交融學科 激發(fā)智慧 進階實驗

實驗教學是生物學課程的特點，也是生物學教學的基本形式之一。實驗教學是促進學生積極融合學科知識、主動開發(fā)學科智慧、勇于探究學科創(chuàng)新的學習媒介，是促成學生達成生命觀念、科學探究、科學思維、社會責任等生物學學科核心素養(yǎng)的重要支撐。為此，廣大高中生物教師正在努力探究以發(fā)展綜合能力、創(chuàng)新智慧、核心素養(yǎng)為宗旨的實驗教學。

1 綜合實驗材料，啟迪創(chuàng)新思維，提升實驗功效

科學選擇實驗材料是實驗取得理想效果的首要前提。教師將學科內(nèi)、學科間、生活中的材料進行綜合思考，啟迪創(chuàng)新思維，進而探索出新的實驗材料，是獲得耳目一新實驗的重要手段，也是激發(fā)智慧、發(fā)展素養(yǎng)的有效途徑。

例如，在“植物細胞的質(zhì)壁分離與復原”實驗中，用洋蔥鱗片葉紫色外表皮作材料，既會因原生質(zhì)層非常薄且無色而不利于概念的生成，又會因液泡呈紫色而無法感知原生質(zhì)層類似半透膜的生物學事實。這促使教師向?qū)W生提出更換原生質(zhì)層厚而有色、液泡大而無色的實驗材料的要求。為此，學生以綜合分析初高中生物實驗使用的和日常生活中觀察過的活體植物材料為基礎，先后提交選用帶葉肉細胞的菠菜葉下表皮、葫蘆蘚小葉、黑藻小葉、苦草葉薄片等為材料的預設方案，并在課外活動中分組進行預實驗，發(fā)現(xiàn)葉綠體隨細胞質(zhì)環(huán)流的黑藻及苦草葉薄片是理想的實驗材料。這兩種實驗材料的狀點主要有：①能夠清晰觀察到外面緊貼著細胞壁、里邊圍繞著無色大液泡、中間含有葉綠體的動態(tài)圓環(huán)，直觀感受原生質(zhì)層的存在;②沿壁內(nèi)側(cè)、繞液泡外側(cè)不斷環(huán)流著的葉綠體，強烈吸引著觀察者的注意力，在興趣盎然的氛圍中感知原生質(zhì)層由細胞膜、細胞質(zhì)、液泡膜組成;③在使用帶紅墨水的蔗糖溶液時，顯微鏡下能清晰觀察到細胞壁與細胞膜的間隙、原生質(zhì)層、液泡依次為紅色、綠色、無色，自然而然地生成細胞壁的全透性、原生質(zhì)層的選擇透過性概念。創(chuàng)新材料的過程既非常好地提升實驗功效，又潛移默化地啟發(fā)創(chuàng)新思維、發(fā)展綜合素養(yǎng)。

2 交融實驗用具，促發(fā)創(chuàng)新體悟，增進實驗成效

融合選用理化生實驗和生活中的器材、綜合制作實驗用具，既是實施低成本、低消耗、低污染實驗的重要支撐，又是簡約實驗操作、獲取理想效果的重要保證，還是激發(fā)學生體悟、動手、合作等多方面潛在能力的有效途徑。

