新課標視域下初中生物學創新實驗的設計

摘要：本文通過對教材中原本文字的描述部分進行實驗設計和轉化，以“綠色植物的生活需要無機鹽”實驗作為設計載體，選取黑藻作為實驗材料，針對學生的探究過程設計學習任務單，并選取可測量的觀察指標，判斷不同無機鹽對植物生長的影響，為學生深度理解大概念和思維發展提供幫助，培養學生科學探究能力，全面促進學生科學思維的發展。

關鍵詞：綠色植物；無機鹽；創新實驗；科學探究

文章編號：1003-7586（2024）05-0058-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

實驗教學是國家課程方案和學科課程標準規定的重要教學內容，也是當今社會培養創新人才的重要實現途徑。2019年教育部發布的《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》重點提出要創新實驗教學方式，并采用多種形式，例如綜合運用觀察、觀測、模擬、體驗等方式，促進傳統實驗教學與現代新興科技的有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果。

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《義教課標》）也在課程理念中提出教學過程重實踐的要求，強調通過實驗、探究類學習活動，使學生加深對生物學概念的理解。基于以上教學的現實要求，如何以實驗教學為載體，讓學生從解決現實世界中真實的情境問題入手，從獲取表層淺表的知識，逐漸轉變為針對真實問題的深度思考，最終提升學生的核心素養水平，成了實驗教學中亟待研究的問題。

本文基于《義教課標》的具體要求，以學生熟悉的自然環境作為真實情境，以“綠色植物的生活需要無機鹽”作為核心概念設計了相關創新實驗。該內容是重要概念“42植物通過吸收、運輸和蒸騰作用等生理活動，獲取養分，進行物質運輸，供植物利用，其中大部分水通過蒸騰作用散失”下的次位概念“4.2.1植物根部吸收生活所需的水和無機鹽，通過導管向上運輸，供植物利用，其中大部分水通過蒸騰作用散失”的一部分。

本實驗是北京版義務教育教科書《生物學-七年級-上冊》（以下簡稱“教材”）第四章第一節的內容，本節內容中安排了學習活動“用蒸餾水和土壤浸出液培養幼苗”，但是對于無機鹽對植物具體作用，教材中僅采用正常和缺乏N、P、K元素草莓葉片圖片進行對比舉例，未能給學生提供直接參與探究性實驗活動的機會，導致學生無法通過完整的科學探究過程，實現對學科的深度理解。因此，本實驗從實驗材料的選擇入手，創新性地采用黑藻作為實驗材料。一方面是因為黑藻是一種水生植物，具有易獲取、生長速度快等特點，通常以休眠芽進行無性繁殖，條件適宜時存活率高，其生長和形態結構特征與水環境中的無機鹽密切相關。另一方面，黑藻的各部分形態結構變化容易觀察，是實驗教學的良好材料，能夠取得較好的實驗效果。本實驗引導學生觀察黑藻在缺乏無機鹽的培養條件下生長過程中形態結構的變化，并選取相關指標，分析不同種類無機鹽對黑藻生長的影響，從而幫助學生理解“綠色植物的生活需要無機鹽”的概念。同時將科學思想和常規實驗方法融入具體的實驗設計之中，如從宏觀到微觀，從現象到本質，平行與對照實驗的設計等，以此促進學生科學思維的發展和科學探究能力的提升。

1實驗準備

1.1實驗器材

黑藻（Hydrilla verticillata）、無土栽培培養液、缺元素培養液、蒸餾水、燒杯、量筒、解剖剪、鑷子、尺子等。

1.2黑藻的選取

教師于當地河流中近岸處撈取黑藻放到實驗室中進行培養，待其長到20 cm左右后，選取大小、長勢基本一致的包含莖尖的8 cm黑藻莖段作為實驗材料。

1.3培養液的配制

5％霍格蘭培養液：量筒量取50 mL霍格蘭培養液，加水稀釋至1L（見表1）。5％缺元素培養液：分別用量筒量取50 mL缺N、P、K元素的霍格蘭培養液，利用蒸餾水進行稀釋，均加水稀釋至1L。

2實驗過程和結果

2.1實驗過程

分別量取配置好的無土栽培培養液和蒸餾水450 mL，倒人到500 mL的燒杯中，加入兩個長度為8 cm，帶芽尖、無側枝的黑藻莖段，放在相同的光照條件下進行培養，每3天更換一半培養液，45天后觀察黑藻生長狀況。

在實驗過程中為提升學生的科學探究能力，增強學生對于實驗設計以及概念的理解，落實深度學習理念，匹配了實驗學習任務單（見表2），分別針對實驗設計中基本的學科研究方法及探究過程設置“腳手架”，幫助學生形成對于這一概念的深度理解。

