指向素養(yǎng)發(fā)展的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)例析

（揚(yáng)州大學(xué)附屬中學(xué)東部分校 江蘇揚(yáng)州 225003）

中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)活動的重要組成部分之一，是促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的有效途徑，是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備較昂貴、實(shí)驗(yàn)材料難獲取、實(shí)驗(yàn)過程較復(fù)雜等諸多原因，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展。下面以蘇科版初中教材中“觀察植物葉表皮的氣孔結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)為例，闡述優(yōu)化改進(jìn)原有實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的途徑。

1 教材實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知邏輯與改進(jìn)方案

“觀察植物葉表皮的氣孔結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)是蘇科版八年級上冊第18章“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定”第1節(jié)“綠色植物與生物圈的水循環(huán)”的實(shí)驗(yàn)部分，重點(diǎn)是制作并觀察葉表皮的臨時(shí)裝片，難點(diǎn)是闡明氣孔開閉的原理。教師可以“生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性維持機(jī)制”為主線，貫穿前后章節(jié)的認(rèn)知邏輯體系，厘清物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持中的作用；促使學(xué)生通過觀察植物葉表皮氣孔的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到與蒸騰作用直接相關(guān)的結(jié)構(gòu)是葉片上的氣孔，形成生物體的結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的基本觀點(diǎn)，通過氣孔開與閉的機(jī)制與功能分析，初步形成辯證邏輯思維。

八年級學(xué)生對臨時(shí)裝片的制作已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)，也已經(jīng)能夠熟練操作顯微鏡，能通過實(shí)驗(yàn)觀察認(rèn)識氣孔的結(jié)構(gòu)，理解保衛(wèi)細(xì)胞調(diào)節(jié)氣孔開閉原理；能從多種多樣的實(shí)驗(yàn)材料中自主選擇材料，并以新鮮葉片和萎蔫葉片的上、下表皮做對照。學(xué)生將觀察到的氣孔畫出來，發(fā)展制作臨時(shí)裝片、熟練使用顯微鏡及繪圖的能力；并從觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，進(jìn)一步提升實(shí)踐能力，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)習(xí)慣與實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)勇于探索的科學(xué)精神。

為了提升教材實(shí)驗(yàn)的針對性和校本化，教師增設(shè)簡單的熱水浸泡演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生獲得直觀感受。一般情況下，植物葉下表皮氣孔多于上表皮氣孔數(shù)，有利于實(shí)驗(yàn)觀察。在實(shí)驗(yàn)中，教師增設(shè)以生菜葉、韭菜葉等為材料的分組實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探究不同種植物的上、下表皮氣孔結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及各種植物氣孔在新鮮狀態(tài)和萎蔫狀態(tài)下的情況，從而理解葉片是植物進(jìn)行蒸騰作用的主要場所，形成生物體結(jié)構(gòu)與功能是相適應(yīng)的觀點(diǎn)。同時(shí)，教師增設(shè)氣孔開閉原理探究實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生理解氣孔是如何開閉的，促進(jìn)學(xué)生通過分析氣孔開與閉的機(jī)制與功能，初步形成辯證邏輯思維。

（1）方案一：簡單的熱水浸泡演示實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)材料：新鮮的菠菜與生菜葉片、熱水、大燒杯、鑷子等。

實(shí)驗(yàn)過程：將熱水倒入大燒杯中冷卻至60～70℃，放入新鮮的菠菜、生菜葉片。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論：使用不同的植物葉片觀察，發(fā)現(xiàn)葉片的背面的氣泡數(shù)量一般均多于正面的氣泡數(shù)量。

優(yōu)點(diǎn)：①選材方便，便于操作；②實(shí)驗(yàn)效果直觀，可啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考；③實(shí)踐體驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣。

不足：無法充分展示氣孔的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

（2）方案二：探究多種葉片上氣孔數(shù)量與狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)材料：植物葉片（生菜、韭菜等）、鑷子解剖針、蓋玻片、載玻片、清水、顯微鏡等。

