淺談開展課外實驗對學生科學思維與實驗探究能力的培養
——以“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例

云南

隨著《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》對學生科學思維與實驗探究能力的要求越來越高，筆者以學生開展的課外生物實驗“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例，詳細介紹了在實驗設計、實驗操作、實驗結果分析與評價三大環節中培養學生的科學思維與實驗探究能力的過程，以期提升學生的學科核心素養。

1.開展課外生物實驗的背景

隨著新課程的改革，近年來人們逐漸認識到實驗教學在高中生物教學中，尤其是在落實學科核心素養中發揮著極其重要的作用，各學校都在大力支持、推進開展實驗教學的相關課程，然而因課堂教學時間有限，為突破時間、空間限制，有必要將實驗教學從課堂延伸到課外。在課外實驗教學中，教師只需發揮引導作用，更多的是小組學生合作探究學習。江西省的陳金喜老師在文章中提出通過高中生物實驗的課外活動，能有效提高學生觀察和動手實踐等能力，培養學生的創造性思維。“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”是人教版高中生物教材選修1 中的實驗，鑒于本實驗存在實驗周期長、實驗操作難度大等問題，所以筆者將本實驗教學安排為在教師的引導下到課外去開展的形式，參加成員為學校生物研究社的學生。通過實踐證明，在開展課外實驗的過程中，每一個環節都能很好地培養學生的科學思維與實驗探究能力。

2.科學思維與實驗探究能力培養的過程

2.1 通過實驗設計培養學生的科學思維和實驗探究能力

在正式開展實驗之前，學生首先要進行實驗設計，包括要了解需要用到的實驗器材和實驗方法。學生需要到實驗室去核查有無相應的實驗器材，若有則需查閱儀器的使用方法以及化學試劑的配制方法；若無相應器材則需購買或者改變實驗方法采用其他器材代替。在設計實驗方法的過程中，關于土壤的取樣、選擇培養基的設計、稀釋涂布平板操作中稀釋倍數的確定、統計平板上菌落數目的方法等諸多問題都引起了小組同學的激烈討論，之后他們就去查閱課本和資料，請老師指導，最終完成預實驗方案設計。在這個環節中，小組成員間實現了科學思維的碰撞，同時也提升了學生作答實驗探究類題目的能力。

2.2 通過實驗操作培養學生的科學思維和實驗探究能力

學生在按照預實驗設計方案開展實驗的過程中，實驗進展可能不太順利，導致實驗結果不是自己所預期的。比如把稀釋涂布平板操作中的稀釋倍數確定為104、105、106，結果所有選擇培養基平板上的菌落數均小于30，不符合進行下一步計數分離尿素的細菌實驗的條件。再比如用酚酞代替酚紅進行脲酶鑒定，結果沒有出現指示劑變紅的現象。在實驗失敗后，小組同學分析了實驗失敗的原因，明確問題所在，并及時調整實驗方案再次嘗試。如“平板上菌落數均小于30”的問題，學生經仔細閱讀課本后才發現“測定土壤中細菌的總數一般選用104、105、106倍稀釋梯度的稀釋液，而測定土壤中某類特定的細菌，因土壤樣品的差異性，在第一次做分離細菌實驗時為得到菌落數在30～300 的平板，最好將稀釋倍數放寬一些”，于是學生把實驗方案調整為“分別將103～107倍5 個稀釋梯度的稀釋液涂布至平板上，在35℃下培養48 h 進行觀察統計”，實驗結果顯示，在103倍的稀釋梯度下可得到符合要求的平板（菌落數為90 左右）。再比如“指示劑未變紅”的問題，學生經查閱資料發現酚酞的變色范圍是pH在8.2～10.0，而酚紅的變色范圍是pH 在6.8～8.0，即酚紅在低pH 下會變為紅色，而且反應靈敏，因此不能用酚酞代替酚紅用于脲酶鑒定，學生后來又重新購買酚紅再次嘗試，實驗獲得成功。在實驗操作的過程中，一方面培養了學生仔細研讀課本、科研資料的好習慣；另一方面在發現問題和解決問題的過程中發展了學生的科學思維和實驗探究能力，使他們養成實事求是、思維縝密的科研好習慣。

