例談初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化與創(chuàng)新策略

陳 維

（江蘇省連云港高級中學(xué)，江蘇省生物教育課程基地 江蘇連云港 222042）

實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體和手段。在新一輪課程改革的浪潮中，初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)發(fā)揮其應(yīng)有的價值和導(dǎo)向，避免“紙筆化實(shí)驗(yàn)”，最大限度地開展真實(shí)性操作。本文闡述如何從實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方法、模擬實(shí)驗(yàn)、知識銜接等角度優(yōu)化和創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)，關(guān)注方案設(shè)計(jì)的合理性、器材選擇的科學(xué)性、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性、結(jié)果分析的反思性等方面，進(jìn)一步提高初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效益。

1 實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)選與拓展

選擇適合的實(shí)驗(yàn)材料是順利完成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的前提，也是開展拓展探究的基礎(chǔ)。受氣候條件、地理分布、生活習(xí)慣等因素的影響，教材推薦的材料并非一定合適，需因地、因時、因人優(yōu)選與拓展實(shí)驗(yàn)材料。

1.1 聯(lián)系生活，用熟悉的材料體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)樂趣 將生活中常見的生物材料用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能拉近生活與課堂的距離，激發(fā)學(xué)生的興趣，還能讓其在熟悉的場景中體驗(yàn)樂趣、積極思維。

案例1：探究綠色植物的呼吸作用。

根、莖、葉、花、果實(shí)和種子六大器官都可選作實(shí)驗(yàn)材料，增加實(shí)驗(yàn)的選擇性，變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)?？蓪⑸钪惺煜さ拇笫[根、蘿卜片、藕片、綠豆芽、青菜葉、槐花、番茄、毛豆等材料，分為對照組（保持新鮮)和實(shí)驗(yàn)組（經(jīng)微波爐處理），分別裝入不漏氣的黑塑料袋中。插入塑料軟管并扎緊袋口，用止水夾夾緊軟管。過一段時間后將軟管分別通入2 個裝有澄清石灰水的燒杯中。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析結(jié)果，得出結(jié)論：只有活細(xì)胞才有呼吸現(xiàn)象。

1.2 就地取材，充分利用身邊的地域課程資源每所學(xué)校所處的地域環(huán)境不同，從學(xué)校所在地周圍的生物資源中挖掘、選擇合適的材料，可彌補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)材料的不足，增加實(shí)驗(yàn)的探究性和趣味性，恰恰能體現(xiàn)課程資源的獨(dú)特性。例如，在觀察軟體動物的實(shí)驗(yàn)中，沿海地區(qū)的學(xué)?？蛇x擇海邊常見的貽貝或蜆進(jìn)行觀察，效果同樣不錯。在“觀察鳥卵結(jié)構(gòu)”的實(shí)驗(yàn)中，用鵪鶉卵代替雞卵進(jìn)行觀察，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，又取材方便，操作簡單。也可選擇農(nóng)戶自養(yǎng)的“笨雞蛋”（公雞、母雞混養(yǎng)），觀察胚盤等結(jié)構(gòu)。在“觀察花的結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)中，選擇桃花，有時與上課月份(季節(jié))并不相符合，且桃花的胚珠等結(jié)構(gòu)不易觀察。此時，教師就可充分發(fā)動學(xué)生根據(jù)自身喜好自由準(zhǔn)備[1]。可選用扁豆花、百合花等當(dāng)季常見花卉，不僅取材容易，而且能觀察到清晰的胚珠等結(jié)構(gòu)。又如，在進(jìn)行“觀察植物體的生長過程”課外研究活動時，可讓學(xué)生種植一些植物，例如，番茄、辣椒、黃瓜等，在陽臺上利用簡易裝置即可完成。

