以實驗　促思維

徐丹丹 閆孟宸 顧濤

摘? ?要：本文以“動物細胞培養(yǎng)”為例，通過讓學(xué)生討論明確實驗?zāi)康?、設(shè)計實驗方案，親歷“動物細胞培養(yǎng)的實驗探究”的過程，對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析并得出一般規(guī)律，學(xué)習(xí)生物知識的同時指導(dǎo)健康的生活。闡述如何在高中生物實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：動物細胞培養(yǎng);科學(xué)探究;科學(xué)思維

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學(xué)，它具有與其他自然科學(xué)相同的性質(zhì)。學(xué)習(xí)生物學(xué)既要讓學(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟生物學(xué)家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法[ 1 ]。因此，本課題旨在通過討論明確實驗?zāi)康?、設(shè)計實驗方案，親歷“動物細胞培養(yǎng)的實驗探究”的過程，對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析并得出一般規(guī)律，學(xué)習(xí)生物知識的同時指導(dǎo)健康的生活，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度。

1? 高中細胞生物學(xué)內(nèi)容分析

生命觀念是生物學(xué)核心概念的呈現(xiàn)方式，是貫穿本學(xué)科不同內(nèi)容的主線，也是高中生可以學(xué)習(xí)和能夠理解的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生對生命觀念的建立要以概念性知識的教學(xué)為基礎(chǔ)[ 2 ]?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標準》（2017版）中與細胞生物學(xué)相關(guān)的大概念主要出現(xiàn)在兩個模塊。一是必修1《分子與細胞》中：細胞是生物體結(jié)構(gòu)和生命活動的基本單位;細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖[ 1 ];二是選擇性必修3《生物技術(shù)與工程》中細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或產(chǎn)品[ 1 ]。前者為基礎(chǔ)知識內(nèi)容，幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與能量、穩(wěn)態(tài)與平衡的生命觀念;后者既是對必修內(nèi)容的擴展和應(yīng)用，又是對生物技術(shù)和工程的認識和理解。

“動物細胞培養(yǎng)”一節(jié)內(nèi)容是動物細胞工程中的基礎(chǔ)技術(shù)。通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要領(lǐng)會“動物細胞培養(yǎng)是從動物體獲得相關(guān)組織，分散成單個細胞后，在適宜的培養(yǎng)條件下讓細胞生長和增殖的過程”這一重要概念。為了讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用這一重要的生物學(xué)概念，本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)應(yīng)該結(jié)合實驗教學(xué)，結(jié)合理論知識培養(yǎng)學(xué)生獨立操作的能力，進一步加強對理論知識的理解，從而發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

2? 基于動物細胞培養(yǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)

生物學(xué)科核心素養(yǎng)的形成需要教師給學(xué)生創(chuàng)造思考的情境和氛圍，實驗教學(xué)可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，引導(dǎo)學(xué)生針對某一真實情境的問題進行積極的思考，在解決某一問題的過程中逐步提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，嘗試提出多種解決問題的方法，不禁錮學(xué)生的思維，形成科學(xué)思維。

但是由于中學(xué)實驗儀器和教學(xué)時間的限制，相關(guān)實驗教師常以講解實驗和觀看視頻進行教學(xué)。本課題組與大學(xué)實驗室合作，在讓學(xué)生體驗動物細胞培養(yǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入相關(guān)實驗變量調(diào)整，提升學(xué)生科學(xué)探究水平。

2.1? 從生活出發(fā)，確定研究問題

癌癥風(fēng)險是目前人類發(fā)展和健康的主要障礙，如何科學(xué)有效地治療癌癥，哪些物質(zhì)可以抑制癌細胞的繁殖，效果如何等問題成為同學(xué)們討論后一致認為比較關(guān)注的問題。隨后根據(jù)實驗室條件，確定實驗材料為人肺癌A549細胞株。

學(xué)生進一步討論并查閱資料，發(fā)現(xiàn)良好的生活習(xí)慣和飲食習(xí)慣是預(yù)防癌癥發(fā)生有效方法之一。結(jié)合實際的實驗條件，最終確定實驗問題：探究不同濃度的阿司匹林和維生素C對人肺癌A549細胞株繁殖的抑制效果。在集體激烈的討論過程中，學(xué)生需要考慮實驗的變量、實驗的科學(xué)性、可行性甚至已經(jīng)在思考具體的實驗方案。教師的“放手”留給學(xué)生更多的空白，也留給學(xué)生更多的創(chuàng)造性，這一過程比任何言語都更有教育的意義。