實(shí)驗(yàn)過程：2名學(xué)生組成一個(gè)合作小組。各組自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程：①制作葉表皮的臨時(shí)裝片（擦、滴、撕、放、蓋、吸）；②用低倍鏡觀察葉表皮；③數(shù)據(jù)記錄。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論：新鮮生菜的上表皮有氣孔2個(gè)，下表皮有5個(gè)；新鮮韭菜的則為4個(gè)、7個(gè)。新鮮葉片下表皮的氣孔數(shù)均多于上表皮；新鮮葉片氣孔呈張開狀態(tài)，萎蔫葉片氣孔呈閉合狀態(tài)，可能與不同植物細(xì)胞的生長發(fā)育狀態(tài)有關(guān)。同時(shí)，可觀察到氣孔由一對半月形保衛(wèi)細(xì)胞組成。

優(yōu)點(diǎn)：①選材方便，不受時(shí)間和空間限制；②多種材料實(shí)驗(yàn)，便于做對照實(shí)驗(yàn)；③合理分組，分工明確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說服力更強(qiáng)；④學(xué)生自主選材，培養(yǎng)有實(shí)驗(yàn)探索的精神。

不足：無法展示氣孔是如何開閉的。

（3）方案三：探究葉片氣孔的開閉原理。

實(shí)驗(yàn)材料：白蘿卜、清水、刀片、培養(yǎng)皿等。

實(shí)驗(yàn)過程：①提出問題——?dú)饪椎拈_閉是如何進(jìn)行的？②做出假設(shè)——?dú)饪椎拈_閉是由保衛(wèi)細(xì)胞控制的。③制定實(shí)施計(jì)劃，分成甲、乙兩組。甲組切兩片帶皮的大小相同的長方形蘿卜薄片，將帶皮的一側(cè)靠在一起，用訂書釘固定；乙組切不帶皮的蘿卜薄片做同樣的處理，置于含清水的培養(yǎng)皿中浸泡一段時(shí)間。然后，再繼續(xù)用鹽水浸泡一段時(shí)間，分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論：浸泡清水一段時(shí)間后，甲組兩片蘿卜中間出現(xiàn)一定的空隙，而乙組沒有出現(xiàn)；若繼續(xù)將兩組蘿卜浸泡鹽水后，甲組的空隙逐漸縮小直至恢復(fù)原狀。因此，氣孔的開閉由保衛(wèi)細(xì)胞控制，由于保衛(wèi)細(xì)胞的內(nèi)外壁厚度不同，當(dāng)其吸水膨脹時(shí)，較薄的外壁更易伸展，細(xì)胞向外彎曲，氣孔開放，失水后則氣孔關(guān)閉。

優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)驗(yàn)器材簡單，操作容易；②學(xué)生可以在探究活動中構(gòu)建的知識，學(xué)習(xí)體會深刻；③實(shí)物模型模擬氣孔開閉，形象直觀；④學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和思維能力得到提升。

不足：可進(jìn)一步深入探究氣孔開閉的影響因素。

在理解教材實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在認(rèn)知邏輯體系的基礎(chǔ)上，教師結(jié)合學(xué)生的心理特征、由現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)知規(guī)律，對教材實(shí)驗(yàn)開展有效改進(jìn)，提升學(xué)生素養(yǎng)水平。通過以上3個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，學(xué)生興趣盎然地逐步探究植物葉表皮的氣孔分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征、開閉原理，甚至進(jìn)一步探究影響因素與植物生長發(fā)育的關(guān)系。學(xué)生圍繞一系列實(shí)驗(yàn)，全身心積極參與、體驗(yàn)成功與失敗的經(jīng)歷，開展有意義的學(xué)習(xí)歷程。在這個(gè)過程中，學(xué)生掌握學(xué)科核心知識，理解學(xué)習(xí)過程，把握學(xué)科本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)、高級的社會性情感、正確的人生價(jià)值觀。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案促進(jìn)學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展

