高中生物教材中觀察性實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)中的作用

趙麗 袁毅君 安建平 余燕 王文華

摘 要：觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著特殊地位和重要意義，本文通過對(duì)課改前后高中生物教材中所開設(shè)的觀察實(shí)驗(yàn)的比較分析，以典型的“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”為例，就其在直觀觀察能力及其他層次能力培養(yǎng)中的作用進(jìn)行論述。針對(duì)觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和功能提出培養(yǎng)學(xué)生直觀觀察能力、獨(dú)立能力以及創(chuàng)新能力的有效策略，為探索中學(xué)生物教學(xué)中觀察實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法以及如何培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)；觀察實(shí)驗(yàn)；生物科學(xué)素養(yǎng)；線粒體

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2016）34-0094-04

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.34.052

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，生物新課改新教材最大的特點(diǎn)就是新增了大量探究性實(shí)驗(yàn)，其目的在于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和觀察能力，突出生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特色[1]。觀察性實(shí)驗(yàn)作為生物教學(xué)的一種有效補(bǔ)充和延伸具有極其重要的作用[2]，

“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”是人教版高中生物教材中第一個(gè)全面而系統(tǒng)的培養(yǎng)和提高學(xué)生直觀觀察能力的觀察實(shí)驗(yàn)。該觀察實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)明易懂，操作簡(jiǎn)單基礎(chǔ)，能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，激發(fā)探究生物奧秘的興趣。而且，線粒體作為重要的細(xì)胞器之一，學(xué)生對(duì)其進(jìn)行具象觀察具有極其重要的意義。在實(shí)驗(yàn)過程的每個(gè)步驟中，教師要循序漸進(jìn)的引導(dǎo)學(xué)生直觀觀察，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的目的[3]。

然而，實(shí)際教學(xué)中許多教師把觀察實(shí)驗(yàn)變成了說實(shí)驗(yàn)、背實(shí)驗(yàn)的狀況[4]。使學(xué)生連最基本的觀察能力、操作能力都得不到訓(xùn)練，更不用說培養(yǎng)更高層次的能力。鑒于此，加強(qiáng)和改進(jìn)觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性[5]，讓學(xué)生掌握直觀觀察能力、操作能力，提高學(xué)生的獨(dú)立能力、思維能力和創(chuàng)新能力，使觀察實(shí)驗(yàn)切實(shí)成為培養(yǎng)和提高生物科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑。

一、高中生物教材中觀察實(shí)驗(yàn)的概況

生物學(xué)科教學(xué)中觀察性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是比較薄弱的環(huán)節(jié)，在實(shí)際教學(xué)中存在各種問題。比如：應(yīng)試教育的影響、教師的自身能力限制、教學(xué)時(shí)間有限、學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺、學(xué)生只注重考試成績(jī)等[6]。分析高中生物課程改革前后教材中的觀察實(shí)驗(yàn)，表1歸納了新舊教材中觀察實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，顯示出：舊教材中有9個(gè)觀察實(shí)驗(yàn)，其中“顯微鏡的使用”、“用高倍顯微鏡觀察葉綠體”等都是以學(xué)生使用顯微鏡為主要訓(xùn)練方面，實(shí)驗(yàn)材料單一、課程安排簡(jiǎn)單，培養(yǎng)一些簡(jiǎn)單觀察能力和動(dòng)手能力，不能全面提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)；新教材中實(shí)驗(yàn)數(shù)量明顯增加，觀察項(xiàng)目多樣，材料不僅僅局限于植物，動(dòng)物和微生物也作為實(shí)驗(yàn)材料，而且新增其他類型實(shí)驗(yàn)滲透著直觀觀察能力及其他生物科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)[5]。舊教材中所存在的缺陷和新教材中所體現(xiàn)出的優(yōu)越性顯而易見。（見表1 ）

