基于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

朱云鵬

摘 要 以“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”這一實(shí)驗(yàn)為例，探討如何對(duì)創(chuàng)設(shè)情境、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與總結(jié)這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，從而順利地發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 學(xué)科核心素養(yǎng) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新 內(nèi)環(huán)境

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。新課程改革中倡導(dǎo)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)探究以及社會(huì)責(zé)任。下面以人教版高中生物必修三第一章第二節(jié)“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”這一實(shí)驗(yàn)為例，探討如何在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 創(chuàng)設(shè)探究情景，提升社會(huì)責(zé)任感

本實(shí)驗(yàn)選取“酸堿體質(zhì)理論”這一熱點(diǎn)問(wèn)題。該理論認(rèn)為：體質(zhì)的酸化是百病之源，而體質(zhì)酸化是由于吃了“酸性食物”引起的。所謂的酸性食物，如：魚(yú)、肉、米飯、酒等人類(lèi)的主副食品。在舉出實(shí)例后，教師提出問(wèn)題串：①機(jī)體自身代謝以及食物在消化吸收后經(jīng)代謝會(huì)不會(huì)產(chǎn)生一些酸性或堿性物質(zhì)？②當(dāng)這些物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境，內(nèi)環(huán)境能否維持pH的穩(wěn)定呢？③生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制又是什么？

針對(duì)問(wèn)題①，教師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，然后匯報(bào)討論結(jié)果。有的學(xué)生結(jié)合已學(xué)的生物學(xué)知識(shí)，提出：機(jī)體在劇烈運(yùn)動(dòng)之后會(huì)產(chǎn)生乳酸這一酸性物質(zhì)。有的學(xué)生則聯(lián)系生活提出：蘇打水這一食物屬于堿性物質(zhì)。在肯定學(xué)生回答之后，教師繼續(xù)追問(wèn)問(wèn)題②，引導(dǎo)學(xué)生利用pH傳感器、滴數(shù)傳感器以及磁力攪拌器等組裝實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，獨(dú)立解決。在綜合全班學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后（圖1），得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，持續(xù)向血漿中加入HCI或NaOH，血漿能夠維持pH的穩(wěn)定。這樣從而否定了“酸堿體質(zhì)理論”。

利用社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，一方面有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲，另一方面能培養(yǎng)學(xué)生正確地運(yùn)用所學(xué)的生物學(xué)知識(shí)和方法，依托實(shí)驗(yàn)，對(duì)社會(huì)熱點(diǎn)議題做出理性解釋?zhuān)鎰e迷信和偽科學(xué)，從而增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

2 拓展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生探究能力

針對(duì)問(wèn)題③，教材中實(shí)驗(yàn)是通過(guò)比較自來(lái)水、緩沖溶液（如NaHPO4、KH2P04等溶液，在加入酸或堿時(shí)，能使pH的變化減弱）和生物材料在加入酸或堿后pH的變化，推測(cè)生物體可能是含有緩沖物質(zhì)用于維持pH穩(wěn)定。在實(shí)際教學(xué)中，這樣通過(guò)類(lèi)比推理得出的可能性結(jié)果得不到學(xué)生的認(rèn)可。所以，教師在模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，新增化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)，證明血漿中確實(shí)含有緩沖物質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生推測(cè)：血漿中可能存在的緩沖物質(zhì)是什么？學(xué)生聯(lián)系細(xì)胞呼吸可以生成CO2，推測(cè)出內(nèi)環(huán)境中可能存在的緩沖物質(zhì)是H2C03/HCO3-。并聯(lián)系化學(xué)知識(shí)：因?yàn)镠CO3、H2CO3、CO32-這3種基團(tuán)或分子在溶液中可通過(guò)電離或水解產(chǎn)生彼此，所以只要確定溶液中含有其中一個(gè)，即可說(shuō)明溶液中含有HCO3-/H2CO3又因HCO3、CO32-都可與鹽酸發(fā)生反應(yīng)生成CO2。因此，學(xué)生找到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路：通過(guò)向材料中滴加HCl，檢測(cè)是否有CO2的生成，來(lái)確定溶液中是否含有H2CO3/HCO3這對(duì)緩沖物質(zhì)。