2.1 科學(xué)思維奠定了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的能力基礎(chǔ)

思維是理性認(rèn)識階段的反映活動，既是高級的神經(jīng)生理活動，也是復(fù)雜的心理操作，是一個(gè)動態(tài)的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)?？茖W(xué)思維是尊重事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實(shí)際問題的思維習(xí)慣和能力。學(xué)生要能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用分析與概括、歸納與演繹、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)基于現(xiàn)實(shí)問題和條件，設(shè)計(jì)解決問題的實(shí)驗(yàn)方案，正確選擇和使用實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)施或調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論，并交流討論發(fā)現(xiàn)新的問題，充分激發(fā)學(xué)生思維的全程參與，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維水平。

2.2 科學(xué)探究拓展了本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

科學(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。學(xué)生在探究實(shí)踐過程中，逐步增加對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學(xué)探究的基本思路和方法，提高實(shí)踐能力，善于團(tuán)隊(duì)合作，勇于創(chuàng)新。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)通過對葉表皮氣孔的分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)特征、開閉原理的系列實(shí)踐，拓寬了實(shí)驗(yàn)探究的視野，發(fā)展了學(xué)生的認(rèn)知邏輯。

2.3 結(jié)構(gòu)與功能觀是本實(shí)驗(yàn)發(fā)展的重要觀念

生命觀念是對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象，是能夠理解或解釋生物學(xué)相關(guān)事件和現(xiàn)象的意識、觀念和思想方法，是學(xué)科核心素養(yǎng)的標(biāo)志、基礎(chǔ)和支柱。學(xué)生應(yīng)在較好理解生物學(xué)概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念；能夠用生命觀念認(rèn)識生物的多樣性、統(tǒng)一性、獨(dú)特性和復(fù)雜性，形成科學(xué)的自然觀和世界觀，并指導(dǎo)探究生命活動規(guī)律，解決實(shí)際問題。新的實(shí)驗(yàn)方案二設(shè)計(jì)的分組實(shí)驗(yàn)使學(xué)生認(rèn)識了進(jìn)行蒸騰作用的主要場所——葉片，觀察到葉片上的氣孔結(jié)構(gòu)。新實(shí)驗(yàn)方案三設(shè)計(jì)的探究性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生知道了氣孔的開閉原理，促進(jìn)形成了生物體的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的基本觀點(diǎn)。

2.4 環(huán)境保護(hù)意識是本實(shí)驗(yàn)彰顯的社會責(zé)任

通過氣孔開閉實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解了蒸騰作用的基本原理：氣孔的開與合可以調(diào)節(jié)蒸騰作用的強(qiáng)度，使植物體內(nèi)經(jīng)常保持著適量的水分，同時(shí)植物的根部吸水與植物的蒸騰作用參與生物圈的水循環(huán)。學(xué)生從理性角度拓展了前后知識間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，認(rèn)識了蒸騰作用的意義和保護(hù)森林及其他植被的重要性，從而形成保護(hù)綠色植物的情感意識，深刻認(rèn)識到綠色植物能夠促進(jìn)生物圈的水循環(huán)的作用，形成保護(hù)綠色環(huán)境的意識和習(xí)慣。

3 指向素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)啟示

3.1 重視章節(jié)的單元整體設(shè)計(jì)

隨著《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的頒布，其倡導(dǎo)的基本理念之一“內(nèi)容聚焦大概念”要求教師必須提升生物學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的站位，從關(guān)注單一的課時(shí)教學(xué)轉(zhuǎn)變到單元設(shè)計(jì)，對初中生物學(xué)教學(xué)有著重要的指導(dǎo)和實(shí)踐意義。單元學(xué)習(xí)以發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)有效的情境，使學(xué)生在主體的、對話的、深度的學(xué)習(xí)活動過程中發(fā)現(xiàn)問題，在解決問題的過程中習(xí)得和運(yùn)用知識，形成正確的價(jià)值觀念和關(guān)鍵能力。

