基于科學(xué)探究素養(yǎng)的高中生物學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”一課為例

廣東 張 瑩

高中生物學(xué)以提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)歷，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)課堂具有高度可行性和科學(xué)實(shí)踐性，是促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的關(guān)鍵途徑之一。本文以2019 年人教版高中生物學(xué)教材必修1“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)課為例，以學(xué)生為課堂主人翁，重構(gòu)實(shí)驗(yàn)課堂，調(diào)動(dòng)學(xué)生的科學(xué)探究主觀能動(dòng)性，開(kāi)發(fā)學(xué)生的潛在能力，達(dá)成對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)和價(jià)值的實(shí)踐與思考。

1.教學(xué)內(nèi)容分析

1.1 教材分析

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是學(xué)習(xí)細(xì)胞呼吸規(guī)律、過(guò)程和應(yīng)用之前的一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，是本章的重點(diǎn)內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的優(yōu)秀課題之一，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)選擇性必修3“發(fā)酵工程”的基礎(chǔ)。

教材設(shè)置了對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析酵母菌細(xì)胞呼吸的規(guī)律，但在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中學(xué)生的疑問(wèn)讓老師面露難色，例如無(wú)法判斷無(wú)氧裝置中氧氣的含量、無(wú)法保證課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的連貫性以及如何降低實(shí)驗(yàn)誤差等問(wèn)題。為此，需要教師在提供學(xué)習(xí)資料、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置和增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)科學(xué)性、可行性的前提下，引導(dǎo)學(xué)生在教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)地開(kāi)展新課題，并以此驅(qū)動(dòng)學(xué)生對(duì)生物現(xiàn)象和規(guī)律的好奇心，使學(xué)生學(xué)會(huì)利用科學(xué)知識(shí)解決生活實(shí)踐中的實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

1.2 學(xué)情分析

通過(guò)對(duì)必修1《分子與細(xì)胞》前幾章的學(xué)習(xí)，學(xué)生在相關(guān)生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完善了已有的知識(shí)框架。實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一直是學(xué)生的薄弱項(xiàng)，卻是高考重點(diǎn)考核的內(nèi)容。本節(jié)課需要學(xué)生有較高的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育的同時(shí)要規(guī)范學(xué)生操作。為解決課時(shí)緊張、設(shè)計(jì)方案不完善等問(wèn)題，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、因變量檢測(cè)等方面進(jìn)行調(diào)整和完善，然后分享、互評(píng)并提出新的問(wèn)題，從而促進(jìn)學(xué)生達(dá)成科學(xué)探究素養(yǎng)的素質(zhì)教育目標(biāo)。

1.3 教學(xué)目標(biāo)

課堂教學(xué)最終效果主要取決于教學(xué)目標(biāo)的價(jià)值取向，要落實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，就要求教師在設(shè)計(jì)課堂教學(xué)目標(biāo)時(shí)，除充分考慮基礎(chǔ)知識(shí)和技能外，還要精準(zhǔn)定位學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，這樣才能保持教學(xué)不偏離航道。

1.3.1 知識(shí)與技能

通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能概述有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的概念及過(guò)程。（生命觀念）

通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能從身邊資料中獲取信息，嘗試解釋生物學(xué)現(xiàn)象；學(xué)生能獨(dú)立完成和評(píng)價(jià)教材基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，對(duì)生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行初步探究。（科學(xué)思維、科學(xué)探究）

1.3.2 過(guò)程與方法

通過(guò)小組合作探究學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握細(xì)胞呼吸過(guò)程、分析和完善實(shí)驗(yàn)方案，以此培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)意識(shí)和解決問(wèn)題的能力。

1.3.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生能體驗(yàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作帶來(lái)的愉悅并形成正確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)觀。

通過(guò)學(xué)習(xí)細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用，學(xué)生的目光關(guān)注到生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問(wèn)題，增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感。（社會(huì)責(zé)任）

2.教學(xué)過(guò)程展示

2.1 情境創(chuàng)設(shè)，設(shè)置問(wèn)題串，夯實(shí)基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