例如，需要耗時較長的“探究酵母菌呼吸方式”實驗在正常教學秩序下的中學課堂無法進行，因此通常只能以課外實驗的形式實施。可是，實施課外實驗，遇到的首要困難是如何為酵母菌有氧呼吸持續(xù)充氣。若直接使用市場上購買的氣泵進行充氣，則由于速度太快，會導致空氣流經(jīng)NaOH溶液時，其內(nèi)的CO2不能完全被NaOH吸收，嚴重影響實驗結(jié)果的科學性;若使用洗耳球進行充氣，既存在需人員長時間持續(xù)充氣的弊端，又存在交替進行吹氣和吸氣容易引發(fā)倒吸液體的不足。因此，發(fā)動學生制作適量流速的自動充氣用具，成為實施課外實驗的創(chuàng)新重點。在學生和多學科老師的協(xié)同努力下，成功制得可以控制理想氣流速率的微型自動充氣泵。其制作的工藝流程為：選用迷你型微型充氣泵（如37C泵）一焊接上帶引線的電池扣一電池扣上焊接微型開關一并將開關粘貼固定在氣泵側(cè)壁構成組件一給組件裝上能暴露電池扣、開關、出氣管的合適外罩→把9V干電池插入電池扣→在出氣管連接可以任意調(diào)控氣體流量的空氣調(diào)節(jié)閥。學生應用自制氣泵，不僅能順利獲得預期實驗結(jié)果，而且能強烈提升多學科綜合思維核心素養(yǎng)體悟潛能、合作探究素養(yǎng)。

3 融合實驗試劑，激發(fā)創(chuàng)新靈感，提高實驗效率

實驗試劑是實驗的調(diào)節(jié)劑，不僅影響實驗的結(jié)果，而且還影響實驗的進程。因此，融合理科實驗和生活經(jīng)驗，激發(fā)使用合適試劑的靈感，是生成創(chuàng)新智慧和探索創(chuàng)新實驗的又一途徑。

例如，在利用H2O2、FeCl3和鮮肝研磨液探究“酶只改變反應速率而不改變反應平衡”的實驗中，如果機械地使用常規(guī)試劑，則一課時內(nèi)無法完成預期的實驗目標。為此，教師在啟發(fā)學生多次探討基礎上，接力眾多學生的靈感，創(chuàng)新使用飽和FeCl3溶液，使H2O2在FeCl3下的徹底分解由原來的十幾小時縮短為幾分鐘，從而實現(xiàn)當堂獲得最終產(chǎn)氧數(shù)據(jù)、當堂分析得出結(jié)論的理想效果，有效發(fā)展學生善于思索、勇于創(chuàng)新的智慧和素養(yǎng)。

再如，為了使學生能夠真正體會“動物標志重捕法”實驗，教師預設使用可愛動人、數(shù)量眾多、運動力強的小金魚作為實驗材料?？蓪W生實施標記時，卻發(fā)生找不到合適標記物和標記部位的困難。在多方查閱生物、化學資料的基礎上，學生多次嘗試將生物與化學知識相融合，找到了標記試劑甲紫和小金魚尾鰭的合適標記部位，從而在課堂上成功實施模擬實驗，有效激發(fā)多學科綜合探究素養(yǎng)。

4 耦合實驗裝置，激勵創(chuàng)新靈動，臻美實驗成果

實驗裝置是實驗能否實施、能否成功、能否利于發(fā)展學生智慧和素養(yǎng)的主器件。因此，借助理化生實驗和生活經(jīng)驗的有機耦合，對裝置進行合理的創(chuàng)新設計，是激勵創(chuàng)新靈動和完善實驗探究最突出的方法。

例如，探究酶在細胞代謝中作用的實驗教學，為了突破因缺乏氣體定量測定裝置而無法探究酶“在反應前后性質(zhì)不變”“不改變反應平衡”兩大特點的瓶頸。筆者首先引導學生聯(lián)系化學中定量測量氣體的知識，設計裝置構建方案。然后，啟發(fā)學生靈活妙用醫(yī)用注射器、潔凈空圓珠筆管及化學實驗器材，創(chuàng)新制作定量實驗裝置（圖1）：選用1 mL和5 mL注射器，分別作為定量注加催化劑和H2O2的用具;選用50 mL試管作為H2O2分解的容器（加底座有利于穩(wěn)定），配以固定有注入試劑用9號針頭和導出氣體用短筆管的密封試管塞（制作時需注意排除針管內(nèi)的碎屑，同時需用孔徑同于筆管的鉆頭打出插筆管的通道）;選用注滿水的125 mL平底燒瓶，配以固定有導入氣體用短筆管和導出清水用長筆管的密封瓶塞;選用25 mL量筒，配以固定有導入清水用筆管和排出氣體用小孔的筒塞，用于定量測量平底燒瓶中排出的水量（即產(chǎn)氣量）;相關筆管間用細軟膠管密封連接起來。學生利用該裝置實施實驗時，不僅能精確收集及測量氣體，而且能完成重復實驗，從而有效從多學科、多方位耦合創(chuàng)新智慧和素養(yǎng)。