1.3 關(guān)注細(xì)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生縝密思考、改進(jìn)和拓展 在選擇實(shí)驗(yàn)材料時，不僅要考慮材料的來源和適合度，還要考慮一些細(xì)節(jié)問題。細(xì)節(jié)關(guān)注不夠，會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)“前功盡棄”，無法達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，造成無效探究。所以，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師的“從旁指導(dǎo)”非常重要。例如，在“青霉和葡枝根霉的觀察”實(shí)驗(yàn)中，挑取部位若只選擇深色的部分，則只會觀察到大量有色的孢子；若只挑取白色的部分，則僅觀察到大量無色的菌絲；只有在有色部分挑取少量顏色較淺部位的菌絲，才能既觀察到無色的菌絲，又能觀察到直立菌絲頂端產(chǎn)生的一串串孢子。在實(shí)際操作中，如果用饅頭或桔子作為實(shí)驗(yàn)材料，因其外皮較硬，生長的菌絲較短小，不易剝離和挑?。坏舾挠貌ぬ}、面包、香蕉、白皮香瓜等材料培養(yǎng)，則操作和觀察的效果均較好。又如，在開展“觀察小魚尾鰭內(nèi)血液的流動”實(shí)驗(yàn)時，可首選市場上常見的生命力強(qiáng)、成本較低的泥鰍。用濕紗布或棉花蓋在泥鰍的鰓蓋和軀干部，將其尾鰭平貼在培養(yǎng)皿的底部，泥鰍會很快安定，可不使用載玻片。

2 實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行規(guī)范操作是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心環(huán)節(jié)，直接關(guān)系實(shí)驗(yàn)的成敗。進(jìn)一步優(yōu)化與創(chuàng)新教材介紹的實(shí)驗(yàn)方法，能增加生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思維含量，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率?？蓪?shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，也可對原有實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化和完善。

案例2：探究種子萌發(fā)的外部條件。

此實(shí)驗(yàn)難度不大，但時間跨度較長?？梢龑?dǎo)學(xué)生利用生活中常見的實(shí)驗(yàn)材料，積極思維，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)思路和方法，拓展實(shí)驗(yàn)空間，在家庭或社區(qū)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，并將各自的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)記錄帶入課堂。在課內(nèi)展示這些鮮活的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，學(xué)生在交流分享和思維碰撞中，生成智慧，構(gòu)建概念。

方法1：透明可樂瓶的利用。將鐵絲繞成2層，每層縫上紗布，制成“萌發(fā)床”。將可樂瓶剪去1/3，將“萌發(fā)床”懸掛其中，加上瓶底共分為3層。分層擺放蠶豆種子，加水至中層紗布處。

方法2：透明吸管的使用。在5 支吸管的上、中、下3 個位置剪開半側(cè)管壁，將黃豆種子塞入其中后，置于盛有水的容器中培養(yǎng)，水位控制在中間種子位置。

方法3：一次性透明杯子的利用。在其頂端位置固定4 根棉線，每根線上拴緊3 粒蠶豆種子，使其分別位于杯子的上、中和底部，加水至中間種子的位置，并使其大半浸沒于水中。

以上每種方法，都可在不同的溫度條件下進(jìn)行培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生觀察比較，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，形成結(jié)論。

案例3：探究饅頭在口腔中的變化。

通過改進(jìn)方案（表1），學(xué)生設(shè)計(jì)了3 組對照實(shí)驗(yàn)，分別探究“唾液的分泌”“牙齒的咀嚼”和“舌的攪拌”對口腔內(nèi)饅頭（淀粉）消化作用的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果分析等探究環(huán)節(jié)，學(xué)生能更加透徹地理解影響食物消化作用的因素，深入領(lǐng)會對照、單一變量等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則。在提高探究能力的同時，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維品質(zhì)。

表1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案

3 模擬實(shí)驗(yàn)的重視與突破

初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中大部分是可演示或分組操作的，但受實(shí)驗(yàn)條件的限制，有些實(shí)驗(yàn)并不具備演示或操作的條件，此時，模擬實(shí)驗(yàn)就起到獨(dú)特的教學(xué)功能。初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中也明確提出：“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該多樣化，可以采用生物材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，也可以設(shè)計(jì)模擬性實(shí)驗(yàn)”[2]。因此，對于無法開展的實(shí)驗(yàn)，教師可借助常見的器材，依據(jù)相似性原理，建立原型和模擬之間的連接關(guān)系，通過開展模型制作、模擬實(shí)驗(yàn)等方式，提升教學(xué)效果。