二、觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

（一）生物科學(xué)素養(yǎng)的含義

中華人民共和國教育部制定的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》指出生物科學(xué)素養(yǎng)是公民參加社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、生產(chǎn)實(shí)踐和個(gè)人決策所需的生物科學(xué)知識(shí)、探究能力以及相關(guān)的情感態(tài)度與價(jià)值觀。反映一個(gè)人對(duì)生物科學(xué)領(lǐng)域中核心的基礎(chǔ)內(nèi)容掌握和應(yīng)用水平，以及在已有基礎(chǔ)上不斷提高自身科學(xué)素養(yǎng)的能力[7]?？茖W(xué)素養(yǎng)包括的觀察能力、思維能力和實(shí)踐能力就成為提高生物科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)而提高科學(xué)素養(yǎng)的一種有效途徑[8]。

（二）培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)的意義

生物學(xué)中幾乎所有的知識(shí)都是通過觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等實(shí)踐活動(dòng)積累的。觀察實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生直觀觀察能力最重要的途徑，其特殊的教育任務(wù)是不能忽視的[8]。伴隨科技進(jìn)步進(jìn)行的新課程改革是以提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)為核心理念的[9]，明確提出“提高生物科學(xué)素養(yǎng)”，尤其要培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新能力[10]。當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)已經(jīng)滲透到了社會(huì)的各個(gè)層面，作為21世紀(jì)的領(lǐng)先科學(xué)，生物在幫助學(xué)生提高生物科學(xué)素養(yǎng)，理解理論與實(shí)際的關(guān)系等方面有不可替代的作用。

（三）通過直觀觀察培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)

講授式的理念和手段在觀察實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)無法具體實(shí)施，要培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)最首要的途徑是轉(zhuǎn)變教學(xué)理念。若通過直觀觀察激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，教學(xué)就會(huì)事半功倍。教師結(jié)合觀察實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)由外到內(nèi)、由整體到局部、由宏觀到微觀的觀察技巧[6]，創(chuàng)造性地開展教學(xué)。許多生物現(xiàn)象靠傳統(tǒng)教學(xué)無法呈現(xiàn)，若以多媒體技術(shù)將傳統(tǒng)靜態(tài)圖形轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)課件演示，讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的完整動(dòng)態(tài)過程[11]，改變了傳統(tǒng)教學(xué)枯燥、呆板的形式。另外以學(xué)生利用理論來解決實(shí)際問題的方式也可以培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

三、新教材中“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”在教學(xué)中對(duì)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

直觀觀察能力是科學(xué)素養(yǎng)中最基礎(chǔ)的方面，是指在自然條件下通過感覺器官或借助科學(xué)儀器，全面、深入、正確地觀察、認(rèn)知客觀研究對(duì)象的能力[12]。若科學(xué)素養(yǎng)是金字塔形，直觀觀察能力則是金字塔的塔基或塔底，故科學(xué)的學(xué)習(xí)應(yīng)該從直觀觀察入手，以善于發(fā)現(xiàn)觀察對(duì)象的細(xì)微變化及本質(zhì)特征為方向。觀察實(shí)驗(yàn)涉及的主要有：直觀觀察生物的外部形態(tài)的能力和從生物的不同層次借助科學(xué)儀器直觀觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力[13]。

（一）通過“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”培養(yǎng)學(xué)生直觀觀察能力

1.選取最佳觀察材料。線粒體廣泛存在于動(dòng)、植物細(xì)胞中，為細(xì)胞各項(xiàng)生命活動(dòng)提供所需要的能量。教材中以人口腔上皮細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行觀察，實(shí)際教學(xué)中教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生以其他生物作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行觀察。比如，蘚類的葉、菠菜葉、洋蔥鱗片葉、綠豆芽、蔥、雞肝等。指導(dǎo)學(xué)生制作臨時(shí)裝片，熟練顯微鏡的操作技巧。在觀察過程中，先在低倍鏡下直觀觀察各種細(xì)胞的整體形態(tài)，分辨出是哪種材料的細(xì)胞；然后轉(zhuǎn)到高倍鏡下觀察，選取一個(gè)好的視野仔細(xì)觀察細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)線粒體。進(jìn)行對(duì)比、分析，找出最典型的線粒體。實(shí)驗(yàn)中的每一步都在提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象敏銳的直觀觀察能力。教師還可以通過多媒體技術(shù)展示各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)、線粒體亞顯微結(jié)構(gòu)的照片或視頻，激發(fā)學(xué)生的興趣，對(duì)觀察實(shí)驗(yàn)充滿期待后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作。

