基于生物學核心素養的生物實驗教學實踐探究

摘要：高中生物課程的核心組成之一是生物實驗教學。實驗教學能引導學生認識生物學大概念，提高學生生物核心素養，是實現知識向能力轉化的關鍵，是培養學生科學思維能力和科學探究能力的重要途徑。本文以植物細胞失水和吸水實驗為例，探究生物學科核心素養理念指引下實驗教學新模式，培養學生實驗探究能力、動手能力，提升學科素養，增強學科魅力，落實立德樹人根本任務。

關鍵詞：實驗教學 探究能力 主體性 立德樹人 生命教育

一、設計意圖

人教版高中生物學課程設計的基本理念是以培養學生的學科核心素養為宗旨，內容聚焦大概念，教學過程中重視實踐過程，促進學生全面發展。生物學是一門實驗科學，生物學實驗教學是高中生物課程的核心組成之一，實驗教學能幫助學生更好地理解生物學大概念，增強學生生物核心素養，是實現知識學習向能力提升轉化的關鍵，能夠很好地培養學生科學思維能力和科學探究能力。本文基于對《普通高中生物學課程標準》的理解、中學生物教學實際以及高中生認知水平的充分考量，提出高中學生要具備實驗探究能力，即在對所學實驗的學習和實踐后，能夠對相關生物學問題進行科學研究，如提出有價值的問題、分析問題、根據已有知識做出假設，設計實驗、預測實驗結果并得出實驗結論或做出解釋。通過對近些年高考試題的研究，我們發現高考對實驗的考查在不斷創新，考查形式更是靈活多樣，所涉及的題型大致可以歸納為三類：一是教材實驗，主要是考查書本實驗的基本原理、方法步驟、實驗方案的修訂能力；二是以實驗為背景的試題，主要是考查相關知識、科學思維以及對實驗現象的分析能力；三是相關的實驗設計思路、實驗結果的預測、分析、評價，是對學生更高層次的考查。如2017年全國卷Ⅰ第29題，考查學生利用科學的實驗方法——放射性同位素標記法探究一種新出現的病毒。還有2019年全國卷Ⅰ要求學生簡要寫出實驗思路和預期結果。

因此，本文以高中生物學的第一個探究實驗“植物細胞失水和吸水”為背景，探究實驗教學模式，在教學過程中注重培養學生實驗探究能力，發現問題、解決問題的能力，讓學生真正成為實驗課的主體，激發學生的求知欲和好奇心，充分發揮其主觀能動性，從而提升學生學科素養，增強學科魅力，落實學科育人價值。

二、問卷調查，了解學情

要想設計出符合學生發展需要的實驗教學模式，首先要了解學生。于是我們學科組利用問卷星進行了一項調查活動，在全校400名學生中隨機選取68名同學進行“高中生物實驗問卷調查”，調查結果顯示：有98.53%的同學對生物實驗課很感興趣，并且非常期待走進實驗室親自做實驗；有72.06%的同學了解探究實驗的一般步驟，100%的同學愿意積極參加實驗活動，79.41%同學傾向于在實驗課上自主探究，不拘泥于教材實驗?；趯W情分析，我們深刻體會到生物實驗課一定要拋棄“講實驗”，而要真正“做實驗”。

三、設置情境，主動探究

教材中選擇洋蔥外表皮作為實驗材料，因其含有紫色的中央大液泡，便于觀察。學生質疑：沒有紫色液泡的內表皮是否有明顯實驗現象？為了很好地解決這個問題，教師引導學生對內表皮進行探究。因植物細胞結構的特殊性，無論是吸水或是失水，細胞的體積基本不變，但植物組織的變化就很明顯。相關題型的考查也經常出現，有過考查馬鈴薯塊莖失水后是變軟還是變硬的習題。這對于沒有生活經驗的學生很難理解。生物學是以實驗為基礎的科學，為了使學生對這一現象有更清晰直觀的認知，更是為了增強學生的實驗探究能力和實驗設計能力，筆者在課本原有實驗的基礎上，增加了“蔥花”實驗，利用生物學實驗的美感來提升學生對生物實驗的興趣。