2.2實驗結果

學生對不同培養液培養的黑藻進行觀察，對比各組黑藻的生長狀況（見圖1），通過討論選取株高、分支數和根長三項指標進行測量，求取平均值后，整理數據如表3所示。

2.3實驗結果分析與討論

2.3.1黑藻的生長需要無機鹽

學生通過學習進階任務單的指引，對比實驗過程中各組黑藻的生長情況，討論并分析無機鹽對植物生長的影響。學生觀察發現與CK組相比，缺少無機鹽培養的黑藻生長情況均出現生長緩慢現象。學生對于觀察結果進行分析討論得出，缺乏無機鹽致使植物生長緩慢，因此無機鹽是植物生長所需的營養物質。學生通過對數據進行對比發現不同種類的無機鹽對植物生長的影響也不相同。其中，黑藻的平均株高為CK>-K>-P>-N>H20；分支數依次為CK=-K>-P=H2O>-N，H2O處理組的分支葉片和莖稈顏色為黃白半透明狀，-P處理組的側枝一直以芽的形式存在，沒有繼續生長；H2O、-N、-P處理組的黑藻沒有長出新根，根長依次為CK>-K；CK組的葉片顏色最深，-N處理組的葉片顏色呈黃綠色，-K處理組的葉片有不同程度的焦黃色。基于以上結果，學生進一步分析得出：缺乏N、P、K其中任何一種無機鹽都會導致植物生長狀況受到抑制，但不同種類無機鹽對黑藻生長的影響卻不相同，需要對實驗結果繼續進行深入研究。

2.3.2不同種類無機鹽對黑藻生活有影響

學生基于植物生長與細胞分裂分化的相關知識，對表3數據進行深入分析討論：植物的生長、側枝和根的形成是細胞生長、分裂和分化的結果。-N處理組的平均株高、分支數和根長均低于CK組，且平均分支和根長為0，說明含N元素的無機鹽可以促進細胞生長、分裂和分化，使植物枝繁葉茂；P處理組的平均分支數為1，且側芽生長十分緩慢，根長為0，說明含P元素的無機鹽可以促進細胞的分裂和生長，從而促進幼苗發育；-K處理組的平均株高、分支數和根長均顯著高于-N和-P處理組，但其部分葉片蠟黃，莖稈更細，說明含鉀的無機鹽可以使植物莖稈健壯，抗倒伏，促進葉片中淀粉合成。學生還注意到H2O處理的黑藻側枝顏色為白色透明狀，進而推測除N、P、K三種無機鹽外，其他種類無機鹽可參與植物葉綠素的合成。

為驗證上述結論，學生向培養液中補充缺乏的無機鹽繼續培養，缺元素培養的各組黑藻長勢均有不同程度的恢復，H2O處理組黑藻的側枝沒有明顯生長且葉片顏色沒有變化，但頂芽中生長的幼葉為綠色。據此，學生得出結論，植物生長的任一時刻缺乏任何一種無機鹽都會對植物生長發育產生不同程度的影響，且無機鹽可能是植物體某些結構的重要組成部分。

3反思與建議

3.1通過實際體驗，增強學生對于實驗設計的深度理解

實踐體驗是學生體驗科學探究的重要途徑，可以增強學生對于實驗中所蘊含的概念的深度理解。教師通過設計分層任務，實現基于核心問題的驅動，引導學生探究不同種類無機鹽對綠色植物生活的影響，幫助學生認識含N、P、K的無機鹽對植物生長發育的影響。在實驗過程中教師指導學生運用跨學科知識配置缺元素培養液，長期培養和觀察黑藻，選取和測量觀測指標，增強了學生實驗探究的能力。

3.2豐富的資源供給，為學生科學思維的形成奠定了基礎

科學思維的形成是學生獲得科學結論的必要條件。教師利用缺乏無機鹽的培養液水培黑藻的實驗，有效彌補了課本上圖片舉例的局限性，從而提高學生的學習興趣。教師結合當地的自然資源，幫助學生選取實驗材料，指導學生運用細胞分裂、分化過程的相關知識，嘗試分析不同種類無機鹽對綠色植物生長的影響。學習任務單的進階式問題設計能夠幫助學生在探究活動過程中主動獲得證據，從而構建和理解“綠色植物的生活需要無機鹽”概念，為學生科學思維的形成奠定了基礎。

3.3實驗結果作為證據，為重要概念的建構提供有效支撐

概念的構建是學生思維過程中的結構化成果。“植物生活需要無機鹽”這一概念需要學生理解“無機鹽是營養物質”和“無機鹽對植物生活有影響”兩個次位概念，本實驗旨在讓學生通過設計、實施實驗，收集證據，并基于實驗數據的處理與分析逐步形成概念。這不僅能夠幫助學生形成學科特有的思維方法，提高科學探究的能力，同時也為學生構建概念提供有效支撐，并進一步幫助學生實現對于概念的深度理解。