“三新”背景下提升高中生生物學(xué)實驗自主設(shè)計能力的策略

文| 周 穎 胡全國 霍玉秀

科學(xué)思維、科學(xué)探究是生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分。學(xué)生的實驗自主設(shè)計能力需要建立在科學(xué)思維、科學(xué)探究的基礎(chǔ)上，因此教師在“三新”背景下要重視培養(yǎng)學(xué)生的實驗自主設(shè)計能力，探索有效的教學(xué)策略優(yōu)化生物學(xué)實驗教學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生實驗自主設(shè)計能力的過程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)。本文以人教版高中生物學(xué)“探究植物細胞的吸水和失水”實驗為例，探究如何在實驗教學(xué)中提升學(xué)生的實驗自主設(shè)計能力。

一、實驗?zāi)繕?biāo)

1.促進學(xué)生對生物學(xué)知識的掌握：通過生物學(xué)實驗深入理解植物細胞吸水和失水發(fā)生的原理、條件和現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度對質(zhì)壁分離的現(xiàn)象進行觀察和分析。

2.培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力：讓學(xué)生經(jīng)歷自主探究實驗的過程，在實驗探究中了解生物學(xué)實驗的一般方法和技能，通過自主探究培養(yǎng)分析、解決問題的能力，使其達到會做出假設(shè)和預(yù)期、會設(shè)計實驗方案的要求。

3.提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)：幫助學(xué)生樹立生物學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科觀念，培養(yǎng)學(xué)生尊重客觀事實、實事求是、認(rèn)真鉆研的科學(xué)精神，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)，借助生物學(xué)實驗培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

二、實驗重點與難點

（一）重點：對植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象進行觀察和探究，理解滲透作用的原理，了解滲透作用在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。

（二）難點：（1）實驗操作方面：洋蔥鱗片葉表皮臨時裝片的制作、吸水引流的操作。（2）實驗設(shè)計方面：突出學(xué)生自主設(shè)計實驗的過程。學(xué)生在如何提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計實驗、分析實驗結(jié)果并得出結(jié)論等環(huán)節(jié)沒有深刻理解和把握。

三、學(xué)生自主設(shè)計生物學(xué)實驗的教學(xué)流程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

借助一個趣味小實驗創(chuàng)設(shè)情境：教師取出一個蘿卜，用刀切出三塊質(zhì)量和體積均相同的蘿卜塊，將其中的一個蘿卜塊放在裝有清水的燒杯中，確保蘿卜塊完全浸在水中；將另一個蘿卜塊放在裝有食鹽水的燒杯中，食鹽水的濃度要大；最后一塊蘿卜塊則放在原來的蘿卜上。放置一段時間后，讓學(xué)生觀察比較三個蘿卜塊的變化。

學(xué)生觀察后很容易發(fā)現(xiàn)浸泡在清水中的蘿卜塊變大了，而浸泡在食鹽水中的蘿卜塊比原來小了。教師說出實驗現(xiàn)象之后讓學(xué)生思考為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。

教師接著用多媒體展示更多生活中的實例：包餃子時，餃子餡中放入鹽，過一會餡料會出水；做糖拌西紅柿?xí)r，西紅柿中放入糖一會后也會出水，啟發(fā)學(xué)生思考為什么會出水。教師提問：對這些現(xiàn)象，你有怎樣的疑惑呢？學(xué)生針對教師的提問深入分析和思考，嘗試運用所學(xué)知識解釋這種現(xiàn)象。接著教師通過講述引入實驗探究的方法，并呈現(xiàn)實驗探究的基本步驟：提出問題—提出假設(shè)—實驗驗證—得出結(jié)論。

（設(shè)計意圖：利用學(xué)生身邊熟悉的生活現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生思考，以趣味小實驗激活學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師邊展示相關(guān)的實例邊提出問題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，讓學(xué)生經(jīng)歷實驗觀察、分析的過程，提升學(xué)生的觀察能力和分析能力。）

（二）提出問題，做出假設(shè)

1.提出問題

教師提問：針對這些現(xiàn)象，你產(chǎn)生了哪些疑惑？針對這些疑惑，你會提出怎樣的問題？

教師提出這個問題后要給予學(xué)生一定的時間思考，接著組織學(xué)生交流、討論，讓學(xué)生根據(jù)這些現(xiàn)象找出疑惑點，并提出問題。學(xué)生經(jīng)過思考、討論之后提出問題：植物細胞具有滲透系統(tǒng)嗎？

2.做出假設(shè)

教師依然以問題引導(dǎo)學(xué)生思考和探究：對同學(xué)提出的問題，你會做出怎樣的假設(shè)呢？

教師組織學(xué)生分組討論，讓學(xué)生針對自己的問題作出合理假設(shè)，給每個小組提供展示討論成果的平臺，調(diào)動學(xué)生討論的積極性。

師：我們提出假設(shè)之后就要用實驗來驗證了。我們在前一課中學(xué)習(xí)了滲透系統(tǒng)，同學(xué)們都想到了將滲透系統(tǒng)作為實驗的設(shè)計思路。圍繞這個思路，我們具體要怎樣來設(shè)計實驗?zāi)?？實驗中有哪些需要注意的地方？你能猜出實驗結(jié)果是怎樣的嗎？