3.1 關(guān)注基礎(chǔ)，循序漸進(jìn)，增加感性認(rèn)識 模型的建立需要從學(xué)生的知識基礎(chǔ)出發(fā)，只有對原型有一定的認(rèn)識和理解，才能有效地構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。學(xué)生可在課堂上先通過學(xué)習(xí)教材中的相關(guān)知識，形成初步的理解和認(rèn)識，也可在課外通過閱讀、調(diào)查、訪談等形式了解和熟知。模型的材料要盡量從學(xué)生的日常生活和身邊環(huán)境中選擇熟悉的物件，創(chuàng)造相似的條件，增加感性認(rèn)識。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下逐步建立模型材料與原型模擬之間的對應(yīng)聯(lián)系，進(jìn)而逐步構(gòu)建模型，開展模擬實(shí)驗(yàn)（觀察）。

案例4：用單向閥和輸液器模擬人體血液循環(huán)。

在學(xué)習(xí)體循環(huán)、肺循環(huán)等知識的基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生利用一次性輸液器等材料制作血液循環(huán)模型，用紅墨水、淀粉、碘液等材料模擬動、靜脈血，增加感性認(rèn)識。首先，用輸液器的滴壺模擬心臟的4 個腔，4 個單向閥分別模擬心臟的4 個瓣膜，連接時要注意單向閥的方向。然后，用十字通接頭和輸液器軟管制作模擬全身毛細(xì)血管網(wǎng)和肺部毛細(xì)血管網(wǎng)，用2個單向閥分別模擬靜脈瓣膜。貼上標(biāo)簽，加以固定，完成模型構(gòu)建（圖1）。

圖1 人體部分血液循環(huán)模擬裝置

用紅墨水、淀粉溶液混合模擬動脈血，加入少量碘液模擬靜脈血，加入少量洗潔精，形成氣泡，顯示液體流動。打開模擬左、右心室的2 個滴壺，往左邊的注滿“靜脈血”，右邊的注滿“動脈血”。擠壓滴壺，由于模擬瓣膜的單向閥的存在，血液不能倒流。在模擬血液流到對應(yīng)的毛細(xì)血管網(wǎng)時，推動含有維生素C 或碘液的注射器可觀察其顏色變化，從而模擬動脈血和靜脈血的轉(zhuǎn)換，繼續(xù)擠壓滴壺，血液會在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動。

3.2 巧妙設(shè)計(jì)，有的放矢，突破重、難點(diǎn) 除了要加強(qiáng)直觀體驗(yàn)，豐富感性認(rèn)識外，模擬實(shí)驗(yàn)還應(yīng)能幫助學(xué)生快速理解和掌握學(xué)習(xí)中的重、難點(diǎn)知識。這就要求模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要圍繞教學(xué)中的重、難點(diǎn)展開，找準(zhǔn)靶點(diǎn)，合理選材，巧妙設(shè)計(jì)。在模型制作的過程中體驗(yàn)構(gòu)建知識的意義，通過建立模型發(fā)現(xiàn)基本的生物學(xué)規(guī)律。

案例5：模擬眼睛的成像和調(diào)節(jié)原理。

眼睛的成像原理、近視成因及矯正是學(xué)生不易理解的重點(diǎn)內(nèi)容。如果只用一個凸透鏡模擬成像，無法演示眼球在看近物和遠(yuǎn)物時的調(diào)節(jié)原理。此時，可將光源（蠟燭）、可變焦凸透鏡和光屏組成一套裝置（圖2）。

圖2 眼球成像與調(diào)節(jié)模擬裝置

模擬1：眼晴觀察物體時的調(diào)節(jié)過程。先固定凸透鏡與光屏間的距離，再調(diào)節(jié)蠟燭與透鏡間的距離，使光屏上的像最清晰。分別向前、向后移動蠟燭，再通過手動（例如，注水或吸水）調(diào)節(jié)凸透鏡的焦距，確保光屏上的像一直清晰。

模擬2：近視眼睛的矯正原理。調(diào)節(jié)凸透鏡，增大其凸度，使清晰的物像落在光屏之前，讓學(xué)生將自己配戴的近視眼鏡放在凸透鏡前面，讓清晰的物像再次落到光屏上。通過這樣的組合模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對相關(guān)原理和過程的理解更加透徹，全面突破了這一重、難點(diǎn)。

