基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實驗教學(xué)設(shè)計
——以“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”為例

（大通縣第二完全中學(xué) 青海西寧 810100）

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展起來的，在解決真實情景中的實際問題時所表現(xiàn)出來的價值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力。其中包含的重要一點是：能理性思考與論證生命現(xiàn)象及規(guī)律并具備一定的科學(xué)探究與合作能力。

1 前端分析

1.1 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”是人教版生物教材必修一第六章第一節(jié)“細(xì)胞的增殖”中一個經(jīng)典的生物學(xué)實驗。本實驗的內(nèi)容包括目的要求、原理、材料用具、方法步驟、結(jié)論和討論等。為了便于學(xué)生操作，增強操作步驟的目的性和條理性，教材把裝片制作過程中的步驟、方法、所需時間和操作目的以表格的形式展示出來，增強了教學(xué)內(nèi)容的直觀性。本實驗的關(guān)鍵是進(jìn)行裝片的制作并利用顯微鏡觀察，但是裝片制作的難度較大且觀察效果有限，所以在教材中處理為驗證性實驗。

1.2 學(xué)習(xí)者分析

本實驗的授課對象是高一的學(xué)生，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)了臨時裝片的制作方法，初步掌握了裝片制作所需要的操作技能，但本實驗中解離、染色的時間要嚴(yán)格控制，壓片時用力要恰當(dāng)。這些都增加了裝片制作的難度，對學(xué)生而言是一個挑戰(zhàn)。對于觀察，學(xué)生在之前的實驗中已經(jīng)能夠熟練地使用顯微鏡觀察不同細(xì)胞，也具備低倍鏡轉(zhuǎn)換到高倍鏡的操作技能。同時，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的自主探究能力，能夠利用虛擬仿真軟件來完成實驗過程。

1.3 學(xué)習(xí)環(huán)境分析

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，教師在教學(xué)中應(yīng)開展一系列具有探究性的學(xué)習(xí)活動，以此提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。因此，本節(jié)課利用計算機多媒體教室并借助虛擬仿真軟件來進(jìn)行實驗探究，突出教學(xué)手段和教學(xué)方法的現(xiàn)代化，并適應(yīng)教學(xué)的個性化需求。

2 教學(xué)目標(biāo)

①學(xué)會裝片制作的操作技能，提高動手實踐能力，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，學(xué)會對實驗結(jié)果進(jìn)行交流與討論。

②能使用高倍顯微鏡觀察根尖分生區(qū)細(xì)胞的有絲分裂，并運用其中的操作技能和科學(xué)思維對其他適宜材料進(jìn)行觀察研究，闡釋不同材料的細(xì)胞分裂現(xiàn)象，總結(jié)細(xì)胞分裂規(guī)律。

③基于對細(xì)胞有絲分裂現(xiàn)象的觀察，理解通過有絲分裂維持染色體數(shù)目穩(wěn)定的科學(xué)規(guī)律，認(rèn)同生命過程的精致和奇妙，形成生命觀念，嘗試以審美的視角舉例闡釋生命過程。

3 教學(xué)策略

本實驗展示的是一個真實的細(xì)胞分裂現(xiàn)象。這種真實的情境能很好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的求知欲。但是，由于本實驗中洋蔥根尖的培養(yǎng)需要在實驗前3～4 d進(jìn)行，而且裝片制作時解離、漂洗、染色等步驟還需要一定的等待時間，使得實驗所需時間長。加之，本實驗中裝片制作的難度較大，觀察效果有限，而且解離最好在上午10時～下午2時，讓全年級學(xué)生集中在這個時間段內(nèi)進(jìn)行實驗不現(xiàn)實。筆者嘗試將信息化條件下的虛擬仿真實驗引入本實驗教學(xué)中，實施知識發(fā)生過程式教學(xué)，在提高教學(xué)效果的同時發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)中，教師通過虛擬實驗操作，使學(xué)生全感官參與學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在親身體驗裝片制作過程的同時，真實地觀察到細(xì)胞分裂不同時期的圖像，進(jìn)而總結(jié)細(xì)胞分裂規(guī)律，認(rèn)同生命過程的精致和奇妙，落實生命觀念培養(yǎng)的目標(biāo)。

