例析高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化改進(jìn)策略

陳衛(wèi)東

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，生物學(xué)概念的建立與規(guī)律的形成離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。教師要依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)生物學(xué)知識(shí)、發(fā)展生物學(xué)能力、提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1概說(shuō)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要地位

生物學(xué)教學(xué)的重要遵循是《課程標(biāo)準(zhǔn)》，而“標(biāo)準(zhǔn)”中有對(duì)生物實(shí)驗(yàn)的明確要求，這就使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生物教學(xué)中有著不可替代的重要作用。

1.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)納入課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容體系

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）第四部分“課程內(nèi)容”中，在敘述生物學(xué)大概念后，以“教學(xué)提示”的形式明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。將實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能定位為幫助學(xué)生理解生物學(xué)大概念、提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。對(duì)應(yīng)必修模塊一，課標(biāo)中安排了11個(gè)實(shí)驗(yàn);對(duì)應(yīng)必修模塊二，課標(biāo)中安排了8個(gè)實(shí)驗(yàn);選擇性必修模塊更安排了29個(gè)實(shí)驗(yàn)之多。例如，必修模塊一“建構(gòu)真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)和使用，能闡明細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)的分工與合作，形成相互協(xié)調(diào)的有機(jī)整體意識(shí)。在必修模塊二“構(gòu)建DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生親身參與制作過(guò)程，更能理解DNA分子的結(jié)構(gòu)以及DNA作為遺傳物質(zhì)所具備的特性。

1.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)切合課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念

新課標(biāo)提出“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”的基本理念，認(rèn)為“課程高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)歷，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程是主動(dòng)參與的過(guò)程，讓學(xué)生積極參與動(dòng)手和動(dòng)腦的活動(dòng)，通過(guò)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神”。新課標(biāo)中的實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)，還是模型構(gòu)建類實(shí)驗(yàn)和調(diào)查報(bào)告類實(shí)驗(yàn)，都要求學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦主動(dòng)參與，是探究性學(xué)習(xí)的過(guò)程，從而促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

2簡(jiǎn)述生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響因素

影響生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主客觀因素很多，筆者不作面面俱到的闡述，只針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常開(kāi)展的學(xué)校，觀察其在教學(xué)中遇到的困難，進(jìn)行主要影響因素的歸類研究。通過(guò)觀摩、調(diào)研區(qū)域生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，聯(lián)系自身的教學(xué)實(shí)踐，造成實(shí)驗(yàn)效果不佳、實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以進(jìn)行的主要因素有“實(shí)驗(yàn)材料難處理”“實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)”“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯”“實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)”等。例如，在“觀察植物細(xì)胞吸水與失水”實(shí)驗(yàn)中，撕取單層洋蔥表皮細(xì)胞制作臨時(shí)裝片，材料要撕得薄，學(xué)生不易做到，這就是“實(shí)驗(yàn)材料難處理”影響因素?！疤骄拷湍妇?xì)胞呼吸方式”實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程需要持續(xù)10h以上，這就屬于“實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)”影響因素。“探究影響酶活性的條件”實(shí)驗(yàn)中，過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣，用帶火星余燼的衛(wèi)生香測(cè)試，看不到復(fù)燃現(xiàn)象，這就屬于“實(shí)驗(yàn)效果不明顯”影響因素?！皩?shí)驗(yàn)操作不當(dāng)”有器材使用不當(dāng)、操作方法不當(dāng)、操作步驟不當(dāng)?shù)取?/p>

3例談高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化改進(jìn)策略

生物實(shí)驗(yàn)的實(shí)施通常由實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)器具、實(shí)驗(yàn)操作等要素構(gòu)成。因而，師生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，也可從這三個(gè)方面尋求對(duì)策。

3.1改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料的策略

實(shí)驗(yàn)材料選擇不當(dāng)，可能造成實(shí)驗(yàn)難以操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯，甚至出現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)預(yù)期相反的結(jié)果。例如，開(kāi)展“探究溫度對(duì)酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)，按表1步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第三組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的結(jié)果不一致，試管中液體顏色為黃色而非藍(lán)色，重復(fù)實(shí)驗(yàn)也為黃色，不能說(shuō)明淀粉酶在100%條件下失活的事實(shí)。這個(gè)意外是什么原因造成的呢？原因有：①取材于不同谷物的淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉之分。直鏈淀粉與碘液的顯色反應(yīng)呈藍(lán)色、而支鏈淀粉則呈紫色。平時(shí)市售的淀粉多為直鏈淀粉。②實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)顯色反應(yīng)有影響，一般來(lái)說(shuō)超過(guò)70°C以上，直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，造成與碘液的顯色反應(yīng)不能進(jìn)行，即有淀粉，用碘液也檢測(cè)不出來(lái)。

