指向核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)實驗教學(xué)實踐

黃麗麗

生物學(xué)是以觀察和實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在教學(xué)過程中，教師可以根據(jù)教學(xué)和學(xué)生實際選取教材中相關(guān)實驗進行有效設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生親自動手實踐，通過實踐獲得認知，從而提升學(xué)生的素養(yǎng)。

一、概念教學(xué)實驗化，促進學(xué)生生命觀念的形成

新課程設(shè)計的基本理念之一是聚焦大概念，課程內(nèi)容框架和體系是由許多核心概念組成的。在概念教學(xué)時，為幫助學(xué)生有效達成對相應(yīng)概念的深入理解，新課程標準給出了相關(guān)活動建議。例如，“概念2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”包含3個重要概念，10個次位概念。為了讓學(xué)生理解概念2，新課標建議開展“通過模擬實驗探究膜的透性”等7個教學(xué)實踐活動，而這些則可以成為學(xué)生理解相關(guān)概念的實驗活動。

又如，為了讓學(xué)生理解“酶是一類能催化生化反應(yīng)的蛋白質(zhì)”，筆者將“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗引入教學(xué)活動，進行了如下設(shè)計和實踐：

首先，創(chuàng)設(shè)問題情境。例如，細胞代謝過程中會產(chǎn)生對細胞有害的物質(zhì)，如過氧化氫。幸而細胞中含有一種物質(zhì)，能將過氧化氫及時分解，變成氧氣和水。這種物質(zhì)就是過氧化氫酶。俗話說，肝臟是人體的解毒器官，是因為肝臟中含有很多分解有害代謝產(chǎn)物的酶，新鮮肝臟中有較多的過氧化氫酶。酶是細胞代謝不可缺少的催化劑，與無機催化劑相比，酶催化化學(xué)反應(yīng)的效率如何呢？其次，教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材提供的參考資料：經(jīng)計算，質(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCl3和質(zhì)量分數(shù)為20%的肝臟研磨液相比，每滴FeCl3溶液中的Fe3+數(shù)大約是肝臟研磨液中過氧化氫酶分子的25萬倍。提出疑問：如何設(shè)計實驗比較過氧化氫在過氧化氫酶和其他條件下的分解速率？再次，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合化學(xué)知識分析實驗原理，明確實驗?zāi)康?。小組合作制訂實驗方案，教師引導(dǎo)學(xué)生分析實驗變量，提示學(xué)生控制無關(guān)變量。最后，教師提供如新鮮的質(zhì)量分數(shù)為20%的肝臟（如豬肝、雞肝等）研磨液等實驗材料和用具供小組選擇進行實驗，觀察實驗現(xiàn)象，記錄的結(jié)果如表1：

通過“比較過氧化氫在不同條件下的分解速率”的實驗，學(xué)生親眼看到了過氧化氫酶的神奇效果，切實體驗到了肝細胞中過氧化氫的存在，感受過氧化氫酶催化過氧化氫高效分解，能深刻理解肝臟的解毒功效，認識到肝臟對人體的重要性。

二、數(shù)據(jù)分析精細化，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

生物學(xué)科的實驗教學(xué)是推動學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的有效載體。豐富多彩的實驗材料刺激著學(xué)生的感官，滿足了學(xué)生探索未知世界的需求;嚴謹?shù)膶嶒灢僮髂芘囵B(yǎng)學(xué)生的實踐技能，真實可靠的實驗數(shù)據(jù)可以培養(yǎng)學(xué)生求真的科學(xué)態(tài)度;對實驗數(shù)據(jù)進行精細化處理和分析可以得出正確的結(jié)論，可以訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)的思維方式和方法。如筆者帶領(lǐng)學(xué)生進行“探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度的預(yù)實驗”時，某小組記錄的實驗數(shù)據(jù)如表2：

有幾個小組記錄的實驗數(shù)據(jù)差距較大，得出的結(jié)論也各不相同。實驗數(shù)據(jù)是在嚴格控制自變量，無關(guān)變量相同且適宜的條件下得到的，反映因變量的數(shù)據(jù)可以幫助學(xué)生挖掘隱藏在現(xiàn)象和結(jié)果背后的科學(xué)原理和規(guī)律。實驗數(shù)據(jù)的可靠性與實驗原則、無關(guān)變量的控制、實驗室的環(huán)境、學(xué)生的操作等各種因素有關(guān)，教師可以用手機或相機等電子設(shè)備拍攝學(xué)生的操作過程，以備對實驗數(shù)據(jù)進行誤差分析。在對上述實驗數(shù)據(jù)分析中，筆者幫助學(xué)生回放當初的操作過程，各小組比較分析存在差距的原因，找到產(chǎn)生誤差的根源。通過分析發(fā)現(xiàn)，有的小組對實驗無關(guān)變量的控制不到位，如處理枝條時，實驗組每根枝條上留存的葉芽數(shù)不相等，枝條底部剪出的斜面大小不相同等。