5 融洽實驗方案，啟發(fā)創(chuàng)新潛質(zhì)，進階實驗效能

實驗方案是實驗教學的核心與靈魂，實驗方案直接決定著實驗教學的效果，直接影響著學生智慧和素養(yǎng)的發(fā)展。有機融洽中學理科實驗和生活經(jīng)驗，進階實驗方案和效能，是開展創(chuàng)新探索和啟發(fā)創(chuàng)新潛質(zhì)的重中之重。

例如，為了使“探究酵母菌呼吸方式”實驗全過程的課堂化，同時準確把控無氧呼吸實驗起始點，多年級學生和理化生教師通力合作，經(jīng)過反復的綜合探索和不懈努力，啟發(fā)潛質(zhì)對實驗方案進行了多層次創(chuàng)新設計。①創(chuàng)新酒精檢測方案，采用對培養(yǎng)液進行90℃水浴的蒸餾法，于試管口對從酵母菌葡萄糖培養(yǎng)液中分離出的酒精蒸餾液進行檢測，有效避免殘留的葡萄糖溶液對檢測結(jié)果的影響。②創(chuàng)新課堂化實驗的充氣方案，用高架于鐵架臺上且注有500 mL水的輸液袋、帶流速控制閥的輸液軟管、帶雙導管瓶塞的500 mL細口瓶，組裝成一邊往細口瓶內(nèi)注水、一邊將瓶內(nèi)氣體壓入反應試管的自動充氣裝置，并借助細口瓶控制充入反應液的氣體成分。③創(chuàng)新反應方案，選用50 mL試管分別裝入NaOH溶液、酵母菌、葡萄糖培養(yǎng)液，再用自制的帶進氣與出氣雙導管的管塞將兩試管連接成反應裝置，藉此避免反應液邊緣充氣不足問題。④創(chuàng)新充入氣體方案，先將有氧呼吸細口瓶內(nèi)充滿富含氧氣的空氣，將無氧呼吸細口瓶內(nèi)充滿不含氧氣的空氣（借助化學實驗中白磷燃燒制得），再將細口瓶與輸液軟管、反應裝置連接成完整實驗裝置（圖2）。實驗中，有氧呼吸培養(yǎng)液一直通入富氧空氣，能完全避免無氧氣的影響;無氧呼吸培養(yǎng)液只需要在起始階段充氣（然后關閉充氣），就能立即形成無氧環(huán)境，從而確保無氧呼吸實驗結(jié)果不被有氧氣干擾。如是，綜合創(chuàng)新實驗方案使8h以上的課外實驗縮短為十幾分鐘的課堂實驗，在確保實驗結(jié)果科學準確的前提下，實現(xiàn)了實驗操作與結(jié)果呈現(xiàn)的現(xiàn)場化，有效發(fā)展跨越學科、聯(lián)系生活的融合創(chuàng)新潛質(zhì)與探究素養(yǎng)。

創(chuàng)新是人類特有的認識和實踐能力，是推動社會發(fā)展的智慧源泉，是學生素養(yǎng)中最重要的要素。隨著數(shù)字化、智能化的迅猛發(fā)展，教師應當適應時代發(fā)展，激發(fā)學生將傳統(tǒng)理科實驗、生活經(jīng)驗和嶄新技術有機融合，變“知識受體”為“智慧主體”，變“知識傳承”為“智慧生長”，多樣化、新型化、高效化地創(chuàng)新實驗教學。

參考文獻：

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