教師播放“我國(guó)葡萄酒歷史”和“生活中饅頭制作過(guò)程”，引入酵母菌細(xì)胞的呼吸方式，學(xué)生觀看視頻并思考問(wèn)題：①釀酒的條件是什么？②發(fā)面的條件是什么？為什么面團(tuán)會(huì)變得蓬松？③為什么饅頭沒(méi)有酒味？這說(shuō)明酵母菌細(xì)胞的代謝方式有什么特點(diǎn)？④請(qǐng)說(shuō)出探究酵母菌細(xì)胞在不同條件下的呼吸產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思路。

問(wèn)題①②③是引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)與課本基礎(chǔ)知識(shí)；問(wèn)題④是讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，為后面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)做鋪墊。（生命觀念、科學(xué)思維）

設(shè)計(jì)意圖：讓實(shí)驗(yàn)更貼近生活，有利于提高學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)祖國(guó)的歸屬感和責(zé)任感。（社會(huì)責(zé)任）

2.2 立足“觀察現(xiàn)象—提出問(wèn)題—做出假設(shè)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的科學(xué)方法，體驗(yàn)探究樂(lè)趣

教師接著提出問(wèn)題⑤你認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)有哪些不妥之處？能否想辦法改進(jìn)？

首先，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)材料不難發(fā)現(xiàn)市面上包裝好的酵母菌處于休眠狀態(tài)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)教師提供的教學(xué)資料，可用活化后的干酵母復(fù)水代替教材中使用的不易保存的、活性較低的新鮮酵母，從而提高教學(xué)效率。（酵母菌活化方法：以干酵母∶5%葡萄糖溶液＝1∶20 的比例配制酵母菌活化液，40℃恒溫水浴20min，將酵母菌液和葡萄糖溶液以2∶1 的體積比混合。）

關(guān)于難以控制自變量以及無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析的問(wèn)題，學(xué)生可以通過(guò)小組合作的方式利用注射器改造實(shí)驗(yàn)裝置，而后對(duì)裝置進(jìn)行分組、展示、互評(píng)。例如，有氧呼吸組利用FeCl3催化H2O2分解制備O2，既可以為酵母菌細(xì)胞呼吸提供充足O2，又省去了設(shè)計(jì)除CO2的實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）；無(wú)氧呼吸組利用針筒和三通閥保證無(wú)氧環(huán)境，在解決課時(shí)緊張、設(shè)備復(fù)雜問(wèn)題的同時(shí)，定量分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)更直觀、準(zhǔn)確（圖2）。

圖1 有氧條件下探究酵母菌呼吸方式實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 無(wú)氧條件下探究酵母菌呼吸方式實(shí)驗(yàn)裝置

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合滲透作用原理分析影響酵母菌細(xì)胞呼吸速率的因素：①培養(yǎng)液中葡萄糖的作用是什么？②如何防止酵母菌細(xì)胞過(guò)度失水影響生命活動(dòng)？并以此開(kāi)展探究課題——探究葡萄糖溶液的最適濃度。

在細(xì)胞呼吸產(chǎn)物檢測(cè)的過(guò)程中，學(xué)生對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)液均使酸性條件下的重鉻酸鉀溶液由橙色變?yōu)榛揖G色。教師可先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移：①這個(gè)氧化還原反應(yīng)中，酒精充當(dāng)了什么？②出現(xiàn)灰綠色就直接證明溶液中含有酒精嗎？因此可利用蒸餾法分離酒精，再利用酒精檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)（圖3），既保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，又可讀取酒精的含量，做到定性檢測(cè)與定量檢測(cè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。同理，檢測(cè)CO2可利用CO2檢測(cè)儀（圖4）。

圖3 利用酒精檢測(cè)儀定量檢測(cè)

圖4 利用CO2 檢測(cè)儀定量檢測(cè)