針對(duì)這種情況，教師可以更換實(shí)驗(yàn)材料，將“可溶性淀粉”改換為“蘋(píng)果研磨液”，將“淀粉酶”改換為“果膠酶”，測(cè)定0℃、50°C、100%溫度條件下，果膠酶作用于蘋(píng)果研磨液產(chǎn)生果汁的數(shù)量，得出溫度影響酶活性的規(guī)律。

如何處理與解答探究性實(shí)驗(yàn)中的“意外情況”？如何發(fā)現(xiàn)探究性實(shí)驗(yàn)中的“不確定性”？“在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中解決問(wèn)題”是最好的應(yīng)對(duì)策略。教師要真正做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理是一回事，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是另一回事，兩者不一定一一對(duì)應(yīng)。教師課前要進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)直接的、原始的問(wèn)題，不斷進(jìn)行修正。同時(shí)，教師要用好實(shí)驗(yàn)手段。實(shí)驗(yàn)不僅是驗(yàn)證途徑，還是解決問(wèn)題的重要手段。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的“疑惑”，可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)解答。

人教版教材中的不少實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料來(lái)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。例如，用透明的蛋清替代白色的豆?jié){做“鑒定生物組織中的蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)”，紫色顯色反應(yīng)效果會(huì)更明顯;用校園中常見(jiàn)的醉漿草替代菠菜做“色素提取實(shí)驗(yàn)”，可以突破季節(jié)的限制;用紅薯藤葉柄紫紅色表皮或大紅花花瓣基部紫色表皮代替洋蔥表皮做“細(xì)胞的吸水和失水實(shí)驗(yàn)”，效果會(huì)更好?！凹?xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸關(guān)系”驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以改進(jìn)成比較不同材料實(shí)驗(yàn)效果的探究性實(shí)驗(yàn)。將米豆腐、豆腐、瓊脂、瓊脂糖、生熟蘿卜、生熟馬鈴薯等材料分別進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，從中選擇效果比較理想的實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)試劑。

3.2改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器具的策略

實(shí)驗(yàn)器具選擇不當(dāng)，往往會(huì)造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)論的推導(dǎo)出現(xiàn)謬誤。例如，開(kāi)展“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)，選擇“試管”作為實(shí)驗(yàn)器具，用肉眼觀察氣泡的多少來(lái)判別氧氣生成量的多少，區(qū)分度不大。

實(shí)驗(yàn)效果不佳的原因有：①作為實(shí)驗(yàn)器具的試管是開(kāi)放的，反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)不斷丟失;②把反應(yīng)產(chǎn)生氣泡的多少作為觀測(cè)反應(yīng)速率的指標(biāo)，雖簡(jiǎn)單易行，但也容易誤判。對(duì)應(yīng)以上兩個(gè)原因，改進(jìn)策略是營(yíng)造一個(gè)密封環(huán)境，將“普通試管”改為“具支試管”，密封管口，試管具支部分分別套上容積相等的小氣球用于收集氣體產(chǎn)物。一段時(shí)間后，觀察氣球中氣體量的多少，判別反應(yīng)速率的快慢，進(jìn)而推測(cè)不同催化劑催化效率的高低。這種改進(jìn)策略推廣到其他實(shí)驗(yàn)中，就是要改善觀測(cè)手段，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“宏觀化”，實(shí)驗(yàn)效果明顯。實(shí)質(zhì)就是盡量控制無(wú)關(guān)變量，提高實(shí)驗(yàn)精度。

再如，“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)中，用“刻度注射器”代替“錐形瓶”，能更好地控制有氧成無(wú)氧環(huán)境?！疤骄恐参锛?xì)胞的吸水與失水”“觀察根尖分生組織的有絲分裂”等實(shí)驗(yàn)中都要用到顯微鏡，教師利用支架鏈接手機(jī)鏡頭與顯微鏡視野，借助希沃軟件，將顯微鏡視野中的圖像遷移到電子黑板上，實(shí)現(xiàn)微觀視野的“宏觀化”。

