基于核心素養提升學生探究能力的教學實踐

摘要：為了輔助學生構建“鳥類具有適應其生活方式和環境的主要特征”的次位概念，本文選用雞卵和鵪鶉卵為實驗材料，嘗試拓展蘇教版初中生物學教材中“觀察鳥卵的結構”實驗，按照從外往內的順序，設計卵殼的形狀顏色、承受力、防腐、透氣、保濕、鈣源、卵殼膜的滲透、卵黃膜的保溫系列探究實驗，同時設計“愛鳥周”活動，以期深入學習教材知識，理解鳥類的生殖發育與生物進化之間的關系，提升學生的科學思維和探究實踐的能力，同時滲透生物學學科素養中生命觀念和態度責任的教育。

關鍵詞：鳥卵結構 探究實驗 初中生物 核心素養

“觀察鳥卵的結構”實驗，是蘇教版初中生物學八年級下冊“鳥類的生殖與發育”中的重要內容。教材中此實驗的目的是通過了解雞卵的結構從而了解鳥類的生殖特征，進一步滲透鳥類進化與適應陸地生活的觀念。但教材中的實驗傾向于觀察雞卵內外的結構，缺乏對“鳥卵在胚胎發育過程中具有保護作用”等知識點的實驗驗證。學生很難將卵殼、卵殼膜和卵黃膜的結構特征與生物的生殖、進化等知識聯系起來。

《義務教育生物學課程標準》（2022年版）明確指出，培養學生初步形成生物學的結構和功能觀、進化與適應觀等生命概念，初步形成科學探究和跨學科實踐能力，通過資料分析和實驗觀察等活動，幫助學生分析不同生物之間的親緣關系，形成進化與適應的概念。

本文在學生已學習了解雞卵相應結構的基礎上，將觀察實驗創新設計為系列化的探究實驗，引發學生批判和質疑。學生通過小組合作、跨學科知識交融以及教學評一體的方式，對雞卵相關結構的功能進行深入探究。基于科學事實理解結構與功能相適觀，認同鳥類進化適應陸地生活的觀點。通過多樣化“愛鳥周”實踐活動的開展，提升學生愛鳥、護鳥的社會責任感。

一、優化實驗流程，體現教學評一體化

教師通過課前發放的預習任務單，將主觀和客觀相結合調查學生的興趣點。發現學生在已知雞卵各部分結構的基礎上，想進一步探究看起來脆弱的雞卵如何起到保護作用。教師可引導學生從生活中發現問題、提出疑問、收集材料、設計實驗方案。課中學生完成實驗探究，解答疑惑。課后發放評價學習單，學生通過師評、生生互評和自評發現實驗過程中的問題和不足，實現教學評一體化。

二、創新實驗內容，深化生物學核心素養

（一）“探究卵殼具有保護作用”的拓展實驗

1.觀察鳥卵的形狀和顏色

引導學生思考鳥卵的外部形狀和顏色與其生存之間是什么關系。通過觀察，學生發現雞卵和鵪鶉卵都呈現出一端尖細、另一端鈍圓的不對稱橢球形狀。輕推雞卵和鵪鶉卵進行滾動實驗，能觀察到鳥卵總是轉圈滾動。學生討論得出，鳥卵的鈍端因為有氣室較輕，滾動時總是朝外運動，從而推測鳥卵特定的不對稱形狀能幫助其不易滾落掉出鳥巢，從而起到保護作用。

通過觀察不同鳥卵卵殼的顏色，發現卵殼的顏色和花紋各不相同，推測鳥卵的顏色可能與其生活的環境相關，起到保護色的作用，能幫助鳥類適應復雜多變的環境。

將鳥卵的外部形態與顏色與其他脊椎動物的卵進行比較，魚類、兩棲類的卵無卵殼，生殖過程離不開水。爬行動物雖然在陸地產卵，但是卵殼形狀是規則的正橢球形，且卵的顏色均為白色，大多數爬行動物的卵殼是一層軟殼，保護作用沒有鳥卵明顯。學生不難得出不同生物卵的進化程度與其陸地適應性相關。

2.探究卵殼內外承受力大小

學生嘗試用均勻的力握雞卵、腳輕踩在雞卵上，雞卵并沒有破碎。教師解釋卵殼結構的“薄殼原理”，明確雞卵的結構能夠把受到的壓力均勻地分散到卵殼的各個部分，引導學生理解卵殼的保護作用，同時也深化結構與功能相適應的觀念。在此基礎上，學生質疑，既然卵殼能分散力，為什么鳥類能夠破殼而出？推測卵殼內外承受力可能不同，因此設計實驗：在桌子上放置兩個只有一半的卵殼，分別將凸面朝上和凹面朝上，用水筆的筆尖從同一高度垂直落下，觀察卵殼是否破損。實驗結果是凸面朝上，筆尖從卵殼表面滑落，而凹面朝上卻能輕易戳破卵殼。簡易的活動讓學生理解卵殼能保護內部胚胎，但不影響雛鳥破殼。