在本實驗中，筆者選擇支持交互操作的“東師理想生物虛擬實驗平臺”進(jìn)行虛擬仿真實驗。

4 教學(xué)媒體的選擇

虛擬仿真實驗軟件有利于學(xué)生直觀感受實驗過程。教師同時利用“東師理想云教學(xué)平臺”的“備課助手”制作教師版和學(xué)生版交互式課件輔助教學(xué)，便于呈現(xiàn)實驗結(jié)論、注意事項等重點內(nèi)容；利用計算機多媒體教室進(jìn)行教學(xué)，可以呈現(xiàn)教學(xué)過程中的學(xué)生操作過程，也便于學(xué)生回顧、總結(jié)重點內(nèi)容，既方便了教師教學(xué)，也方便了學(xué)生學(xué)習(xí)。

5 教學(xué)過程

5.1 復(fù)習(xí)引入

教師展示學(xué)生手繪的有絲分裂模式圖，要求學(xué)生辨別圖示的時期并用一句話概括該時期的特點。接著，創(chuàng)設(shè)過渡的問題情境：剛才觀察的是同學(xué)們自己手繪的細(xì)胞分裂過程模式圖，那細(xì)胞有絲分裂的真實圖像是怎么樣呢？想不想觀察一下真實的細(xì)胞分裂圖像呢？要觀察細(xì)胞有絲分裂的真實圖像，就要通過實驗來進(jìn)行觀察，本節(jié)課就通過“洋蔥根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實驗來觀察一下細(xì)胞真實的有絲分裂圖像。

學(xué)生識圖，回憶有絲分裂各個時期的特征并作答。

設(shè)計意圖：教師利用學(xué)生自己手繪的有絲分裂模式圖，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固有絲分裂的基礎(chǔ)知識并過渡到新授課的內(nèi)容，幫助學(xué)生形成知識網(wǎng)絡(luò)圖，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

5.2 探究新知

5.2.1 探究一：實驗?zāi)康募霸?/p>

教師利用虛擬仿真實驗平臺的交互式課件展示本實驗的實驗?zāi)康牟⒆龊唵谓榻B：（1）制作洋蔥根尖細(xì)胞裝片；（2）觀察植物細(xì)胞有絲分裂的過程，識別有絲分裂的不同時期，通過統(tǒng)計每一時期的細(xì)胞數(shù)與計數(shù)細(xì)胞總數(shù)的比例來比較細(xì)胞周期不同時期的時間長短。接著，展示實驗原理（圖1）。

師生共同探討本實驗材料的選材依據(jù)：根尖包括根冠、分生區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)，只有分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂旺盛，所以選擇分生區(qū)細(xì)胞作為實驗材料。分生區(qū)細(xì)胞在根尖中0～3 mm處，呈正方形、排列緊密。強調(diào)實驗材料的正確選擇是實驗成功的關(guān)鍵，教師列舉科學(xué)史上孟德爾選擇豌豆、摩爾根選擇果蠅做實驗取得成功的例子，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案時學(xué)會選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒灢牧希瑥亩鋵嵖茖W(xué)探究培養(yǎng)的目標(biāo)。

各小組開展探究活動，探討并解決以下問題：（1）材料為何選擇根尖分生區(qū)細(xì)胞？（2）分生區(qū)細(xì)胞在根尖中的什么位置上？（3）在觀察時如何找到分生區(qū)細(xì)胞？

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識對實驗材料的選擇，做出科學(xué)的解釋，學(xué)會實驗設(shè)計中材料選擇的依據(jù)和一般原則，明確實驗成功的關(guān)鍵是選擇合適的實驗材料。