2.通過實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施多點(diǎn)培養(yǎng)直觀觀察能力。顯微鏡下觀察材料的標(biāo)準(zhǔn)是“薄而透明”，直觀觀察就必須將實(shí)驗(yàn)材料制作成裝片或涂片。線粒體本身無色，通過染色才能達(dá)到直觀觀察的目的?；罴?xì)胞染料健那綠（Janus green B）是專一性對(duì)線粒體超活染色的，氧化性物質(zhì)使健那綠保持被氧化狀態(tài)呈藍(lán)綠色，而細(xì)胞質(zhì)中的健那綠被還原成無色狀態(tài)，從而顯示出線粒體的形態(tài)。教師進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同材料染液的濃度和染色時(shí)間、所取細(xì)胞數(shù)量、制作裝片時(shí)對(duì)細(xì)胞的分散、撕取材料是否理想和線粒體的提取、提純和涂布等，都對(duì)直觀觀察的效果有很大影響。

教師可以通過實(shí)驗(yàn)演示就這些內(nèi)容進(jìn)行示范，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生積極回答并深入思考。采集口腔上皮細(xì)胞時(shí)用什么方法刮取既能取得一定數(shù)目細(xì)胞又不傷害口腔，怎樣操作才能使細(xì)胞分散而平展。撕取洋蔥鱗葉內(nèi)表皮時(shí)怎樣做才能觀察到單層細(xì)胞區(qū)域。綠豆黃化葉苗的用量、線粒體提取的溫度、三次離心時(shí)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該是多少，染色過程中染液的濃度和染色時(shí)間分別有什么要求。

演示實(shí)驗(yàn)對(duì)于加深學(xué)生感性認(rèn)識(shí)和培養(yǎng)學(xué)生觀察能力是非常有效的。以上這些問題的答案就成為學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。演示實(shí)驗(yàn)中處理材料的每個(gè)細(xì)節(jié)都在培養(yǎng)學(xué)生直觀觀察能力，為學(xué)生獨(dú)立完成觀察實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立能力以及發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，積極進(jìn)行思維創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

（二）“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”在培養(yǎng)其他能力方面的作用

1.儀器操作——?jiǎng)邮帜芰Φ呐囵B(yǎng)。實(shí)驗(yàn)課堂中儀器操作能力才應(yīng)是學(xué)生最主要的收獲[14]。線粒體的直觀觀察必須借助光學(xué)顯微鏡。而光學(xué)顯微鏡的使用需安放、對(duì)光、調(diào)焦、觀察等復(fù)雜的步驟，初學(xué)者常常由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

教師可以通過多種方式讓學(xué)生掌握正確使用光學(xué)顯微鏡。安放好顯微鏡后，先進(jìn)行對(duì)光，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)對(duì)光時(shí)“三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)”及光線經(jīng)過的路徑，使學(xué)生對(duì)光學(xué)顯微鏡的工作原理有基本的了解。通過目鏡看到明亮的視野時(shí)將玻片放在載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)使標(biāo)本正對(duì)通光孔。旋轉(zhuǎn)粗準(zhǔn)焦螺旋和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋，看到線粒體在每個(gè)細(xì)胞中的分布。選定特征明顯的區(qū)域轉(zhuǎn)到高倍鏡，調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋看到細(xì)胞核周圍的胞質(zhì)中分布著一些被染成藍(lán)綠色的顆粒狀或短棒狀結(jié)構(gòu)，反復(fù)微調(diào)，藍(lán)綠色會(huì)呈現(xiàn)出生動(dòng)的明暗變化[15]，即為線粒體。

這個(gè)過程中教師不直接參與實(shí)驗(yàn)，以引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立正確使用高倍顯微鏡為培養(yǎng)目標(biāo)[16]。以綠豆黃化幼苗為材料，會(huì)涉及低溫高速離心機(jī)的使用，但高中階段主要以光學(xué)顯微的使用來培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立組織實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

