發展科學探究素養的探究性實驗教學策略研究
——以“細胞的衰老”教學為例

陳施

（福州第四中學，福建 福州 350009）

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》明確指出“科學探究”是生物學學科核心素養之一?！翱茖W探究”是指發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、設計實驗方案、動手操作、得出實驗結論及其交流與討論的能力。［1］研究表明，探究性實驗是發展學生科學探究素養的重要載體。［2］筆者嘗試以新課程人教版高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第6 章第3 節“細胞的衰老”探究性實驗教學為例，探索發展學生科學探究素養的途徑。

一、“細胞的衰老”探究性實驗教學設計與實施

“細胞的衰老”這一節內容是總結細胞生命歷程，促進學生全面認識細胞生長發育規律。微觀的細胞衰老狀態與特征卻是學生學習的難點。引導學生探究細胞衰老機制，旨在激發學生的探究欲望，突破這一學習難點。［3］鑒于學生不熟悉如何開展探究性實驗，加之課堂教學時間有限，筆者嘗試利用課外時間指導學生通過小組合作形式開展探究性實驗。

（一）提出問題，作出假設

首先，帶領學生觀察校園內植物，通過如何判斷植物是否衰老、借助植物的哪些特征可以佐證你的判斷等系列問題，引導學生觀察衰老的植物在形態、結構、功能上的變化。進一步引導學生提出衰老植物在葉片形態、葉綠體數量、細胞代謝速率等方面發生了怎樣的變化等問題。接著，作出細胞衰老特征的假設，如細胞衰老則葉片水分減少、葉綠體數量減少，光合作用和呼吸作用減弱等。根據學生提出的四種假設將其分成四個探究性實驗小組。

該教學環節注重引導學生運用已有的生物學知識，對現實生活中有關細胞衰老現象進行觀察與思考，培養學生發現問題、作出假設的能力。

（二）設計探究性實驗方案

應用任務驅動方式，引導各小組根據所提出的假設，利用周末確定探究主題，選擇探究方法，設計實驗方案。由于學生是初次獨立進行探究性實驗方案設計，應重視引導學生運用所學知識、查閱相關資料以獲取實驗方案設計靈感，并指導學生從科學性、可行性等方面修正實驗方案。最終確定“探究衰老植物細胞水分含量變化”“探究衰老植物細胞通透性變化”“探究衰老植物細胞光合色素和葉綠體含量變化”及“探究衰老植物細胞呼吸作用變化”四個方案。

該教學環節引導學生利用所學的知識，設計探究性實驗方案，培養學生的科學思維能力與創新精神。

（三）實施探究性實驗方案

全天開放生物實驗室，提供充足的實驗設備器材供學生使用。學生以校園植物作為實驗材料，利用一星期左右的課余時間完成各自的探究性實驗，初步認識植物細胞的衰老特征。

第一組學生以八角金盤為實驗材料，應用酒精燈灼燒法，開展“探究衰老植物細胞水分含量變化”實驗。通過觀察水蒸氣的產生量，得出衰老植物細胞水分含量減少這一實驗結果。第二組學生實施“探究衰老植物細胞通透性變化”實驗。以新鮮的玉米粒和干玉米粒為實驗材料，將兩者切開后放入紅墨水中染色漂洗，通過觀察玉米粒著色情況，得出衰老植物細胞通透性增大這一實驗結果。第三組學生開展“探究衰老植物細胞光合色素和葉綠體含量變化”實驗。利用高倍顯微鏡觀察八角金盤葉綠體，以及提取和分離八角金盤綠葉中色素，探究發現與新鮮植物相比，衰老植物細胞的葉綠素和葉綠體含量減少。第四組學生進行“探究衰老植物細胞呼吸作用變化”實驗。采用相關探究實驗設備，將同一植株上形狀大小相近的銀杏、八角金盤的新鮮葉片、衰老葉片與枯萎葉片置于暗處處理24h，放入密閉遮光的容器中，檢查氣密性和遮光性后，通過測量單位時間內密閉容器中CO2變化量，發現呼吸作用強度：新鮮葉片>衰老葉片>枯萎葉片，發現衰老植物細胞呼吸作用減弱（圖1?2）。

該教學環節旨在引導學生學習科學探究的基本思路與方法，提高規范使用實驗器具、實事求是地記錄與分析實驗數據、得出正確結論的科學探究能力及團隊合作能力。

（四）實驗結果的展示與交流

建立、表達實驗結果及實驗結論能力是科學探究素養的重要組成部分，但在日常教學中卻易于被忽略。為了激發學生勇于表達與交流，可以展示各小組探究性實驗過程，請小組代表進行分析與講解，并引導學生針對四個小組實驗過程、方法及結果展開討論與交流，促進學生提出實驗修改方案，體驗科學探究的艱辛，明白科學是在不斷修正中發展的。

實驗結果的展示與交流有助于學生相互評價、自我反思，從不同角度審視自己及他人觀點，正確認識有關細胞衰老的知識，提高學習成就感及表達交流能力，形成自主學習的良性循環。

二、“細胞的衰老”探究性實驗教學方式

探究性實驗是科學探究的主要形式，是高中生物學課程倡導的教學手段。探究性實驗的方式是多元的，既可以是引導學生自主設計實驗方案、動手操作實驗，也可以應用探究性實驗視頻及相關圖文資料，引導學生觀察與分析，領略科學探究過程。

（一）資料呈現，演繹推理

展示有關染色體端?？茖W實驗資料，引導學生提出假設1：細胞衰老是由其在分裂過程中因端?？s短產生DNA 損傷而造成的。并讓學生嘗試運用假設1進行演繹推理，解釋多莉羊早衰原因，以開放思維與辯證思維去感悟生命活動的復雜性。接著，引導學生觀察抗疫英雄鐘南山院士的照片、抽煙20 年與不抽煙的雙胞胎面容對比圖片、持續28 年送貨的貨車司機的兩邊臉對比圖片，結合有關自由基研究資料，幫助學生提出細胞衰老的假設2：細胞衰老是由其正常代謝過程中產生的自由基的有害作用造成的。最后，教師補充說明，上述兩個假設與目前較為主流的端粒學說及自由基學說一致，這兩種學說仍處于假說階段，有待科學驗證，細胞衰老的其他原因有待進一步發現。

（二）視頻展示，深化認知

探究細胞衰老的目的是正視衰老并正確預防衰老。可以應用央視相關新聞視頻，宣傳“養成良好的生活習慣，平衡膳食、規律作息”是預防衰老的正確方法，促進學生學以致用，嘗試應用所學的生物學知識解決日常生活中的問題及社會問題，培養學生獨立思考與批判性精神。應用頂尖學術期刊《nature》發表的抗衰老研究相關視頻，展示清除大腦中衰老細胞可改善神經退行性疾病、緩解認知衰退，并展示《cell》雜志發表的細胞重編程使得小鼠壽命延長30%的相關研究視頻，引導學生了解世界前沿的科學研究成果及趨勢，進一步深化對有關細胞衰老知識的正確認識。

三、“細胞的衰老”探究性實驗教學反思

在“細胞的衰老”這節課中，學生實地觀察校園植物，通過一系列探究性實驗，體驗實驗設計的科學性、可行性，學習運用實驗中單一變量的控制等科學方法，認識生命活動的復雜，與科學家的鉆研精神共情，增強實驗操作技能，發展科學探究核心素養。當然，學生設計的探究性實驗方案存在的不能完全控制單一量、沒有進行平行重復實驗等問題均有待改進。