淺談開(kāi)展課外實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維與實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)
——以“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計(jì)數(shù)”為例

云南

隨著《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》對(duì)學(xué)生科學(xué)思維與實(shí)驗(yàn)探究能力的要求越來(lái)越高，筆者以學(xué)生開(kāi)展的課外生物實(shí)驗(yàn)“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計(jì)數(shù)”為例，詳細(xì)介紹了在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)三大環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與實(shí)驗(yàn)探究能力的過(guò)程，以期提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.開(kāi)展課外生物實(shí)驗(yàn)的背景

隨著新課程的改革，近年來(lái)人們逐漸認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中生物教學(xué)中，尤其是在落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)中發(fā)揮著極其重要的作用，各學(xué)校都在大力支持、推進(jìn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)課程，然而因課堂教學(xué)時(shí)間有限，為突破時(shí)間、空間限制，有必要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)從課堂延伸到課外。在課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師只需發(fā)揮引導(dǎo)作用，更多的是小組學(xué)生合作探究學(xué)習(xí)。江西省的陳金喜老師在文章中提出通過(guò)高中生物實(shí)驗(yàn)的課外活動(dòng)，能有效提高學(xué)生觀察和動(dòng)手實(shí)踐等能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維?！巴寥乐蟹纸饽蛩氐募?xì)菌的分離與計(jì)數(shù)”是人教版高中生物教材選修1 中的實(shí)驗(yàn)，鑒于本實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)操作難度大等問(wèn)題，所以筆者將本實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排為在教師的引導(dǎo)下到課外去開(kāi)展的形式，參加成員為學(xué)校生物研究社的學(xué)生。通過(guò)實(shí)踐證明，在開(kāi)展課外實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都能很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與實(shí)驗(yàn)探究能力。

2.科學(xué)思維與實(shí)驗(yàn)探究能力培養(yǎng)的過(guò)程

2.1 通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力

在正式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生首先要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括要了解需要用到的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)生需要到實(shí)驗(yàn)室去核查有無(wú)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材，若有則需查閱儀器的使用方法以及化學(xué)試劑的配制方法；若無(wú)相應(yīng)器材則需購(gòu)買或者改變實(shí)驗(yàn)方法采用其他器材代替。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法的過(guò)程中，關(guān)于土壤的取樣、選擇培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)、稀釋涂布平板操作中稀釋倍數(shù)的確定、統(tǒng)計(jì)平板上菌落數(shù)目的方法等諸多問(wèn)題都引起了小組同學(xué)的激烈討論，之后他們就去查閱課本和資料，請(qǐng)老師指導(dǎo)，最終完成預(yù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，小組成員間實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維的碰撞，同時(shí)也提升了學(xué)生作答實(shí)驗(yàn)探究類題目的能力。

2.2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力

學(xué)生在按照預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展可能不太順利，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是自己所預(yù)期的。比如把稀釋涂布平板操作中的稀釋倍數(shù)確定為104、105、106，結(jié)果所有選擇培養(yǎng)基平板上的菌落數(shù)均小于30，不符合進(jìn)行下一步計(jì)數(shù)分離尿素的細(xì)菌實(shí)驗(yàn)的條件。再比如用酚酞代替酚紅進(jìn)行脲酶鑒定，結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)指示劑變紅的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)失敗后，小組同學(xué)分析了實(shí)驗(yàn)失敗的原因，明確問(wèn)題所在，并及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案再次嘗試。如“平板上菌落數(shù)均小于30”的問(wèn)題，學(xué)生經(jīng)仔細(xì)閱讀課本后才發(fā)現(xiàn)“測(cè)定土壤中細(xì)菌的總數(shù)一般選用104、105、106倍稀釋梯度的稀釋液，而測(cè)定土壤中某類特定的細(xì)菌，因土壤樣品的差異性，在第一次做分離細(xì)菌實(shí)驗(yàn)時(shí)為得到菌落數(shù)在30～300 的平板，最好將稀釋倍數(shù)放寬一些”，于是學(xué)生把實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整為“分別將103～107倍5 個(gè)稀釋梯度的稀釋液涂布至平板上，在35℃下培養(yǎng)48 h 進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在103倍的稀釋梯度下可得到符合要求的平板（菌落數(shù)為90 左右）。再比如“指示劑未變紅”的問(wèn)題，學(xué)生經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)酚酞的變色范圍是pH在8.2～10.0，而酚紅的變色范圍是pH 在6.8～8.0，即酚紅在低pH 下會(huì)變?yōu)榧t色，而且反應(yīng)靈敏，因此不能用酚酞代替酚紅用于脲酶鑒定，學(xué)生后來(lái)又重新購(gòu)買酚紅再次嘗試，實(shí)驗(yàn)獲得成功。在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，一方面培養(yǎng)了學(xué)生仔細(xì)研讀課本、科研資料的好習(xí)慣；另一方面在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力，使他們養(yǎng)成實(shí)事求是、思維縝密的科研好習(xí)慣。