2.3 通過實驗結果分析與評價培養學生的科學思維和實驗探究能力

學生在對實驗結果進行分析與評價時，發現了實驗中存在一些不嚴謹的地方，導致實驗結果不太可靠，于是他們對實驗進行完善補充。比如在觀察、記錄選擇培養基平板上菌落的特征時，學生發現有菌落連到一起的現象，于是他們提出了2 個問題：（1）一個菌落有沒有可能是由多種細菌融合形成的？（2）形狀、大小、顏色等相似的菌落有沒有可能是由不同類型的菌種形成的？在思考討論之后，學生認為不能利用初篩的平板來記錄菌落的特征，要對初篩的菌落進行進一步的分離純化，而且要進行細胞水平的顯微鏡觀察，最后再記錄菌落的特征。再比如在對分解尿素的細菌進行計數時，有的學生提出“在以尿素為唯一氮源的選擇培養基上長出的細菌不一定能分解尿素，有可能是它離能分解尿素的細菌距離很近，可以直接利用尿素分解完的產物，因此有必要進行進一步的鑒定，鑒定呈陽性菌后再進行計數”。針對“記錄菌落特征”的問題，學生將選擇培養基上不同特征的菌落采用平板劃線法分別接種到新的選擇培養基上，35℃下培養48 h，并進行革蘭氏染色，之后在1 000 倍的油鏡下顯微觀察，結果如圖所示：A 型菌落白色、球形、凸起、邊緣整齊、濕潤，革蘭氏染色為紫色、細胞呈球狀；B 型菌落黃色、球形、凸起、邊緣整齊、濕潤，革蘭氏染色為紫色、細胞呈桿狀；C 型菌落白色、扁平、邊緣不規則、干燥，革蘭氏染色為紅色、細胞呈球狀。

選擇培養基上的菌落形態及革蘭氏染色顯微圖

針對“分解尿素的細菌鑒定”的問題，課本上只是很簡單地介紹了原理和方法，沒有具體的操作步驟，學生采用類比推理的研究方法，參照選修1課本上的“分離纖維素分解菌”的實驗對“酚紅加入的時間”和“固、液培養基鑒定比較”2 個問題展開了深入探究。針對“酚紅加入的時間”，他們設計了“在培養基滅菌之前加入酚紅”“在培養基滅菌之后分解尿素的細菌長出之前加入酚紅”“在分解尿素的細菌長出之后加入酚紅”3 個實驗組進行對比，對A 型菌進行了探究，結果顯示只有在滅菌之后加入酚紅指示劑才會變成紅色，且無論在分解尿素的細菌長出之前或之后加入顯色效果均很明顯。學生又利用孟德爾的“由少到多、由簡單到復雜”的研究方法，鑒定了B 型菌和C 型菌，結果與A 型菌相同?；凇半迕笇儆诎饷浮边@一推測，依據假說-演繹的研究思路，學生首先提出假設：液體培養基鑒定比固體培養基鑒定效果更好。接下來他們在分解尿素的細菌長出之前和之后分別加入酚紅指示劑，用量為每200 mL 的培養基加入5 mL 2 g/L 的酚紅指示劑，首先挑取A 型菌接種到試管液體培養基中，在35℃、100 rpm 的條件下進行培養，結果在培養20 h 左右，酚紅指示劑均變成紅色，且效果很明顯。學生又用同樣的方法鑒定了B 型菌和C 型菌，均在培養20 h 左右出現明顯的紅色，均證明菌落為脲酶陽性菌，與固體培養基鑒定結果一致，最終通過實驗驗證了學生的假設“液體培養基鑒定效果更好”是正確的。在這一環節中培養了學生嚴謹的科學研究習慣，把他們的科學思維向更深的層次進行了拓展和延伸，通過“脲酶液體鑒定”這一改良實驗，讓學生學會運用所學知識來創新性地解決當前所遇到的實際問題，真正有效地培養了他們的實驗探究能力。

教師在引導學生分析“選擇培養基是否起到篩選作用和實驗所用培養基是否滅菌合格”這些問題時，要讓學生去觀察比較“選擇培養基”“牛肉膏蛋白胨培養基”“不接種的空白培養基”的菌落生長情況，學生會發現選擇培養基上的菌落數遠小于牛肉膏蛋白胨培養基上的菌落數，而空白培養基上沒有菌落生長，由此得出結論：選擇培養基的確起到篩選的作用且培養基是滅菌合格的。之后教師再來強調實驗設計中要遵循“對照原則”“平行重復原則”“單一變量原則”等實驗設計原則的意義。并讓學生反思在他們的實驗設計中有沒有必要遵循這些原則，若有必要，該實驗設計是否遵循了這些原則。通過這一環節有效地培養了學生對實驗設計遵循原則的理解和認可。

3.總結與展望

在本節課外生物實驗中，學生參與了整個課題研究過程，包括實驗設計、實驗操作、實驗結果分析與評價，使學生熟練地掌握了微生物實驗的一般研究思路方法和常用技術手段，極大地提高了學生微生物實驗操作的能力，同時通過理論和實踐相結合，教會了學生在發現問題后要學會查閱資料、討論交流，然后對實驗方案進行完善，讓學生在實驗中理解科學方法的本質，加深對實驗探究和科學思維的體驗，讓課外生物實驗成為最能幫助學生培養科學思維和實驗探究能力的載體，讓其發揮提升學生學科核心素養的作用。本課題的研究并不僅局限于上文中提到的內容，對于學有余力的同學，可以進一步去探究如何設計實驗來比較各種分解尿素的細菌的分解能力。通過進一步地思考與探究，相信學生科學思維和實驗探究能力會得到更大的提高。