在以往的實驗教學中，都是實驗教師提前準備好實驗材料、試劑、儀器等，教師“教實驗”，學生們“學試驗”或者只做驗證性實驗。為了提升實驗課的趣味性，引導學生自主學習，提升其動手能力，本節實驗課的材料洋蔥、大蔥、蘿卜、萵苣、土豆以及配置質量分數分別為10%、20%、30%、50%的蔗糖溶液，全部交給學生自己準備。這樣一開始就讓學生參與進來，體現學生的主體地位。教師還要要求學生自主復習課本中相關理論知識，如成熟植物細胞質壁分離的內因和外因、探究實驗的一般步驟等，為實驗教學能夠順利進行創造有利條件。

四、實驗課堂，開放有趣

傳統的實驗教學中，教師先介紹實驗原理、步驟、注意事項、實驗現象，甚至實驗誤差都提前分析好等。學生按照規范的步驟進行，不容許出錯。老師欣賞的是按部就班、墨守成規的學生，學生成了不思考的機械操作者。很多時候，教師更是把探究實驗做成了驗證實驗，忽視了學生創新思想和行為的培養。這種教學模式沒有給學生思考的空間和余地，抑制了學生學習的主動性和思考的獨立性，久而久之，學生對實驗課的熱情就會消失，甚至會覺得生物知識的學習也枯燥乏味。而生物學科核心素養理念要求教師引導學生形成科學思維，并獲得科學探究的能力。為了達成這一目標，我們從問題情境出發，讓學生在問題情境中生疑、解惑，促進學習，這樣才能使學生產生濃厚的興趣，體驗科學探究的樂趣。例如，在植物細胞失水和吸水（質壁分離）實驗中，學生按教材建議選擇紫色洋蔥鱗莖外表皮作為質壁分離實驗的材料，現象明顯。但是在操作的過程中學生發現：外表皮難以撕取，易出現多層細胞、色素流失等問題，影響觀察效果。學生質疑：高中生物教師用書中認為新鮮的紫色洋蔥鱗莖外表皮是該實驗較為理想的材料，而教材中沒有用其他材料進行相關的實驗探究，是不是其他材料就不合適？是否有其他材料可以替代？教師引導學生：在生物實驗材料的選擇上要本著低成本、無污染、來源廣的原則。學生結合已有的科學文化知識和生活經驗，提出問題：用沒有紫色液泡的內表皮就真的觀察不到質壁分離現象嗎？在求知欲的驅動下，學生們將實驗材料改為內表皮，并通過適當降低顯微鏡的亮度，清晰地觀察到了原生質層與細胞壁分離及復原現象，而且材料非常容易撕取和制片。

教師繼續引導思考：能否通過改變實驗試劑讓內表皮也呈現顏色？很多同學想到在蔗糖溶液中加入紅墨水，預測能看到細胞壁和原生質層之間是紅色的。實驗結果也證實了實驗假設的合理性。

問題引領：質壁分離現象發生的外因是細胞所處的外界溶液的濃度大于細胞液的濃度，而教材中用的是質量分數為30%的蔗糖溶液，用其他濃度的溶液是否會發生該現象呢？學生利用提前配置的不同濃度的蔗糖溶液再次實驗，自主分析實驗結果發現：用質量分數為30%的蔗糖溶液，細胞失水現象在1分鐘左右就可以呈現出來，且不易消失。用質量分數為20%的蔗糖溶液，要5分鐘后才能看到原生質層與細胞壁逐漸分離且沒有用質量分數為30%的蔗糖溶液現象明顯。用質量分數為50%的蔗糖溶液，則失水太快，不利于學生對實驗現象觀察。由此可見，質量分數為30%的蔗糖溶液更適合做該實驗。

教師要注意引導學生分析這一結果的實際應用，如，如何設計實驗探究植物細胞液的濃度；分析當植物細胞不再失水時或者不再吸水時，細胞液濃度與外界溶液濃度的關系；動物細胞吸水和失水達到動態平衡時，細胞質濃度與外界溶液濃度的關系。從而促使學生將從實驗教學中學習的知識和總結的規律用于解決生物學問題，培養學生解決問題的能力。