為了啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生，教師利用多媒體呈現(xiàn)滲透原理實驗，讓學(xué)生一邊觀看一邊思考：滲透系統(tǒng)的組成是什么？植物細胞的滲透系統(tǒng)是怎樣的？

（學(xué)生觀看學(xué)習(xí)資料加以思考后回答）

教師綜合分析知識，幫助學(xué)生確定實驗假設(shè)，得出植物細胞原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜的實驗預(yù)期結(jié)果，并得到“外界溶液濃度比細胞液濃度更低時，細胞吸水；當(dāng)外界溶液濃度比細胞液濃度更高時細胞失水”的結(jié)論，將其作為實驗預(yù)期的結(jié)果。

（設(shè)計意圖：明確實驗探究的過程，在提出問題、做出假設(shè)的環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生將實驗探究的步驟落實到實驗中，提出問題、組織學(xué)生交流、討論，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生在獨立思考的基礎(chǔ)上實現(xiàn)思維碰撞，提升學(xué)生分析、解決問題的能力。實驗需要一定的知識作為基礎(chǔ)，教師以多媒體展示新知識，加深學(xué)生對新知識的理解。）

（三）實驗環(huán)節(jié)

教師提供質(zhì)量濃度為0.3g/mL 和0.5g/mL 的蔗糖溶液、蒸餾水、尖頭鑷子、滴管、刀片、載玻片、蓋玻片、顯微鏡以及吸水紙、紫色的洋蔥鱗片葉等實驗材料和用具，組織學(xué)生自主設(shè)計實驗，讓其借助實驗對自己的假設(shè)進行驗證。接著組織學(xué)生討論，完善實驗設(shè)計以及實驗過程中需要注意的地方，指導(dǎo)學(xué)生按照實驗設(shè)計方案完成實驗。

步驟一：制作洋蔥表皮臨時裝片，并觀察。首先取材。選擇紫色深的洋蔥的外表皮，借助刀片和鑷子撕取洋蔥鱗片。其次制片。制片時要注意防止裝片產(chǎn)生氣泡，學(xué)生精準(zhǔn)把握實驗操作。最后觀察洋蔥細胞，通過顯微鏡看到洋蔥細胞液泡大、呈現(xiàn)紫色，原生質(zhì)層貼著細胞壁。

步驟二：觀察質(zhì)壁分離和復(fù)原。首先，觀察洋蔥表皮細胞的質(zhì)壁分離現(xiàn)象，將蔗糖溶液從蓋玻片的一側(cè)滴入，用吸水紙從另一側(cè)吸引，重復(fù)多次，觀察實驗現(xiàn)象，并記錄下來。其次，觀察細胞質(zhì)壁分離的復(fù)原現(xiàn)象，將清水從蓋玻片的一側(cè)滴入，使用吸水紙從另一側(cè)吸引，重復(fù)多次，觀察并記錄觀察到的圖像。

步驟三：學(xué)生展示自己繪制的細胞吸水、失水圖像，解釋實驗現(xiàn)象，得到“質(zhì)壁分離是植物細胞失水、質(zhì)壁分離復(fù)原是植物細胞吸水”的實驗結(jié)論，指導(dǎo)學(xué)生完成實驗報告。

（設(shè)計意圖：讓學(xué)生自主設(shè)計實驗，親自動手操作實驗，掌握實驗每個步驟的操作技能，針對性訓(xùn)練和提升學(xué)生的生物學(xué)實驗操作技能和實驗設(shè)計水平。）

（四）改進實驗方案

在實驗中，實驗采用紫色洋蔥為材料，教師提出問題：為什么選擇紫色洋蔥作為實驗材料呢？可否用無色洋蔥來做這個實驗?zāi)兀?/p>

生1：因為洋蔥細胞液含有色素，可以更好地觀察實驗結(jié)果，所以不能用無色洋蔥來做這個實驗。

生2：我認(rèn)為也可以選擇無色洋蔥來做這個實驗，但要對洋蔥進行染色，不過這樣實驗就更復(fù)雜了。

師：對，在實驗過程中為了更好地觀察，我們往往選用顏色較深的洋蔥外層，洋蔥越往里顏色越淺，不好觀察。但是在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，撕取表皮細胞時很容易將細胞撕破，并且?guī)в泻芏嗳~肉不好觀察，加上要用最外層的材料，導(dǎo)致實驗材料嚴(yán)重浪費。對于這一情況，你能改進嗎？

學(xué)生陷入沉思，都在思考怎樣來改進。此時教師組織學(xué)生交流、討論，鼓勵學(xué)生大膽表達自己的觀點和想法。師生共同探討，最終得到改進方案：對洋蔥內(nèi)表皮顏色淺的材料，可以將紅墨水加入蔗糖溶液中開展實驗，便于觀察。對于表皮細胞和葉肉細胞結(jié)合緊密的情況，將洋蔥鱗片葉從鱗莖上全部剝離下來后，將上表皮朝外曬一曬，可以蒸發(fā)掉葉片的一部分水分，葉片變軟后葉肉細胞和表皮細胞的結(jié)合沒那么緊密，這時就很容易撕取完整的表皮細胞。