教材原有實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的比較見(jiàn)表1。

3 質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)展批判性思維

質(zhì)疑就是對(duì)已有材料提出問(wèn)題，是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的開(kāi)始。學(xué)生通過(guò)質(zhì)疑、分析、推論、認(rèn)證，學(xué)習(xí)多角度分析和解決問(wèn)題，從而培養(yǎng)批判性思維的培養(yǎng)。

在設(shè)計(jì)化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：僅憑向血漿中滴加HCI，檢測(cè)是否有CO2的生成，得出的結(jié)論是否嚴(yán)謹(jǐn)？學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的對(duì)照性原則，能夠想到缺少對(duì)照實(shí)驗(yàn)是無(wú)法得出嚴(yán)謹(jǐn)結(jié)論的，應(yīng)增加向蒸餾水滴加HCI，作為對(duì)照組。緊接著，教師繼續(xù)引導(dǎo)：如何檢測(cè)CO2的生成？學(xué)生提出可通過(guò)觀察氣泡的產(chǎn)生來(lái)確定。但在實(shí)際反復(fù)操作后，并沒(méi)有觀察到氣泡的產(chǎn)生。教師繼續(xù)鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出合理的解釋。有的學(xué)生認(rèn)為當(dāng)實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果不符時(shí)，說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤，也就是說(shuō)血漿中根本沒(méi)有H2CO3/HCO3-。而更多的學(xué)生則提出：可能因?yàn)檠獫{中HC03含量太低，雖然實(shí)際生成了CO2，但卻無(wú)法觀察到氣泡。繼而，教師引導(dǎo)學(xué)生利用CO2傳感器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)：未加入HCl時(shí)，兩組裝置的CO2含量曲線都沒(méi)有上升;在滴加HCl之后，相較于蒸餾水組，血漿組的CO2含量曲線明顯上升（圖2）。最終，學(xué)生得出結(jié)論：血漿中確實(shí)含有緩沖物質(zhì)H2CO3/HCO3-用于維持pH的穩(wěn)定。

絲絲入扣的質(zhì)疑讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)期和真實(shí)結(jié)果中，在小組討論和交流中，碰撞出智慧的火花，在完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的同時(shí)發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度。因此，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些不嚴(yán)謹(jǐn)、不合理、難以理解的地方，提出問(wèn)題，層層深入地啟發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)思路的認(rèn)識(shí)和理解。學(xué)生在解決質(zhì)疑的過(guò)程中，水到渠成地發(fā)展了批判性思維。

4 模擬動(dòng)畫(huà)總結(jié)，樹(shù)立生命觀念

教師利用師生共同設(shè)計(jì)的“模擬人體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”的動(dòng)畫(huà)演示，展示當(dāng)酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)進(jìn)入人體內(nèi)環(huán)境中發(fā)生的相應(yīng)代謝過(guò)程，并同時(shí)以曲線的形式呈現(xiàn)內(nèi)環(huán)境中pH變化。利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件模擬人體的pH穩(wěn)定的維持，通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立幫助學(xué)生達(dá)成生物體穩(wěn)態(tài)與平衡這一生命觀念。

5 教學(xué)反思

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)相對(duì)于教材實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①信息技術(shù)的合理運(yùn)用。內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過(guò)于抽象，運(yùn)用信息技術(shù)支撐課堂教學(xué)，形象直觀，可以幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)內(nèi)容。②實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新。在教科書(shū)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，新增了化學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)方法，明確找到血漿中H2CO3/HCO3這對(duì)緩沖物質(zhì)，增大了實(shí)驗(yàn)結(jié)論的說(shuō)服力。③檢測(cè)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)材料的改進(jìn)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)利用傳感器技術(shù)能夠幫助學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型從定量的角度分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)選擇的材料是血漿，相較于教材中選用的豬肝勻漿和馬鈴薯勻漿，其優(yōu)勢(shì)在于排除細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的干擾，是內(nèi)環(huán)境的組成之一，可以直接反映內(nèi)環(huán)境的pH變化。