培養(yǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技能 提升生物學(xué)核心素養(yǎng)

鄭耀賢 王愛(ài)東 胡佳娜

(1 北京師范大學(xué)珠海附屬高級(jí)中學(xué) 珠海 519080； 2 廣東省珠海市唐國(guó)安紀(jì)念學(xué)校 珠海 519080)

《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出課程的宗旨是： 提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。“科學(xué)探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問(wèn)題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力[1]。其中，設(shè)計(jì)并實(shí)施恰當(dāng)可行的探究實(shí)驗(yàn)方案屬于高階的科學(xué)探究水平(水平三、水平四)。縱觀近幾年的高考題中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題都占據(jù)了較大比例，較之其他題型，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的得分率偏低。對(duì)中學(xué)生生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是中學(xué)生探究能力中較薄弱的環(huán)節(jié)[2]。

本文以指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液對(duì)小球藻的化感作用”的實(shí)踐為例，說(shuō)明如何培養(yǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的技能，以供參考。

1 例說(shuō)有效開(kāi)展設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1.1 培養(yǎng)學(xué)生選擇合適的材料藥品、試劑、器具 開(kāi)展實(shí)踐探究活動(dòng)需要使用各種各樣的實(shí)驗(yàn)材料(如南美蟛蜞菊、黑藻、酵母菌等)、基本實(shí)驗(yàn)器具(如光學(xué)顯微鏡、研缽、移液器等)進(jìn)行顯微觀察、溶液配制等操作；可能需要使用傳感技術(shù)、分光光度計(jì)、電子天平、恒溫光照培養(yǎng)箱、血球計(jì)數(shù)板等特定實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)定或?qū)嶒?yàn)條件的控制。

教師引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行儀器與材料的選擇、實(shí)驗(yàn)材料的培養(yǎng)、處理等操作，為設(shè)計(jì)出恰當(dāng)可行的實(shí)驗(yàn)方案做準(zhǔn)備。本實(shí)踐探究活動(dòng)從儀器與材料、藻種及培養(yǎng)、南美蟛蜞菊根、莖、葉浸提液母液的制取等過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的基本技能。

1.2 遵循實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則 包括科學(xué)性原則、對(duì)照性原則、單一變量原則。

1.2.1 科學(xué)性原則 所謂科學(xué)性原則，是指實(shí)驗(yàn)的原理要符合科學(xué)原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)期要有科學(xué)依據(jù)，實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都不能偏離生物學(xué)基本知識(shí)和基本原理，以及其他學(xué)科領(lǐng)域的基本原則[3]。例如，本實(shí)驗(yàn)選用小球藻、南美蟛蜞菊、水浸提液，這些材料易得、有現(xiàn)實(shí)意義(STS)。化感作用的研究方法已得到學(xué)者們的認(rèn)可。

1.2.2 對(duì)照原則 生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通常通過(guò)設(shè)置對(duì)照，既排除無(wú)關(guān)變量的干擾，又增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和說(shuō)服力。一個(gè)實(shí)驗(yàn)通常包括實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將南美蟛蜞菊根、莖、葉濃度梯度為0、 0.5、 1、 2g/L的化感培養(yǎng)液分別處理小球藻，該實(shí)驗(yàn)0g/L組與其他濃度組的設(shè)計(jì)遵循空白對(duì)照的原則；同一濃度的根、莖、葉提取液處理小球藻遵循相互對(duì)照原則；某一器官某一濃度的浸提液對(duì)小球藻的種群影響隨時(shí)間變化遵循自身對(duì)照原則。

1.2.3 單一變量原則 單一變量原則即控制唯一變量而排除其他因素的干擾，從而驗(yàn)證唯一變量的作用。強(qiáng)調(diào)的是不論一個(gè)實(shí)驗(yàn)中有幾個(gè)自變量，都應(yīng)做到一個(gè)自變量對(duì)應(yīng)觀測(cè)一個(gè)因變量。例如，本實(shí)驗(yàn)中“不同濃度根浸提液與小球藻種群密度”“不同濃度根浸提液與小球藻的抑制率”“同一濃度根、莖、葉浸提液與小球藻種群密度”“時(shí)間與小球藻種群密度”等都嚴(yán)格遵循單一變量原則。

經(jīng)典的科學(xué)實(shí)驗(yàn)都是經(jīng)過(guò)歲月的沉淀和歷史的檢驗(yàn)，教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)史中汲取相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的原則，并不斷通過(guò)實(shí)踐，提升學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的適切性。

1.3 引導(dǎo)學(xué)生制定科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)步驟 教師以“南美蟛蜞菊根浸提液對(duì)小球藻的化感作用”為例(表1)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、不斷完善并舉一反三，分別設(shè)計(jì)“南美蟛蜞菊葉浸提液對(duì)小球藻的化感作用”和“南美蟛蜞菊莖浸提液對(duì)小球藻的化感作用”，學(xué)生在反復(fù)操練中，感知并提升了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的技能。

2 培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的教學(xué)策略

2.1 利用教材的“技能訓(xùn)練”項(xiàng)目 人教版高中生物學(xué)必修教材設(shè)置有“技能訓(xùn)練”欄目，其中關(guān)于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容在必修1～3中都設(shè)置。必修1有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，必修2有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序，必修3有評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)論，三個(gè)模塊對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)目標(biāo)逐漸進(jìn)階。這種相對(duì)簡(jiǎn)單又科學(xué)合理的安排有利于促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技能螺旋式上升。

表1 “南美蟛蜞菊根浸提液對(duì)小球藻的化感作用”實(shí)驗(yàn)操作流程

2.2 利用教材中的“探究”實(shí)驗(yàn) 人教版高中生物學(xué)必修教材共設(shè)置了10個(gè)“探究”實(shí)驗(yàn)，這些欄目大多有“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”這一專(zhuān)項(xiàng)，并根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的難度、在教材中的順序等因素，分別以“參考案例”的形式或者問(wèn)題串的形式引導(dǎo)學(xué)生重視對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練。教師可以充分利用這些資源開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練，提升學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

2.3 利用高考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題進(jìn)行訓(xùn)練 近年來(lái)，為落實(shí)生物學(xué)核心素養(yǎng)，高考題中“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”題目逐漸增多，以期達(dá)成“科學(xué)探究”這一重要素養(yǎng)的考查。例如，2017年全國(guó)新課標(biāo)Ⅰ卷考查了“請(qǐng)利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以確定一種新病毒的類(lèi)型。簡(jiǎn)要寫(xiě)出： ①實(shí)驗(yàn)思路；②預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論”。教師可以將高考試題中的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目用于有目的的專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練，提升設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

3 思考

“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液對(duì)小球藻的化感作用”是基于項(xiàng)目開(kāi)展的綜合實(shí)踐探究活動(dòng)，學(xué)生在探究實(shí)踐中掌握基本技能的同時(shí)，加深了對(duì)生物學(xué)概念的理解，并嘗試運(yùn)用種間關(guān)系的作用解決生態(tài)環(huán)境中的實(shí)際問(wèn)題，大大提升了學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣。教師在教學(xué)中通過(guò)指導(dǎo)具體的實(shí)踐，提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)這一科學(xué)探究能力的薄弱環(huán)節(jié)，有利于逐步實(shí)現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

(基金項(xiàng)目： 珠海市十三五規(guī)劃課題“基于STEM教育的高中生物科學(xué)探究實(shí)踐研究”，No.2018KTG16)