3.探究鳥卵的防腐結構

在培養皿中分別放入五種不同處理的雞卵，即未處理的雞卵、有裂縫的雞卵、去卵殼的雞卵、去卵殼和卵殼膜的雞卵、去卵殼和卵殼膜且攪混卵黃和卵白的雞卵，分別接入霉菌后，25 ℃培養箱恒溫培養，觀察與記錄實驗現象。

結果發現，處理過的雞卵材料分別在培養8 d、9 d、6 d、4d后均開始腐敗，而未處理的雞卵在此條件下培養17 d后內部搖晃，出現霉點。實驗結果說明，卵殼能有效抵擋病原微生物的侵入，延長鳥卵的存活時間，具有防腐作用。

4.探究卵殼的透氣功能

探究卵殼的透氣功能可設計兩個實驗。實驗一是在溫水中放入雞卵，不久后水中便出現氣泡，鈍端氣泡較多。實驗二是在卵殼一端開一個小孔，去除內容物，裝入滴有紅墨水的清水。用針筒將空氣注入卵殼，很快卵殼表面冒出紅色的水滴。根據實驗觀察到的現象推測卵殼表面并不是密不透風的，而是存在著氣體交換的通道——氣孔。

宏觀實驗后，教師介紹微觀電鏡下的氣孔，讓學生真實感受氣孔的存在，進一步理解卵殼上的氣孔具有透氣功能，能為鳥卵的胚胎發育提供空氣。

5.探究雞卵的保濕功能

學生探究鳥卵中具有保濕作用的結構是卵殼還是卵殼膜。實驗設計如下：準備3支相同的量筒，分別量取10 mL的清水。在1號量筒口倒扣一個去卵殼膜的空雞卵殼，2號量筒口綁上卵殼膜，3號量筒不做處理。將量筒置于通風有光照的地方，每天觀察記錄頁面的高度變化。

7 d后，1、2、3號量筒液面分別下降0.1 mL、0.5 mL、0.8 mL。分析數據，師生得出結論：卵殼具有保濕作用，能防止水分蒸發，維持胚胎發育過程中的水環境。該實驗能培養學生數據收集和處理的能力，發展歸納、分析、整理的科學思維以及實踐探究的能力。

6.探究卵殼中的鈣

學生查閱文獻，發現研究鳥卵的17種卵殼樣品中，含量最高的是鈣元素。學生聯系化學學科焰色反應的科學知識，在酒精燈上灼燒雞卵卵殼，比對灼燒卵殼的火焰顏色，認識鈣元素的存在。了解到卵殼能為鳥類胚胎發育中骨骼的生長提供主要的鈣元素。該過程也加強了不同學科間的知識交流。

（二）探究卵殼膜的滲透作用

卵殼具有保護作用，卵殼膜能否同樣也有保護作用？通過查閱資料，學生掌握卵殼的主要成分為碳酸鈣，利用物理法、化學法等都能去除卵殼，其中用醋泡獲得去除卵殼的雞卵的方法最為簡單。浸泡后，出現一些呈泡沫狀的棕色物質，通過查閱資料，學生明確這層物質是護膜，是一種透明的蛋白質薄膜，起保護作用。去殼的雞卵在不破壞其內部結構的情況下，能夠清楚地觀察到卵殼膜、卵白、卵黃和氣室的結構。戳破卵殼膜，內容物流出，證明卵殼膜也具有保護作用。

學生聯系七年級所學的“細胞吸水與失水”內容，對卵殼膜的半透性產生學習興趣。同時學生發現醋泡后雞卵體積出現了變大的現象，可用游標卡尺測量、記錄完整雞卵和去卵殼后雞卵的長半徑及短半徑。

探究卵殼膜的滲透作用實驗中，學生配置不同濃度的蔗糖溶液，浸泡去殼雞卵。將去卵殼后雞卵浸泡在不同濃度（清水、0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL）的蔗糖溶液中，2 d后，再次用游標卡尺測量浸泡后的長半徑和短半徑，重復三組平行實驗，實驗記錄如表1。