初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)大多為某一個(gè)教學(xué)單元的核心概念所設(shè)計(jì)，因此教師需要將實(shí)驗(yàn)融合到整個(gè)單元中理解其價(jià)值和意義。單元學(xué)習(xí)作為一個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)化學(xué)程，具有情境性、主體性、對話性和深度性的特點(diǎn)，對發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要價(jià)值。單元學(xué)習(xí)有助于學(xué)生系統(tǒng)地掌握學(xué)科知識，突顯學(xué)科教學(xué)的串聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)教材中學(xué)科課程思想的轉(zhuǎn)化。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的設(shè)計(jì)過程中突出內(nèi)容和過程的整體性，圍繞由主題、目標(biāo)、活動、評價(jià)等要素組成的完整學(xué)習(xí)單元，注重教材知識點(diǎn)之間的前后連貫性。

3.2 關(guān)注實(shí)驗(yàn)發(fā)展的素養(yǎng)維度

生物學(xué)科核心素養(yǎng)是多元化的，實(shí)驗(yàn)發(fā)展的素養(yǎng)維度應(yīng)該也是多元的。將簡單的分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)及探究實(shí)驗(yàn)，從多角度提升學(xué)生的能力水平。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生觀察、調(diào)查、實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生自主收集、分析和解讀數(shù)據(jù)，開展推理、判斷和反思。這樣的過程使學(xué)生既理解、掌握和應(yīng)用了知識，又發(fā)展了學(xué)生收集和處理科學(xué)信息的能力、獲取新知識的能力、分析解決問題的能力、交流與合作的能力，特別是培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和探究能力。

教師創(chuàng)設(shè)富含事實(shí)觀察、觀念形成、反思行動、實(shí)踐證實(shí)的真實(shí)問題情境，提供真實(shí)的思維場景，引導(dǎo)學(xué)生獲得事實(shí)、產(chǎn)生觀念，進(jìn)而通過反思建立事實(shí)、觀念與問題之間的關(guān)聯(lián)。在這個(gè)過程中，學(xué)生能夠發(fā)展思維、形成觀念、孕育價(jià)值，學(xué)會人際交往的規(guī)則，發(fā)展核心素養(yǎng)。立足單元設(shè)計(jì)，關(guān)注學(xué)習(xí)歷程，提升核心能力。教育教學(xué)要深度探尋學(xué)習(xí)和發(fā)展的內(nèi)在機(jī)理，才能推動有意義的學(xué)習(xí)實(shí)踐來發(fā)展個(gè)體與復(fù)雜情境互動的綜合能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的落地生根。

3.3 聚焦問題情境，探尋教育本質(zhì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)以創(chuàng)設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)開設(shè)場景和實(shí)施條件，努力做到本土化實(shí)踐和條件化創(chuàng)新。教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活實(shí)踐情境和學(xué)習(xí)探索情境，將學(xué)科要解決的問題信息蘊(yùn)含在特定的情境中，依托適切的情境活動，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極的感知和理解情境中的相關(guān)信息，幫助學(xué)生經(jīng)歷生物學(xué)知識產(chǎn)生的過程，理解概念提出的背景語境，從而在習(xí)得生物學(xué)知識的過程中形成學(xué)科核心素養(yǎng)。

教育教學(xué)的根本目的和出發(fā)點(diǎn)應(yīng)回歸生活的世界，其教學(xué)意蘊(yùn)在于確立人本意識和生命意識，重視教學(xué)過程中學(xué)生的動態(tài)發(fā)展。杜威提出“教育即生活”“學(xué)校即社會”“從做中學(xué)”，陶行知也宣稱“生活即教育”，《課程標(biāo)準(zhǔn)》建議的“重視與生活實(shí)際緊密聯(lián)系”都凸顯了生活既是教育教學(xué)的對象，更是教育教學(xué)的目的。生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，更需要緊密結(jié)合生活實(shí)驗(yàn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)，彰顯實(shí)驗(yàn)育人的學(xué)科價(jià)值。