2.培養(yǎng)思維能力和創(chuàng)新能力。思維是人腦對(duì)客觀事物的一般特征和規(guī)律的一種間接的、概括的反映[17]。觀察是與思維緊密聯(lián)系的，觀察僅僅是獲取和積累一些直觀表象的方法，更重要的是要通過對(duì)表象進(jìn)行科學(xué)的分析、比較、綜合、概括等抽象的思維活動(dòng)，找出事物的本質(zhì)[18]。觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)中觀察能力和思維能力的培養(yǎng)是不可分離的。

實(shí)驗(yàn)中選用的人口腔上皮細(xì)胞與洋蔥鱗葉內(nèi)表皮細(xì)胞是動(dòng)、植物細(xì)胞的代表。通過具體的操作、觀察，對(duì)比直觀觀察的結(jié)果感受兩類細(xì)胞的區(qū)別。教師引導(dǎo)學(xué)生思考，為什么選擇幼嫩的無色或淺色材料，除人口腔上皮細(xì)胞還可以選擇哪些動(dòng)物細(xì)胞。學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)并預(yù)測(cè)結(jié)果，通過實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證預(yù)測(cè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。讓學(xué)生通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)材料的觀察，認(rèn)識(shí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的普適性。這個(gè)過程會(huì)不斷有問題出現(xiàn)，解決問題的過程就是發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，積極進(jìn)行思維活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力會(huì)在不斷尋求答案過程中鍛煉和提高。學(xué)生親自參與了問題的提出、假設(shè)、實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證解決，經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程[19]。使學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到了提高和發(fā)展，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)了思維能力，提高了創(chuàng)新能力。

（三）天水市八所高中“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”開設(shè)情況調(diào)查

通過調(diào)查天水市八所高中觀察實(shí)驗(yàn)的開設(shè)狀況以及實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，總體情況見表2。

表2顯示實(shí)際所開設(shè)的觀察實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總共5項(xiàng)，還不到新課標(biāo)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求的一半，見圖1。而且八所高中并不是每個(gè)學(xué)校都開展5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，見圖2。開設(shè)觀察實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最多的是一中，5個(gè)項(xiàng)目全都開設(shè)；九中開設(shè)4個(gè)；三中開設(shè)3個(gè)；四中和十中開設(shè)了2個(gè)；六中和八中沒有開設(shè)，可見學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的重視程度不夠，教學(xué)資源的分配嚴(yán)重失衡。其中所關(guān)注的“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”目前在調(diào)查的八所高中都沒有實(shí)際面向?qū)W生開設(shè)。實(shí)際教學(xué)中“線粒體觀察實(shí)驗(yàn)”只有九中教師組織個(gè)別興趣小組的學(xué)生進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也不明顯，其他實(shí)驗(yàn)教師只是通過講授方式進(jìn)行。

顯然重點(diǎn)高中在教學(xué)資源相對(duì)豐富的條件下對(duì)觀察實(shí)驗(yàn)的開展都達(dá)不到新課標(biāo)所要求的一半，而且即便做了觀察實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，由于各種因素的影響也達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的要求。對(duì)于沒做觀察實(shí)驗(yàn)的學(xué)生就談不上通過觀察實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)，所以觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然是教學(xué)中極其薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，新課標(biāo)提倡的素質(zhì)教育基本沒有實(shí)施，成為了一紙空文。

四、展望

應(yīng)試教育終將走向素質(zhì)教育是教育改革及時(shí)代發(fā)展的必然。在素質(zhì)教育模式下，社會(huì)和學(xué)校更加注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，也就是現(xiàn)在所提倡的科學(xué)素養(yǎng)。觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)和提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)最重要、最便捷、最有效的途徑，也是聯(lián)系生物科學(xué)和生活實(shí)踐的基本橋梁。在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生“在做中學(xué)”，自己動(dòng)手操作體驗(yàn)，遇到問題獨(dú)立思考，尋找解決的辦法。教師在整個(gè)過程中只是起輔助作用，當(dāng)學(xué)生遇到問題時(shí)給學(xué)生點(diǎn)撥、指導(dǎo)、鼓勵(lì)學(xué)生積極探索。這種教學(xué)氛圍完全符合“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”的新課程理念，因此，生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為新課改之后生物教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)，它在培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力、創(chuàng)新能力等方面具有十分重要的意義。

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