5.2.2 探究二：實驗設(shè)計中的一些探究問題

教師展示實驗設(shè)計要解決的2個探究問題（圖2）：（1）觀察細(xì)胞有絲分裂的實驗應(yīng)選擇哪種材料？（2）請將實驗過程和所需時間填寫完整。

學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺的學(xué)生版交互式課件中根據(jù)預(yù)習(xí)的內(nèi)容對所探究的問題做出解答，并在自己的交互式課件中查看答案正確與否（圖3）。依次完成2個探究問題，學(xué)生可以知曉并熟悉實驗材料的選擇和實驗具體操作的步驟，學(xué)會進(jìn)行實驗的方法和技能，助力獨立完成實驗。

設(shè)計意圖：教師通過引導(dǎo)學(xué)生解決平臺設(shè)計的2個重要探究問題，讓學(xué)生知曉并熟悉實驗材料的選擇和實驗具體操作的步驟，有助于后期實驗的順利進(jìn)行。

5.2.3 探究三：實驗過程

教師在虛擬仿真實驗平臺邊講解操作要點邊分步驟演示（圖4），加深學(xué)生對實驗過程中的操作步驟和操作技巧的記憶，并就實驗過程中的注意事項形成初步印象。

學(xué)生觀看演示過程，熟悉操作步驟。

設(shè)計意圖：教師通過動態(tài)演示實驗過程，實施知識發(fā)生過程式教學(xué)，充分利用視聽媒體使學(xué)生全感官參與學(xué)習(xí)。

5.3 實踐操作

5.3.1 實踐操作一：個人獨立操作

教師指導(dǎo)學(xué)生在自己的電腦上打開學(xué)生版交互式課件中的虛擬仿真實驗進(jìn)行實踐操作，并巡回指導(dǎo)，觀察學(xué)生操作中存在的問題與創(chuàng)新之處。

學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺上獨立進(jìn)行實驗操作，明確實驗步驟中每一步操作所用試劑、操作目的、所需時間長短、注意事項等（圖5）。

設(shè)計意圖：教師培養(yǎng)學(xué)生虛擬仿真實驗的操作技能，體驗完整的實驗過程，并以此發(fā)展學(xué)生獨立利用虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行實驗探究的能力。

5.3.2 實踐操作二：學(xué)生操作觀摩

教師根據(jù)在巡回指導(dǎo)時發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作中的亮點，請有創(chuàng)新之處的學(xué)生在自己的電腦上獨立進(jìn)行實驗操作，并利用多媒體小哨兵系統(tǒng)，將學(xué)生的操作投影到教室的白板上，請其他學(xué)生觀摩。

學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)優(yōu)秀學(xué)生的操作過程，大膽分享自己的實驗心得，解釋自己操作中的獨到之處，探討實驗中出現(xiàn)的問題。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過實驗過程的共享，加深對實驗過程的理解。教師要鼓勵學(xué)生分享體會，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)和交流能力。

5.4 實驗評價與反饋

教師簡單地小結(jié)實驗，梳理實驗注意事項，組織學(xué)生分享對本節(jié)實驗課的收獲、感悟和存在的疑問。

學(xué)生自主評價本節(jié)實驗課的成果。

設(shè)計意圖：教師采用學(xué)生自評的方式進(jìn)行形成性評價，可以更好地掌握學(xué)生在實驗理解、實驗操作、實驗收獲等方面的情況。

6 教學(xué)反思

本實驗探究活動具有一定的復(fù)雜性，如果進(jìn)行真實實驗，學(xué)生很難在有限的時間內(nèi)完成裝片的制作，而且觀察效果也有限，所以選擇了虛擬仿真實驗進(jìn)行替代，在一定程度上彌補了不能進(jìn)行真實實驗的遺憾。虛擬仿真實驗教學(xué)可以在較短時間內(nèi)讓學(xué)生經(jīng)歷實驗設(shè)計、實驗操作、實驗觀察等環(huán)節(jié)，并使學(xué)生鞏固實驗設(shè)計的基本原則及實驗操作的細(xì)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生形成正確的生命觀念，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。