3.3改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作的策略

“葉綠體中色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：①研磨、過(guò)濾過(guò)程繁瑣，學(xué)生容易失去耐心。②制備的濾液色素量不足或顆粒物較多。③所畫(huà)濾液細(xì)線達(dá)不到“細(xì)、勻、直”要求，層析后色素帶重疊。④層析過(guò)程中濾液細(xì)線容易接觸到層析液，層析后色素帶不明顯或沒(méi)有出現(xiàn)色素帶。以下從操作增效、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)三方面來(lái)說(shuō)明優(yōu)化改進(jìn)策略。

（1）針對(duì)操作增效的優(yōu)化改進(jìn)策略。通過(guò)改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)操作更為簡(jiǎn)便、效果更為明顯。①使用“玻璃勻漿器”或“研磨過(guò)濾器”代替研缽，完成色素的提取與過(guò)濾環(huán)節(jié)。②用蓋玻片側(cè)面蘸上色素濾液在濾紙上“蓋印”;或用硬幣一側(cè)直接碾壓綠葉在濾紙上形成色素細(xì)線。③層析時(shí)，用一些易得的輔助材料進(jìn)行細(xì)節(jié)改造，避免濾液細(xì)線接觸層析液、色素溶入層析液，如一次性餐盒蓋、礦泉水瓶蓋、拉直的回形針等固定濾紙條。在試管中進(jìn)行層析時(shí)，用膠頭滴管吸取濾液，將溶液直接注入到試管底部，不讓濾液粘上試管壁。礦泉水瓶蓋中間開(kāi)一條縫隙，蓋試管口，插入濾紙，固定濾紙，避免濾液細(xì)線接觸到層析液。④將石油醚：丙酮=10：1制成層析液。這些改進(jìn)措施都是圍繞操作的便捷、操作的增效來(lái)進(jìn)行的。第①項(xiàng)器材改進(jìn)，使得研磨、過(guò)濾操作更加快速、簡(jiǎn)便。第②項(xiàng)改進(jìn)達(dá)成畫(huà)線“細(xì)、勻、直”的目標(biāo)。第③項(xiàng)的細(xì)節(jié)改進(jìn)方法很多，但只要達(dá)成“濾液細(xì)線不能接觸層析液”的目標(biāo)均可。第④項(xiàng)改進(jìn)不用有毒的苯成分，較好地實(shí)現(xiàn)了環(huán)保要求。

（2）針對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)化改進(jìn)策略。采用不同的方法提取綠葉中的色素。①將葉片烘干粉碎，加無(wú)水乙醇制成色素溶液。②將裝有綠葉及無(wú)水乙醇的試管，放入燒杯中水浴加熱。③用不同的方式來(lái)進(jìn)行層析，如用圓形濾紙層析，在圓形濾紙的圓心處用打孔器開(kāi)一個(gè)小孔;用試管口蘸色素溶液在小孔周?chē)w“同心圓”印;把一個(gè)濾紙卷豎向連接到圓形濾紙小孔處;進(jìn)行層析實(shí)驗(yàn)。第①、②項(xiàng)提取色素方法的改進(jìn)，省去了研磨過(guò)濾環(huán)節(jié)的繁瑣，關(guān)鍵是以不破壞色素為前提，掌握好實(shí)驗(yàn)溫度與時(shí)長(zhǎng)。以圓形濾紙進(jìn)行層析，雖沒(méi)有創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)原理，但可以提高實(shí)驗(yàn)的趣味性，提升學(xué)生的參與度。

（3）針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的優(yōu)化改進(jìn)策略。人教版教材中“綠葉中色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”，教學(xué)目標(biāo)是驗(yàn)證綠葉中色素的種類與顏色。日常教學(xué)中，教師無(wú)需把實(shí)驗(yàn)拔高為“探究性實(shí)驗(yàn)”，若學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就必須加以引導(dǎo)，將該實(shí)驗(yàn)發(fā)展為探究性實(shí)驗(yàn)。一次實(shí)驗(yàn)課上，筆者用莧菜作實(shí)驗(yàn)材料，紙層析后學(xué)生發(fā)現(xiàn)有一條紅色的色素帶仍停留在原位置，學(xué)生出于好奇，提出疑問(wèn)：為什么有紅色色素帶？停留在原位置，是不是不溶于乙醇？這時(shí)，教師就不應(yīng)“回避”問(wèn)題，要“順勢(shì)而為”，把握好珍貴的“生成性教學(xué)資源”，引導(dǎo)學(xué)生分析原因，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，使學(xué)生得出紅色色素是水溶性色素的結(jié)論。