實驗觀察得知，在清水和低濃度蔗糖溶液中，雞卵下沉，隨著溶液濃度升高，雞卵漂浮起來直至沒出水面。利用在線Excel表格收集不同小組測得的數據，學生整理和分析數據，繪制折線圖，結果表明雞卵的體積在0.3 g/mL蔗糖溶液中變化差值最小；在清水和0.1 g/mL、0.2 g/mL低濃度蔗糖溶液中體積增大，具有明顯吸水現象；在0.4 g/mL、0.5 g/mL高濃度蔗糖溶液中，雞卵失水體積縮小。通過本實驗，實驗結果實現從定性到定量的改變，學生能從定量的角度更科學地理解卵殼膜的半透性能很好地保持鳥卵內部的滲透壓。

（三）探究卵黃膜的保溫作用

教材中提到卵黃和卵白之間有一層透明的卵黃膜。學生想進一步探究卵黃膜除了分隔卵黃和卵白之外，是否還有其他的作用。

準備3組不同處理的雞卵，分別是卵白、完整的卵黃和去掉卵黃膜的卵黃，將其置于熱水中，觀察凝固時間。將卵白倒入熱水中瞬間就開始凝固，全部凝固用時1 min；完整卵黃凝固較慢，全部凝固用時7 min；去卵黃膜的卵黃全部凝固用時3 min。結果表明卵黃膜具有很好的隔熱保溫作用，該實驗也培養了學生尊重事實的科學態度。

三、延伸實驗材料，實現知識系統化

利用常見易得的鵪鶉卵豐富實驗材料，課外探究其他鳥卵的保護作用。分別對鵪鶉卵進行防腐、保濕和滲透實驗，觀察、記錄實驗結果，分析實驗結論。

（一）探究鵪鶉卵的防腐作用

將未處理的鵪鶉卵、有裂縫的鵪鶉卵、去卵殼的鵪鶉卵、去卵殼和卵殼膜的鵪鶉卵、去卵殼和卵殼膜且攪混的鵪鶉卵接入霉菌，放在25 ℃培養箱中培養。處理的鵪鶉卵材料分別在培養7 d、8 d、6 d、4 d后均開始腐敗，未處理的鵪鶉卵在此條件下能培養15 d以上。實驗結果同樣體現卵殼阻擋微生物，有防止腐敗的作用。

（二）探究鵪鶉卵的保濕作用

將完整的鵪鶉卵和去除卵殼的鵪鶉卵置于培養皿中，放在通風處，3 d后觀察。經過觀察，完整卵3d后大小無變化，去卵殼的鵪鶉卵3 d后體積和彈性變小，水分流失，由此得出鵪鶉卵殼具有保護和保濕作用的結論。

（三）探究鵪鶉卵的滲透作用

操作方法同雞卵。實驗結果在0.3 g/mL蔗糖溶液中，鵪鶉卵體積變化最小。在清水、低濃度的蔗糖溶液和高濃度蔗糖溶液中，鵪鶉卵出現明顯吸水和失水現象，同時發現短半徑比長半徑變化大。定量觀察得出鵪鶉卵的卵殼膜同樣具有半透性的結論。

綜上所述，由雞卵的課堂探究到鵪鶉卵的課后延伸實驗，學生更深刻地認同鳥卵在胚胎發育中的保護作用，構建“鳥類具有適應其生活方式和環境的主要特征”的次位概念，對鳥類的生殖與發育特征也實現了由個性到共性的思想認知。同時，比較魚類、兩棲類、爬行類和鳥類的生殖發育，從卵的結構復雜程度可以判斷出，鳥類適應陸地生活的能力最強，符合生物從簡單到復雜、從低等到高等、從水生到陸生的進化規律。學生體會結構與功能、進化與適應的生命觀念，實現知識學習的連貫性和系統化，同時發展學生歸納分析的科學思維和嚴謹認真的科學態度。

四、拓展課外實踐活動，提升社會責任感

教師可拓展教材內容，引導學生思考鳥卵的知識在生活中的應用，如生活中常見的拱形橋、頭盔、隔熱衣等均利用了鳥卵卵殼的特征來制造。策劃組織學生參與“愛鳥周”課外實踐活動，活動內容包括繪制手抄報、孵化小雞、設計和制作簡易飼養臺、模型制作等，將課堂所學聯系實踐，將課堂延伸到課外、延伸到生活。學生在提升動手能力的同時，深感生命的神奇與不易，也了解到很多鳥類所面臨的生存危機，加強愛鳥護鳥、保護環境的責任感，升華拓展了實驗的實踐意義。

參考文獻：

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責任編輯：趙瀟晗

本文系合肥市教育科學規劃課題“基于核心素養的初中理化生科學史校本課程開發的實踐研究”的研究成果，課題立項號為HJG21116。