2.2? 制定實驗方案

實驗方案的制訂需要考慮到實驗操作的可行性、科學(xué)性、對照實驗以及平行、重復(fù)等原則。在老師的指導(dǎo)下，小組成員通過閱讀相關(guān)的文獻和書籍資料，確定合適的藥物濃度。通過空白對照排除實驗中包括培養(yǎng)液等無關(guān)變量對細胞數(shù)目的影響。實驗數(shù)據(jù)的收集方案，學(xué)生利用教材中的知識，用臺盼藍染色后再計數(shù)以排除死細胞的干擾。

制訂合理可行的實驗方案是實驗?zāi)芊耥樌_始的關(guān)鍵。“實驗員”們利用集體的智慧，充分利用課堂中所學(xué)習(xí)的實驗原理，“七嘴八舌”的討論過程比教師任何的語言都更有力量。最終確定的實驗方案如下：

復(fù)蘇細胞后，培養(yǎng)細胞增殖到一定的數(shù)量后消化。接種至96孔板，加不同濃度維C（實驗組6組+空白對照2組）和阿司匹林（實驗組6組+空白對照2組），每組平行重復(fù)。

維生素C組的濃度分別為0.1 mg/ml、0.4 mg/ml、0.8 mg/ml、1.2 mg/ml、1.6 mg/ml、2 mg/ml、4 mg/ml。阿司匹林組的濃度分別為1 mmol/l、4 mmol/l、6 mmol/l、8 mmol/l、10 mmol/l、12 mmol/l。對照組1加入培養(yǎng)液和等量的細胞，不加任何藥物。對照組2僅加入細胞培養(yǎng)液，不接種細胞，不加入任何藥物。每組實驗均設(shè)置五個平行對照組。每24小時觀察一次各組細胞的生長狀況，并取樣染色后計數(shù)。

2.3? 實驗方案的實施與優(yōu)化

實施實驗方案的過程中，小組成員針對遇到的新問題，不斷優(yōu)化和細化實驗設(shè)計方案。例如阿司匹林藥物用量非常少，在稱量時誤差較大，而且不容易完全溶解于水中。學(xué)生通過去藥店咨詢后換成阿司匹林泡騰片，并且增加配置的總液體體積，解決了由于稱量藥物過少而帶來的誤差。

在不斷的發(fā)現(xiàn)新問題，解決新問題的過程中，學(xué)生的科學(xué)思維不斷完善，對于科學(xué)探究實驗的過程也有體驗性、思考性的理解。培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、實驗操作能力、理論與實踐相結(jié)合能力。

2.4? 實驗數(shù)據(jù)的處理

通過實際的實驗需求和統(tǒng)計的數(shù)據(jù)類型，學(xué)生設(shè)計了用于實驗中細胞數(shù)目統(tǒng)計見表1。對實驗數(shù)據(jù)的收集以及實驗結(jié)果的處理也是科學(xué)探究中重要組成，學(xué)生通過收集實驗數(shù)據(jù)，處理實驗數(shù)據(jù)，通過實驗數(shù)據(jù)的處理初步得出實驗結(jié)果的過程中鍛煉了學(xué)生的思維能力，歸納與分析能力。在實驗實施的過程中，學(xué)生不僅僅理解掌握了動物細胞培養(yǎng)的基本操作，他們的思維也發(fā)生了遞進式的體驗，將已有的靜態(tài)知識活化為具體操作過程中的應(yīng)用，逐步解決問題。

3? 教學(xué)反思

從真實的科學(xué)問題出發(fā)，讓學(xué)生親歷實驗的過程，有求知、有思考、有討論、有操作、有總結(jié)、有收獲。讓學(xué)生能夠在真實的問題情境中設(shè)計實驗、實驗操作、數(shù)據(jù)處理以及解決實驗過程遇到的各種“意外”。但介于本實驗的涉及到的實驗數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，學(xué)生的能力發(fā)展并沒有到達真正進行科學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理的水平，在最終實驗數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性和有限性等方面還需要繼續(xù)優(yōu)化。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部.普通髙中生物學(xué)課程標準：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 劉恩山. 生命觀念是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的標志[J]. 生物學(xué)通報， 2018， 53（1）：18-20.