2.3 通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力

學(xué)生在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中存在一些不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?，?dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不太可靠，于是他們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完善補(bǔ)充。比如在觀察、記錄選擇培養(yǎng)基平板上菌落的特征時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有菌落連到一起的現(xiàn)象，于是他們提出了2 個(gè)問(wèn)題：（1）一個(gè)菌落有沒(méi)有可能是由多種細(xì)菌融合形成的？（2）形狀、大小、顏色等相似的菌落有沒(méi)有可能是由不同類型的菌種形成的？在思考討論之后，學(xué)生認(rèn)為不能利用初篩的平板來(lái)記錄菌落的特征，要對(duì)初篩的菌落進(jìn)行進(jìn)一步的分離純化，而且要進(jìn)行細(xì)胞水平的顯微鏡觀察，最后再記錄菌落的特征。再比如在對(duì)分解尿素的細(xì)菌進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，有的學(xué)生提出“在以尿素為唯一氮源的選擇培養(yǎng)基上長(zhǎng)出的細(xì)菌不一定能分解尿素，有可能是它離能分解尿素的細(xì)菌距離很近，可以直接利用尿素分解完的產(chǎn)物，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定，鑒定呈陽(yáng)性菌后再進(jìn)行計(jì)數(shù)”。針對(duì)“記錄菌落特征”的問(wèn)題，學(xué)生將選擇培養(yǎng)基上不同特征的菌落采用平板劃線法分別接種到新的選擇培養(yǎng)基上，35℃下培養(yǎng)48 h，并進(jìn)行革蘭氏染色，之后在1 000 倍的油鏡下顯微觀察，結(jié)果如圖所示：A 型菌落白色、球形、凸起、邊緣整齊、濕潤(rùn)，革蘭氏染色為紫色、細(xì)胞呈球狀；B 型菌落黃色、球形、凸起、邊緣整齊、濕潤(rùn)，革蘭氏染色為紫色、細(xì)胞呈桿狀；C 型菌落白色、扁平、邊緣不規(guī)則、干燥，革蘭氏染色為紅色、細(xì)胞呈球狀。