設(shè)計(jì)意圖：以問(wèn)題作為引導(dǎo)，分析材料獲取信息，把學(xué)生置于實(shí)驗(yàn)探究當(dāng)中，學(xué)生通過(guò)自主思考和合作探究的方式學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)規(guī)律，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣，把握科學(xué)本質(zhì)，領(lǐng)會(huì)學(xué)科核心素養(yǎng)內(nèi)涵，養(yǎng)成勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

2.3 注重課堂生成，增強(qiáng)“提出問(wèn)題”的能力

教師整理學(xué)生在課堂探究過(guò)程中的疑惑并組織學(xué)生思考：①溴麝香草酚藍(lán)水溶液遇自來(lái)水變綠色的原因是什么？②血糖檢測(cè)儀檢測(cè)酵母菌培養(yǎng)液中葡萄糖含量時(shí)，為什么顯示數(shù)據(jù)異常？③關(guān)于提高酵母菌細(xì)胞呼吸速率，還可以開(kāi)展什么研究課題？

設(shè)計(jì)意圖：余文森教授說(shuō)過(guò)，“預(yù)設(shè)與生成既有對(duì)立性，也有統(tǒng)一性，課堂教學(xué)既需要預(yù)設(shè)，也需要生成。預(yù)設(shè)與生成是課堂教學(xué)的兩翼。”教師在解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中問(wèn)題的同時(shí)，在本節(jié)課的基礎(chǔ)上再提出新問(wèn)題，并合理引導(dǎo)、利用學(xué)生思維的閃光點(diǎn)，從“接受學(xué)習(xí)”模式轉(zhuǎn)換為“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”模式，發(fā)展學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維。

3.教學(xué)體會(huì)反思

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中提出，探究學(xué)習(xí)是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。生物學(xué)作為一門(mén)研究自然規(guī)律的學(xué)科，具有自身獨(dú)特的研究思維和魅力，為了使課堂和教育目的更科學(xué)、更豐滿，使之具有更好的育人價(jià)值，教師必須轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，針對(duì)類(lèi)似于“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)課重點(diǎn)落實(shí)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，為學(xué)生科學(xué)概念的形成提供事實(shí)證據(jù)。根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，批判性選擇或者改編教材，整合多種教學(xué)資源和教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，是創(chuàng)新課堂的核心環(huán)節(jié)。本節(jié)課從中國(guó)葡萄酒的釀制歷史、生活中的饅頭制作過(guò)程等情境出發(fā)，升華實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，解決了裝置連接較復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)（“讓空氣間歇性地依次通過(guò)3 個(gè)錐形瓶”“將實(shí)驗(yàn)裝置放到25～35℃的環(huán)境中培養(yǎng)8～10h”等）、自變量控制不嚴(yán)格和酒精檢測(cè)存在不合理性等問(wèn)題，使學(xué)生更直觀、更科學(xué)地體驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果、收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)（利用酒精檢測(cè)儀、血糖儀、CO2檢測(cè)儀等及時(shí)反饋和互動(dòng)評(píng)價(jià)），使實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)更可信，并及時(shí)修正了原有的認(rèn)知錯(cuò)誤或者實(shí)驗(yàn)失誤，最終自主形成知識(shí)建構(gòu)。學(xué)生在微觀視角理解細(xì)胞呼吸規(guī)律，拓寬了對(duì)生命結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量的認(rèn)識(shí)，逐漸促進(jìn)了生命觀念的形成。

課后教師還可根據(jù)學(xué)生的興趣開(kāi)展子課題（“探究酵母菌培養(yǎng)液與葡萄糖溶液的最適體積比”“探究復(fù)水活化時(shí)間對(duì)干酵母活性的影響”等），突破傳統(tǒng)邊界，重設(shè)課堂教學(xué)時(shí)空，創(chuàng)造科學(xué)探究的學(xué)習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，主動(dòng)開(kāi)拓課程資源，讓學(xué)生將生物科學(xué)與社會(huì)文明發(fā)展密切結(jié)合，使學(xué)科核心素養(yǎng)在實(shí)驗(yàn)課堂中循序漸進(jìn)地形成，為學(xué)生職業(yè)發(fā)展的規(guī)劃和學(xué)習(xí)動(dòng)力的形成助力。