（設(shè)計意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生改進實驗方案，訓(xùn)練學(xué)生的實驗自主設(shè)計能力，提供改進實驗方案的思路，鼓勵學(xué)生從改進實驗材料、實驗試劑與裝置以及實驗步驟等方面思考。對實驗材料的改進，教師首先引導(dǎo)學(xué)生對實驗材料產(chǎn)生的效果加以分析，然后從效果呈現(xiàn)、操作等方面分析材料的不足，從而找出更容易觀察或者操作更簡單的材料。）

（五）課堂總結(jié)

完成生物學(xué)實驗后引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己完成的實驗嘗試解釋教學(xué)一開始提出的問題：餃子餡加入鹽之后為什么會出水？糖拌西紅柿為什么也會出水？引導(dǎo)學(xué)生思考、討論。

生：成熟的植物細胞可以組成滲透系統(tǒng)，相當(dāng)于半透膜。液泡內(nèi)部的細胞液和外界溶液會產(chǎn)生濃度差，此時會發(fā)生滲透作用，細胞會出現(xiàn)吸水和失水。當(dāng)外界濃度比細胞液濃度大時，細胞會失水，當(dāng)外界濃度比細胞液濃度小時，細胞會吸水。糖拌西紅柿和加鹽餃子餡的外界濃度都比細胞液濃度大，因此細胞失水，就出現(xiàn)了出水現(xiàn)象。

（設(shè)計意圖：總結(jié)整個課堂教學(xué)內(nèi)容，凸顯課堂的首尾連接；讓學(xué)生運用所學(xué)知識解釋課堂剛開始提出的問題，凸顯知識的實用性，提升學(xué)生運用生物學(xué)知識解決現(xiàn)實問題的能力。教師也能通過這個環(huán)節(jié)了解學(xué)生對知識的掌握程度。）

四、教學(xué)反思

（一）成功之處

本次實驗教學(xué)的過程，有一定的成功之處：通過創(chuàng)設(shè)趣味情境導(dǎo)出新課，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在實驗過程中凸顯學(xué)生的主體性。

1.創(chuàng)設(shè)趣味情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

情境創(chuàng)設(shè)是構(gòu)建有效課堂的重要因素，新課標(biāo)也強調(diào)要創(chuàng)設(shè)問題探究的情境，增強學(xué)生的體驗感。生物學(xué)實驗自主設(shè)計對學(xué)生提出了更高的要求，這就導(dǎo)致部分學(xué)生對生物學(xué)實驗教學(xué)產(chǎn)生了抵觸、排斥的心理，缺乏設(shè)計實驗的興趣和動機。針對這一問題，筆者結(jié)合學(xué)生的現(xiàn)實生活和學(xué)習(xí)需求創(chuàng)設(shè)實驗探究的真實情境，將學(xué)生設(shè)計生物學(xué)實驗的動機激發(fā)出來，以情境引導(dǎo)學(xué)生主動思考、探索，實現(xiàn)從“要我設(shè)計”到“我要設(shè)計”的轉(zhuǎn)變。以趣味的小實驗吸引學(xué)生的注意力，并借助生活中糖拌西紅柿、餃子餡的案例提出問題，引出“水分進出植物細胞”的實驗課題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.突出學(xué)生主體性，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗

在本次實驗教學(xué)中，凸顯學(xué)生自主思考和探究的過程，給予學(xué)生廣闊的思考、探索空間，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷提出問題、做出假設(shè)、實驗驗證、實驗改進、實驗總結(jié)的過程，讓學(xué)生掌握實驗探究的一般方法和步驟，提升學(xué)生的實驗?zāi)芰退仞B(yǎng)。在實驗探究過程中凸顯學(xué)生的主體性。教師引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，突出“探究”的過程，幫助學(xué)生理解和領(lǐng)會科學(xué)探究的過程，提升學(xué)生做出假設(shè)、設(shè)計實驗方案的能力。筆者在必要時發(fā)揮引導(dǎo)、啟發(fā)作用，讓學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，明確實驗步驟，并引導(dǎo)學(xué)生改進實驗方案，有效拓展實驗內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生交流、探討和實踐，從而獲得新知識。

（二）不足之處

本次實驗教學(xué)也存在一定的不足，學(xué)生對實驗探究的基本步驟比較陌生，教師要系統(tǒng)展示探究實驗的步驟和過程，讓學(xué)生明確實驗設(shè)計的流程和方向，減少學(xué)生的迷茫。另外，實驗操作方面存在問題：學(xué)生平時接觸實驗儀器、進行實驗操作的機會較少，因此在操作顯微鏡、制作洋蔥表皮臨時裝片以及引流的過程中存在一定的問題，對實驗步驟掌控不到位，導(dǎo)致實驗操作的過程不夠流暢，并且在一定程度上影響了最終的實驗現(xiàn)象觀察。教師應(yīng)該及時給予幫助和指導(dǎo)，規(guī)范學(xué)生的實驗操作。