選擇培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)及革蘭氏染色顯微圖

針對(duì)“分解尿素的細(xì)菌鑒定”的問(wèn)題，課本上只是很簡(jiǎn)單地介紹了原理和方法，沒(méi)有具體的操作步驟，學(xué)生采用類比推理的研究方法，參照選修1課本上的“分離纖維素分解菌”的實(shí)驗(yàn)對(duì)“酚紅加入的時(shí)間”和“固、液培養(yǎng)基鑒定比較”2 個(gè)問(wèn)題展開(kāi)了深入探究。針對(duì)“酚紅加入的時(shí)間”，他們?cè)O(shè)計(jì)了“在培養(yǎng)基滅菌之前加入酚紅”“在培養(yǎng)基滅菌之后分解尿素的細(xì)菌長(zhǎng)出之前加入酚紅”“在分解尿素的細(xì)菌長(zhǎng)出之后加入酚紅”3 個(gè)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比，對(duì)A 型菌進(jìn)行了探究，結(jié)果顯示只有在滅菌之后加入酚紅指示劑才會(huì)變成紅色，且無(wú)論在分解尿素的細(xì)菌長(zhǎng)出之前或之后加入顯色效果均很明顯。學(xué)生又利用孟德?tīng)柕摹坝缮俚蕉?、由?jiǎn)單到復(fù)雜”的研究方法，鑒定了B 型菌和C 型菌，結(jié)果與A 型菌相同?；凇半迕笇儆诎饷浮边@一推測(cè)，依據(jù)假說(shuō)-演繹的研究思路，學(xué)生首先提出假設(shè)：液體培養(yǎng)基鑒定比固體培養(yǎng)基鑒定效果更好。接下來(lái)他們?cè)诜纸饽蛩氐募?xì)菌長(zhǎng)出之前和之后分別加入酚紅指示劑，用量為每200 mL 的培養(yǎng)基加入5 mL 2 g/L 的酚紅指示劑，首先挑取A 型菌接種到試管液體培養(yǎng)基中，在35℃、100 rpm 的條件下進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果在培養(yǎng)20 h 左右，酚紅指示劑均變成紅色，且效果很明顯。學(xué)生又用同樣的方法鑒定了B 型菌和C 型菌，均在培養(yǎng)20 h 左右出現(xiàn)明顯的紅色，均證明菌落為脲酶陽(yáng)性菌，與固體培養(yǎng)基鑒定結(jié)果一致，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了學(xué)生的假設(shè)“液體培養(yǎng)基鑒定效果更好”是正確的。在這一環(huán)節(jié)中培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究習(xí)慣，把他們的科學(xué)思維向更深的層次進(jìn)行了拓展和延伸，通過(guò)“脲酶液體鑒定”這一改良實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)創(chuàng)新性地解決當(dāng)前所遇到的實(shí)際問(wèn)題，真正有效地培養(yǎng)了他們的實(shí)驗(yàn)探究能力。

教師在引導(dǎo)學(xué)生分析“選擇培養(yǎng)基是否起到篩選作用和實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基是否滅菌合格”這些問(wèn)題時(shí)，要讓學(xué)生去觀察比較“選擇培養(yǎng)基”“牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基”“不接種的空白培養(yǎng)基”的菌落生長(zhǎng)情況，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)選擇培養(yǎng)基上的菌落數(shù)遠(yuǎn)小于牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上的菌落數(shù)，而空白培養(yǎng)基上沒(méi)有菌落生長(zhǎng)，由此得出結(jié)論：選擇培養(yǎng)基的確起到篩選的作用且培養(yǎng)基是滅菌合格的。之后教師再來(lái)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要遵循“對(duì)照原則”“平行重復(fù)原則”“單一變量原則”等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則的意義。并讓學(xué)生反思在他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中有沒(méi)有必要遵循這些原則，若有必要，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否遵循了這些原則。通過(guò)這一環(huán)節(jié)有效地培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循原則的理解和認(rèn)可。

3.總結(jié)與展望

在本節(jié)課外生物實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生參與了整個(gè)課題研究過(guò)程，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)，使學(xué)生熟練地掌握了微生物實(shí)驗(yàn)的一般研究思路方法和常用技術(shù)手段，極大地提高了學(xué)生微生物實(shí)驗(yàn)操作的能力，同時(shí)通過(guò)理論和實(shí)踐相結(jié)合，教會(huì)了學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后要學(xué)會(huì)查閱資料、討論交流，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行完善，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中理解科學(xué)方法的本質(zhì)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)思維的體驗(yàn)，讓課外生物實(shí)驗(yàn)成為最能幫助學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力的載體，讓其發(fā)揮提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的作用。本課題的研究并不僅局限于上文中提到的內(nèi)容，對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，可以進(jìn)一步去探究如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較各種分解尿素的細(xì)菌的分解能力。通過(guò)進(jìn)一步地思考與探究，相信學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力會(huì)得到更大的提高。