基于生物學學科能力的“探究酒精對水蚤心率的影響”實驗教學

李云會 （北京市團結湖第三中學 北京 100025）

在當前教育發(fā)展全球化的大背景下，各個國家和地區(qū)的科學教育都將培養(yǎng)學生能力作為首要目標。中學生物學課程屬于科學課程，就能力培養(yǎng)而言，應著力于培養(yǎng)學生的生物學學科能力。2018年高考《北京卷考試說明》中將生物學學科能力要求概括為理解（包括辨認、比較、解讀）、應用（包括推理、歸因）、思辨（包括論證、評價）、創(chuàng)新（包括假設、設計）4 項內容［1］。這 4 項內容既是學科能力的不同類型，也代表能力水平的不同層級，其中理解能力是最低層次的能力，從理解到應用、思辨、創(chuàng)新，層次水平不斷提升。《北京卷考試說明》提醒生物學教師，在教學中要重視培養(yǎng)和發(fā)展學生的學科能力，不僅如此，還要注重能力培養(yǎng)的層次性，在學生理解的基礎上逐步培養(yǎng)高階能力水平。這種基于學科能力培養(yǎng)的教學思路同樣適用于初中生物學教學?；谝陨纤伎?，筆者結合生物學學科能力要點，對北京版初中生物學教材“酒精對水蚤心率的影響”實驗進行了精心設計。

1 教材分析

“探究酒精對水蚤心率的影響”是北京版初中生物學教材第15 章“健康地生活”第5 節(jié)“健康的生活方式”中的實驗。通過本實驗，學生能直觀感受到酒精的危害，從而自覺拒絕酗酒等不良行為，樹立健康生活的意識。本實驗作為北京市高級中等學校招生考試《考試說明》中的一個參考實驗，在培養(yǎng)學生能力方面具有重要作用。

本實驗由2 課時完成，第1 課時帶領學生按照科學探究的基本過程，歷經提出問題、作出假設、設計實驗、完成實驗各個環(huán)節(jié)完成實驗操作。課堂中提供5%、10%、15%、20%等4 種濃度的酒精，將全班學生分為4 個大組，每個大組指定使用1 種酒精濃度進行實驗。學生2 人一小組，挑選1 只每10 s心跳次數(shù)在32～36 之間的水蚤作為實驗材料，先記錄水蚤在清水中10 s 心跳的次數(shù)，連續(xù)記錄3 次，再吸干清水，滴入指定濃度的酒精，3 min 后記錄水蚤在指定濃度酒精中10 s 心跳的次數(shù)，仍然連續(xù)記數(shù)3 次，獲得實驗數(shù)據。第2 課時帶領學生對實驗數(shù)據進行分析，形成概念，并嘗試對概念進行擴展和應用。本文是第2 課時的教學設計，重在培養(yǎng)學生的理解能力、應用能力和思辨能力。

2 教學過程設計及分析

2.1 通過對實驗數(shù)據的處理分析形成概念，培養(yǎng)理解能力

2.1.1 制造矛盾沖突，進行數(shù)據處理 依次出示3個小組的實驗數(shù)據，分別詢問該組學生: 你的實驗數(shù)據是否可信？根據數(shù)據你能得出什么結論？與之前假設是否相符?

表1 3 組學生獲得的實驗數(shù)據

3個小組的學生都認為自己的實驗數(shù)據很可信，并分別根據數(shù)據得出了10%的酒精能使水蚤心率加快、減慢、基本不變的結論。此時，學生一片嘩然。

教師追問：同樣的實驗，3 個小組得出了完全不同的結論，這是為什么？到底哪組的結論是正確的？ 應如何作出判斷？

學生都認為出現(xiàn)這樣相互矛盾的結果是水蚤數(shù)目和實驗次數(shù)太少造成的，大部分學生提出應重新實驗，收集更多的數(shù)據進行比較。個別學生突然醒悟：全年級都做了實驗，應根據全年級的數(shù)據分析才能得出正確結論。該提議得到了全體學生的認同。教師課前已將所有實驗數(shù)據錄入到Excel表中，此時現(xiàn)場計算出全年級數(shù)據的平均值，得到數(shù)據（表2）。