3.3 有機(jī)組合，相互補(bǔ)充，提升模擬效能 模擬實(shí)驗(yàn)并不能完全替代原型及其變化過程，其所要表達(dá)和體現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征和生理過程，往往只是設(shè)計(jì)者自身選擇關(guān)注的“模擬點(diǎn)”，并非盡善盡美，要想發(fā)揮其最大的效能，還應(yīng)充分與顯微觀察、解剖實(shí)驗(yàn)、生理學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)地調(diào)查等多種類型的實(shí)驗(yàn)活動相互關(guān)聯(lián)，形成組合，在支撐實(shí)驗(yàn)結(jié)論的現(xiàn)象和事實(shí)上相互印證或補(bǔ)充。

案例6：模擬肺泡的結(jié)構(gòu)與氣體交換過程。

該部分內(nèi)容非常抽象，僅靠模型的制作和演示，對知識理解的促進(jìn)作用有限。教師可在課堂初始演示為豬肺打氣的小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀感受氣體進(jìn)、出肺的變化。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生猜想肺內(nèi)可能存在可膨大或縮小的結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)學(xué)生從豬肺中剝離出支氣管，在數(shù)碼顯微鏡下觀察，并尋找肺泡[3]。學(xué)生通過解剖實(shí)驗(yàn)和顯微觀察直觀地感受到支氣管的數(shù)量之多，再觀看肺泡的動畫及電子顯微鏡下肺泡的真實(shí)圖片。最后，在對肺泡結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步認(rèn)識的基礎(chǔ)上，學(xué)生制作肺泡模型并開展模擬實(shí)驗(yàn)。這一系列的實(shí)驗(yàn)串聯(lián)，有效結(jié)合了解剖實(shí)驗(yàn)、顯微觀察和動畫模擬等多種形式，最大限度提升模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效能。

4 初、高中實(shí)驗(yàn)的對應(yīng)與銜接

初、高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和方式等方面有緊密的聯(lián)系，具有一定的連貫性、遞進(jìn)性和整體性。做好初、高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)等知識的對應(yīng)與銜接，是提高生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵切入點(diǎn)，也是對初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新的重要依據(jù)和思路來源。

對于初中生物學(xué)教師而言，首先要熟悉初、高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)（活動）內(nèi)容和要求上的區(qū)別和聯(lián)系（表2），找準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，把握實(shí)驗(yàn)拓展的深度和廣度。

表2 初、高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)驗(yàn)（活動）建議的聯(lián)系與銜接

其次，教師要熟悉掌握高中生物學(xué)教材中涉及到的各類實(shí)驗(yàn)、活動等，通過分析課程標(biāo)準(zhǔn)，抓住初、高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的異同點(diǎn)。

再次，要注意教材中豐富多彩的實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、實(shí)習(xí)等實(shí)踐活動，盡最大可能開展學(xué)生動手實(shí)踐，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)基本操作技能的訓(xùn)練，激發(fā)生物學(xué)學(xué)習(xí)興趣，為高中生物學(xué)知識的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作奠定基礎(chǔ)。例如，在進(jìn)行“使用顯微鏡和制作臨時裝片”實(shí)驗(yàn)時，可要求學(xué)生制作洋蔥內(nèi)、外表皮的2 種裝片，讓學(xué)生在顯微鏡下觀察，探究其異同；在開展“生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞的實(shí)例調(diào)查”的同時，可安排學(xué)生分組制作小型生態(tài)瓶，并長期觀察其穩(wěn)定性的變化；在觀察魚尾鰭的血液循環(huán)時，要讓學(xué)生仔細(xì)辨認(rèn)血細(xì)胞和血漿，為高中階段學(xué)習(xí)內(nèi)環(huán)境等知識留下直觀印象；在練習(xí)制作面醬或酸奶等發(fā)酵食品時，可加入STEAM 元素，用傳感器探究酸奶制作過程中pH 值的變化等。

實(shí)驗(yàn)探究能力是生物學(xué)學(xué)科的關(guān)鍵能力，對已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，是持續(xù)提高學(xué)科關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)和保障。在年復(fù)一年的教學(xué)實(shí)踐中，教師要善于思考，積極創(chuàng)新，不斷挖掘潛在的課程資源潛能，為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入源泉和動力。