模型，從現象到本質地獲取知識，符合學生的認知規律，讓學生對知識的把握更準確、牢固。通過模型的應用，使學生思維活動的條理性和針對性更強，二者相輔相成，相得益彰，使教學更有成效。實驗教學過程中，將生物學科核心素養潛移默化于教學之中，跳出傳統的以“教”和“模擬”為主的實驗教學模式，讓學生的科學探究、科學思維及健康的生命觀念都得到了有效的培養和提升。