表2 年級實驗數(shù)據

學生對于表2 的數(shù)據結果都很驚訝，這與他們的經驗太不相符了。此前幾乎所有的學生都認為酒精能加快水蚤的心率，他們作出假設的依據是人飲酒后常會出現(xiàn)情緒激動、自控能力差等表現(xiàn)。本著尊重事實的原則，學生雖心存疑惑，但還是暫時將數(shù)據填寫在了學案中。

2.1.2 用曲線圖表征數(shù)據 為直觀比較不同酒精濃度對水蚤心率的影響趨勢，教師指導學生在學案的坐標圖中繪制曲線，并提醒學生：畫曲線圖時要注意橫坐標、縱坐標代表的含義，此外要特別注意清水應該標注的位置。

圖1 酒精濃度對水蚤心率的影響

大多數(shù)學生都能確定出橫坐標代表酒精濃度、縱坐標代表水蚤10 s 心跳次數(shù)，有部分學生不太確定清水的位置，在其他學生的幫助下也完成了曲線圖（圖1）。

2.1.3 解讀曲線，得出結論 根據曲線能得出什么結論？ 學生回答酒精濃度越高，水蚤心率越慢。教師提醒學生要注意清水的作用，學生都知道清水組是酒精組的對照組。結合對照組，能得出什么結論？ 最終師生對實驗結論達成共識：①酒精能減慢水蚤的心率；②酒精濃度越高，水蚤心率越慢。

教師補充：酒精引起水蚤心率減慢的原因是麻痹了其神經系統(tǒng)。當酒精的濃度達到20%時，水蚤的神經系統(tǒng)會被完全麻痹而心跳停止，導致死亡。

同時進行方法強調：分析數(shù)據時，要做到2 種比較：一是實驗組與對照組比較，通過比較對實驗結果進行定性；二是實驗組之間相互比較，通過比較發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律。

2.1.4 補充數(shù)據，完善概念 根據生活經驗，學生都知道酒精能使人興奮、心率加快，為什么酒精對水蚤心率的影響與對人體心率的影響不同？ 學生提出2 種解釋，一是水蚤心臟與人體心臟對酒精刺激的反應不同；二是水蚤與人對酒精濃度的耐受度不同。對于第1 種解釋，很快被其他學生反駁，雖然生物種類不同，但生命具有統(tǒng)一性，水蚤和人的心臟都是由心肌細胞構成的，2 種細胞的結構及功能是相似的，從這個角度分析，兩者對酒精刺激的反應也應該類似。是因為兩者對酒精耐受度不同造成的嗎？ 教師出示了課外小組做的另一組實驗數(shù)據（表3）。

表3 酒精濃度對水蚤心率的影響

圖2 不同濃度酒精對水蚤心率的影響

當學生看到這組數(shù)據時，恍然大悟，立刻認識到課堂得到的實驗結果是因為酒精濃度過大造成的。將數(shù)據轉換為曲線，描述不同濃度酒精對水蚤心率的影響規(guī)律 ：當酒精濃度小于0.2%時，隨著濃度增加，水蚤心率加快；當酒精濃度大于0.2%時，隨著濃度增加，水蚤心率減慢。