五、拓展實驗，精彩繼續

為了進一步提升學生的核心素養，教師可以引導學生思考：植物細胞吸水和失水后，細胞體積的變化不易觀察到，如何利用材料設計實驗，將這一微觀現象直觀化？提示學生將大蔥切成段，并將蔥段的一端剖成數瓣，分別放在清水和不同濃度的蔗糖溶液中。30分鐘后，學生驚喜地發現：在清水中大蔥開出美麗的“花”；在質量分數為10%的蔗糖溶液中大蔥“開花”現象也較明顯；在質量分數為20%的蔗糖溶液中大蔥“開花”現象不明顯；在質量分數為30%的蔗糖溶液中大蔥不但沒有開花，反而有明顯的皺縮現象，用手觸摸“花瓣”，感覺非常柔軟。學生很容易感知植物細胞因吸水而堅挺，因失水而皺縮柔軟。通過這一實驗，學生獲得生物學知識的直觀體驗。

教師引導學生對花瓣彎曲的角度做定量分析，也可以培養學生的生物學科核心素養。測量發現，大蔥在20%蔗糖溶液中彎曲角度不明顯，在30%蔗糖溶液中幾乎不彎曲，說明大蔥組織的等滲溶液的范圍應該為20%蔗糖溶液和30%蔗糖溶液。通過這種方法，可以判斷植物吸水和失水的濃度范圍，指導農業生產，做到合理施肥、合理灌溉。

最后的驚喜是，兩位同學利用土豆條和萵苣條，自主設計實驗探究不同植物吸水和失水現象的區別，結果發現萵苣的失水現象不如土豆明顯，為之后開展植物細胞吸水和失水實驗的選材提供依據。

六、總結評價，促進發展

這是一節內容豐富、不拘泥于傳統的生物實驗課，是一節開放式的實驗課。課堂中，教師首先更新教學思想，不為追求教學進度而采取灌輸式教學，也不采用手把手教學，而是不斷啟發引導學生提出有價值的問題，以問題為導向，驅動整節課有條不紊地進行。在核心素養的背景下，教師要放手讓學生自主探究，鼓勵學生之間交流合作，給予學生更多實踐操作的機會，并在恰當的時候給予指導和肯定，使學生的主觀能動性得到充分發揮，真正成為實驗課堂的主體。在教材原有實驗的基礎上，教師有意地增加了實驗課的內容，使課堂更加飽滿、有厚度。在本節課的最后，學生自主設計實驗、完成實驗報告和結果分析，說明學生已經具備成為生物實驗創新者的潛質。最后，本節實驗課，課堂氛圍活躍，過程流暢緊湊，給學生帶來良好的實驗體驗。讓學生自主掌握實驗過程及相關實驗思想，深入觀察和定量分析實驗結果，促使學生真正意義上感受生物實驗的樂趣，激發學生學習高中生物的興趣，充分體現生物實驗在知識傳授和技能訓練之間的橋梁作用。有效地開展高中生物實驗教學，還能夠引導學生探索生物的奧秘，樹立正確的生命觀，培養其實踐能力和創新思維，促進學生學科核心素養的發展，真正落實立德樹人的根本任務。

參考文獻：

[1]陳加敏.植物分生組織細胞質壁分離的實驗探究[J].生物學教學，2015（2）：39.

[2]崔愛愛，范愛平.基于生物學核心素養的實驗教學研究——以“模擬動脈粥樣硬化對血液影響”為例［J］.中學生物學，2019（3）：42－43.

[3]季浩.高中生物實驗教學新思［J］.文理導航，2021（2）：66.

[4]蘇洪波.重溫經典總結方法提升能力——以培養“科學探究能力”為例［J］.教學考試（高考生物），2020（15）：2528.

[5]羅惠峰.《中國高考評價體系》下實驗探究能力的考查與啟示［J］.教學考試（高考生物），2022（33）：5356.

[6]鄭香梅.例談基于科學思維和科學探究的模型模擬教學策略——以“性狀分離比模擬實驗”的拓展與實踐為例［J］.中學生物學，2019（3）：4850.

責任編輯：黃大燦