以實驗　促思維

徐丹丹 閆孟宸 顧濤

摘? ?要：本文以“動物細胞培養”為例，通過讓學生討論明確實驗目的、設計實驗方案，親歷“動物細胞培養的實驗探究”的過程，對實驗數據統計分析并得出一般規律，學習生物知識的同時指導健康的生活。闡述如何在高中生物實驗教學中培養學生的科學思維。

關鍵詞：動物細胞培養;科學探究;科學思維

生物學是研究生命現象和生命活動規律的科學，它具有與其他自然科學相同的性質。學習生物學既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法[ 1 ]。因此，本課題旨在通過討論明確實驗目的、設計實驗方案，親歷“動物細胞培養的實驗探究”的過程，對實驗數據統計分析并得出一般規律，學習生物知識的同時指導健康的生活，養成科學思維的習慣，形成積極的科學態度。

1? 高中細胞生物學內容分析

生命觀念是生物學核心概念的呈現方式，是貫穿本學科不同內容的主線，也是高中生可以學習和能夠理解的學習內容。學生對生命觀念的建立要以概念性知識的教學為基礎[ 2 ]。《普通高中生物學課程標準》（2017版）中與細胞生物學相關的大概念主要出現在兩個模塊。一是必修1《分子與細胞》中：細胞是生物體結構和生命活動的基本單位;細胞的生存需要能量和營養物質，并通過分裂實現增殖[ 1 ];二是選擇性必修3《生物技術與工程》中細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或產品[ 1 ]。前者為基礎知識內容，幫助學生形成結構與功能、物質與能量、穩態與平衡的生命觀念;后者既是對必修內容的擴展和應用，又是對生物技術和工程的認識和理解。

“動物細胞培養”一節內容是動物細胞工程中的基礎技術。通過本節內容的學習，學生需要領會“動物細胞培養是從動物體獲得相關組織，分散成單個細胞后，在適宜的培養條件下讓細胞生長和增殖的過程”這一重要概念。為了讓學生能夠深刻理解和應用這一重要的生物學概念，本節內容的學習應該結合實驗教學，結合理論知識培養學生獨立操作的能力，進一步加強對理論知識的理解，從而發展學生的生物學科核心素養。

2? 基于動物細胞培養技術的實驗教學

生物學科核心素養的形成需要教師給學生創造思考的情境和氛圍，實驗教學可以充分調動學生的學習激情，引導學生針對某一真實情境的問題進行積極的思考，在解決某一問題的過程中逐步提高學生的科學探究能力，嘗試提出多種解決問題的方法，不禁錮學生的思維，形成科學思維。

但是由于中學實驗儀器和教學時間的限制，相關實驗教師常以講解實驗和觀看視頻進行教學。本課題組與大學實驗室合作，在讓學生體驗動物細胞培養技術的基礎上，加入相關實驗變量調整，提升學生科學探究水平。

2.1? 從生活出發，確定研究問題

癌癥風險是目前人類發展和健康的主要障礙，如何科學有效地治療癌癥，哪些物質可以抑制癌細胞的繁殖，效果如何等問題成為同學們討論后一致認為比較關注的問題。隨后根據實驗室條件，確定實驗材料為人肺癌A549細胞株。

學生進一步討論并查閱資料，發現良好的生活習慣和飲食習慣是預防癌癥發生有效方法之一。結合實際的實驗條件，最終確定實驗問題：探究不同濃度的阿司匹林和維生素C對人肺癌A549細胞株繁殖的抑制效果。在集體激烈的討論過程中，學生需要考慮實驗的變量、實驗的科學性、可行性甚至已經在思考具體的實驗方案。教師的“放手”留給學生更多的空白，也留給學生更多的創造性，這一過程比任何言語都更有教育的意義。

2.2? 制定實驗方案

實驗方案的制訂需要考慮到實驗操作的可行性、科學性、對照實驗以及平行、重復等原則。在老師的指導下，小組成員通過閱讀相關的文獻和書籍資料，確定合適的藥物濃度。通過空白對照排除實驗中包括培養液等無關變量對細胞數目的影響。實驗數據的收集方案，學生利用教材中的知識，用臺盼藍染色后再計數以排除死細胞的干擾。

制訂合理可行的實驗方案是實驗能否順利開始的關鍵。“實驗員”們利用集體的智慧，充分利用課堂中所學習的實驗原理，“七嘴八舌”的討論過程比教師任何的語言都更有力量。最終確定的實驗方案如下：

復蘇細胞后，培養細胞增殖到一定的數量后消化。接種至96孔板，加不同濃度維C（實驗組6組+空白對照2組）和阿司匹林（實驗組6組+空白對照2組），每組平行重復。

維生素C組的濃度分別為0.1 mg/ml、0.4 mg/ml、0.8 mg/ml、1.2 mg/ml、1.6 mg/ml、2 mg/ml、4 mg/ml。阿司匹林組的濃度分別為1 mmol/l、4 mmol/l、6 mmol/l、8 mmol/l、10 mmol/l、12 mmol/l。對照組1加入培養液和等量的細胞，不加任何藥物。對照組2僅加入細胞培養液，不接種細胞，不加入任何藥物。每組實驗均設置五個平行對照組。每24小時觀察一次各組細胞的生長狀況，并取樣染色后計數。

2.3? 實驗方案的實施與優化

實施實驗方案的過程中，小組成員針對遇到的新問題，不斷優化和細化實驗設計方案。例如阿司匹林藥物用量非常少，在稱量時誤差較大，而且不容易完全溶解于水中。學生通過去藥店咨詢后換成阿司匹林泡騰片，并且增加配置的總液體體積，解決了由于稱量藥物過少而帶來的誤差。

在不斷的發現新問題，解決新問題的過程中，學生的科學思維不斷完善，對于科學探究實驗的過程也有體驗性、思考性的理解。培養了學生的創新能力、實驗操作能力、理論與實踐相結合能力。

2.4? 實驗數據的處理

通過實際的實驗需求和統計的數據類型，學生設計了用于實驗中細胞數目統計見表1。對實驗數據的收集以及實驗結果的處理也是科學探究中重要組成，學生通過收集實驗數據，處理實驗數據，通過實驗數據的處理初步得出實驗結果的過程中鍛煉了學生的思維能力，歸納與分析能力。在實驗實施的過程中，學生不僅僅理解掌握了動物細胞培養的基本操作，他們的思維也發生了遞進式的體驗，將已有的靜態知識活化為具體操作過程中的應用，逐步解決問題。

3? 教學反思

從真實的科學問題出發，讓學生親歷實驗的過程，有求知、有思考、有討論、有操作、有總結、有收獲。讓學生能夠在真實的問題情境中設計實驗、實驗操作、數據處理以及解決實驗過程遇到的各種“意外”。但介于本實驗的涉及到的實驗數據處理比較復雜，學生的能力發展并沒有到達真正進行科學實驗數據處理的水平，在最終實驗數據處理的科學性和有限性等方面還需要繼續優化。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通髙中生物學課程標準：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 劉恩山. 生命觀念是生物學學科核心素養的標志[J]. 生物學通報， 2018， 53（1）：18-20.