教師進行方法強調：當曲線的趨勢發(fā)生變化時，應找到拐點，分段描述。

以上4 個環(huán)節(jié)，重在帶領學生處理數(shù)據、分析數(shù)據、形成概念、完善概念。第1 環(huán)節(jié)，通過制造矛盾沖突，使學生認識到重復實驗的重要性，真正理解樣本量越大、實驗重復的次數(shù)越多，實驗誤差就越小，實驗結果就更具說服力。同時可看到，學生在平時分析試題的過程中，對“進行重復實驗”“求平均值”這樣的作答能脫口而出，但當面對真實的數(shù)據情境時，卻往往無所適從。可見，學生還不善于將所學用于生活實際，學習的知識內容與解決真實問題之間還存在脫節(jié)。第2 環(huán)節(jié)，通過改變數(shù)據的呈現(xiàn)形式，學生感受到科學探究不僅要獲得數(shù)據，還要能用適當?shù)男问匠尸F(xiàn)實驗結果。通過繪制曲線圖，加深學生對曲線圖的認識，知道曲線表示自變量與因變量之間的關系，即縱坐標隨著橫坐標的變化而變化，因此讀圖時應先看橫坐標，再看縱坐標。第3 環(huán)節(jié)，分析實驗數(shù)據，發(fā)現(xiàn)不同濃度酒精對水蚤心率影響的規(guī)律，形成概念。第4 環(huán)節(jié)，補充低濃度酒精下的實驗數(shù)據，使學生全面認識到酒精濃度對水蚤心率的影響，補充和完善了概念，同時學會有拐點曲線的解讀方法。至此，學生從數(shù)據處理到數(shù)據分析再到結論的得出，對本實驗原型的理解及實驗技能的訓練基本到位，獲得了學科知識和活動經驗，對實驗的理解能力得到提升。

2.2 根據所學知識經驗對相關現(xiàn)象做出推理、論證，培養(yǎng)應用、思辨能力

2.2.1 其他因素對水蚤心率的影響 根據生活經驗判斷，還有哪些因素或物質能影響心率？如何影響？ 學生猜測香煙、咖啡等能使心率加快，一些鎮(zhèn)靜藥物會使心率減慢。教師出示以下2 個情境實驗，引導學生應用知識和經驗進行分析，作出判斷，發(fā)展能力。

實驗1：煙草浸出液對水蚤心率影響的實驗結果。

實驗小組在4 份等量的香煙煙絲中分別加入20 mL、30 mL、40 mL、50 mL 的蒸餾水浸泡 1 d，用浸出液做探究實驗，得到的實驗數(shù)據如圖3 所示［2］。下列分析正確的是（）。

圖3 煙草浸出液對水蚤心率的影響

A.該實驗要研究的問題是水蚤心率對煙草浸出液的影響

B.清水中不含煙草浸出液，該組沒有必要設置

C.實驗水蚤心率越快，就越能說明吸煙減輕了心臟的負擔

D.在一定濃度范圍內煙草浸出液對水蚤心率有促進作用

實驗2：功能性飲料對水蚤心率影響的實驗結果。

學習小組學生想探究長期喝功能性飲料是否對健康有害，他們用甲、乙2 組水蚤作為實驗材料，制作臨時裝片，計數(shù)在不同濃度的功能性飲料中水蚤的心率變化情況。表4 是記錄的結果。

表4 不同濃度功能性飲料對水蚤心率的影響（單位：次／min）

下列敘述正確的是（）。

A.所得數(shù)據是水蚤10 s 心跳的次數(shù)

B.同一組水蚤可在2 種濃度功能性飲料中重復使用

C.水蚤心率加快，是因為功能性飲料麻醉了水蚤的神經系統(tǒng)

D.此實驗結果說明，功能性飲料能促進水蚤的心率，且濃度越大，影響越大

2.2.2 酒精對人體的影響

教師提出問題：根據以上實驗，能否推測出酒精對人的心率有什么影響？ 你能理解禁止酒后駕駛的原因嗎？

因為具備了酒精對水蚤心率影響的知識，學生順利回答出低濃度酒精使人的心率加快，高濃度酒精能夠麻醉神經系統(tǒng)，使心率減慢，因此大量飲酒后駕車反應能力慢等。教師強調：過量的酒精會麻痹人的腦和神經系統(tǒng)，若一次性飲酒過多，甚至還可能出現(xiàn)心跳停止、導致死亡的嚴重后果。酒后駕車，由于酒精對神經系統(tǒng)的麻醉作用，造成大腦活動遲緩，對刺激的反應時間延長，感覺器官和運動器官例如眼、手、腳之間的配合功能發(fā)生障礙等，很容易導致事故的發(fā)生。

酒精僅對神經系統(tǒng)有影響嗎？

補充資料：酒精進入人體后，首先在胃部被迅速吸收，可能對胃粘膜造成損害，容易引起胃潰瘍、腹瀉、慢性胃炎等癥狀；肝臟是酒精的主要代謝器官，酒精的代謝產物乙醛能直接引起肝細胞的損傷，經常性的酗酒可能造成脂肪肝，可能會惡化成肝炎、肝硬化甚至肝癌；乙醛對腦神經組織有毒性作用，長期過量飲酒會造成腦神經細胞損傷，從而引起中樞神經系統(tǒng)功能障礙，導致肌肉不協(xié)調、反應遲鈍、注意力不集中、記憶力減退等，尤其是女性妊娠期飲酒可能導致胎兒神經系統(tǒng)發(fā)育障礙。人體不能從酒精代謝中獲取有益的物質，同時要排出產生的大量熱能、水和CO2，增加了肺、腎、心臟等器官的負擔。隨著社會的發(fā)展及人們生活水平的不斷提高，要用科學的態(tài)度對待酒文化，使社會健康發(fā)展［3］。

請回答問題：

1）據資料可知，酒精可能對______、______、______、______等系統(tǒng)造成不良影響。

2）為什么過量飲酒會增加胃腸、肺、腎、心臟這些器官的負擔？

3）從以上酒精的吸收、代謝過程可看出，人體雖然有多個系統(tǒng)組成，但這些系統(tǒng)相互聯(lián)系和配合，使人體成為一個統(tǒng)一的整體，這主要是______系統(tǒng)調節(jié)的結果。

本部分旨在培養(yǎng)學生應用、思辨的高階思維能力。

第1 環(huán)節(jié)，引入相近情境，由酒精擴展到其他影響因素，通過分析每一個選項正確與否，學生運用已掌握的概念分析其他相關實驗，通過判斷推理得出新結論，進行遷移訓練。這其中既有對概念知識的應用，又有對實驗技能的考查，還有對讀圖讀表能力的檢核，對學生能力是一個全面的訓練。教師提供的閱讀資料，以人體對酒精的吸收、代謝過程為主線，將神經系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等的功能相聯(lián)系，從酒精對心率的影響擴展到對全身各個器官的影響。學生論證酒精在被吸收、代謝的過程中對人體各器官系統(tǒng)造成的傷害，建立起知識之間的內在聯(lián)系，理解人體各系統(tǒng)之間的統(tǒng)一協(xié)調關系，體會到人體是一個統(tǒng)一的整體。

3 基于生物學科能力教學設計的思考

3.1 理解能力是學科能力的基礎 理解能力是最基本的生物學學科能力，能力水平最低，是學習過程中信息輸入后所引起的認知結構變化，而應用和思辨、創(chuàng)新則是在理解基礎上的信息輸出能力。因此，學生理解的程度直接影響著應用和思辨、創(chuàng)新的質量。本實驗中，學生只有對實驗原理、操作過程、實驗結果的分析理解到位，才能分析、判斷、推理其他相關實驗。離開理解能力，應用和思辨、創(chuàng)新將會是空中樓閣。故而在教學中要切切實實地落實基礎知識、基本技能的教學，不可好高騖遠，一味追求高階能力的訓練而忽略基礎的落實。

3.2 學生的學習活動是提升學科能力的途徑能力不是教出來的，而是學生在學習活動中形成和發(fā)展的。本節(jié)課中，圍繞著實驗設計了一系列的學習活動，例如處理數(shù)據、轉換數(shù)據呈現(xiàn)方式、解讀數(shù)據、分析資料、解釋推理其他相關實驗等，學生在參與活動、解決問題的過程中，能力得到有效的訓練和提升。

3.3 知識和活動經驗是學科能力的基本構成要素 學科能力是指學生順利進行相應學科的認識活動和問題解決活動所必需的、穩(wěn)定的心理調節(jié)機制，學科核心知識和活動經驗是學科能力的基礎［4］。在指導學生的學習活動時，教師不僅要重視知識的落實，同時還要重視學生學習經驗的獲得。本節(jié)課中，不僅通過對數(shù)據的分析得出結論，更根據學習的需要強調了經驗技能，例如實驗的操作原理、分析數(shù)據時的比較、畫曲線圖時橫、縱坐標的含義、對有拐點曲線的分段描述等，這些經驗技能不僅是學科能力的重要組成部分，同時也是學生獲得知識、構建概念的保障。