在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)一些學(xué)生實驗?zāi)芰Σ蛔?，不善探究，而是坐等教師告訴他所謂的“真相”和結(jié)論，即缺乏用邏輯思維分析問題的習(xí)慣。這就需要教師在教學(xué)過程中合理設(shè)計，適時引導(dǎo)，促使學(xué)生動手操作和實踐。盡管剛開始學(xué)生操作很不流暢，難免會出現(xiàn)較大的誤差，但教師可以抓住契機引導(dǎo)學(xué)生分析誤差以得出正確的結(jié)論。在實驗過程中如實記錄數(shù)據(jù)，分析誤差，是培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度的有效途徑，是鍛煉學(xué)生高階思維、發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的重要方式。

三、實驗設(shè)計情景化，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

教師在設(shè)計探究性實驗時可以引導(dǎo)學(xué)生在真實的情景中開啟探究之旅。例如，在學(xué)習(xí)光合作用時，筆者將教材中的驗證性實驗“提取和分離葉綠體中的色素”設(shè)計為探究性實驗，引導(dǎo)學(xué)生進行探究活動，具體做法如下：

1.根據(jù)常見的自然現(xiàn)象提出議題，如自然界中，絕大多數(shù)植物的葉片是綠色的;秋天到了樹葉會變黃;綠色幼苗中偶爾會出現(xiàn)白化苗，白化苗由于不能進行光合作用，一段時間后會死亡。在上述情景性議題下引導(dǎo)學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴提出探究的問題，有些學(xué)生說：“葉片為什么是綠色，綠葉中是否含有綠色的色素？”有些學(xué)生提出：“秋天葉片為什么會變黃，葉片中是否含有多種色素？”也有學(xué)生提出：“白化苗為什么會死亡，這與色素有關(guān)嗎？”對學(xué)生提出的五花八門的問題，教師要及時引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)整理成一個問題進行探究，如：“植物葉片中與光合作用有關(guān)的色素有哪些，能不能從綠葉中提取和分離到呢？”

2.依據(jù)要探究的問題，引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材提供的實驗原理，設(shè)計實驗方案。教師對學(xué)生設(shè)計方案時存在的問題進行解疑，幫助學(xué)生修正實驗方案，如學(xué)生從教材中得知，分離綠葉中的色素所用到的層析液是由20份在60℃～90℃下分離出來的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成，而這三種化學(xué)物質(zhì)對人體有害，影響健康，不好配制。教師建議可以用93號汽油代替，并提示汽油有揮發(fā)性，注意做好防護。

3.利用課余時間或下一課時（課時充足的話），教師幫助學(xué)生準備實驗所需的材料用具，按照實驗方案中的步驟進行實驗得到圖2所示的結(jié)果。

從上述結(jié)果分析可以得出，綠葉中含有四種色素，濾紙條從上往下依次是橙黃色的胡蘿卜素、黃色的葉黃素、藍綠色的葉綠素a、黃綠色的葉綠素b;在層析液中溶解度最大的是胡蘿卜素，最小的是葉綠素b;含量最多的色素是葉綠素a，含量最小的是胡蘿卜素。此時，學(xué)生恍然大悟，葉片中因含有大量的葉綠素使葉片呈現(xiàn)綠色;除了葉綠素外，還有少量的類胡蘿卜素，秋天可能由于各種因素使葉綠素消失，葉片便呈現(xiàn)出類胡蘿卜素所具有的黃色。得到實驗結(jié)果后，很多學(xué)生被色彩分明的色素條帶所吸引，他們相互對比，相互交流。有學(xué)生提出不把圓形濾紙剪成教材所說的濾紙條，而是直接在圓形濾紙上進行色素的分離可得到圓形的色素環(huán)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生積極動手，做出了美觀的色素環(huán)。這顯然是對濾紙條制備步驟進行了遷移應(yīng)用和創(chuàng)新，使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到了發(fā)展。

筆者在設(shè)計探究實驗時創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生進行探究實踐，解決真實問題。如何使探究活動有序順利地完成，需要教師在課前精心設(shè)計，課堂上耐心指導(dǎo)，這樣學(xué)生才能自主探究、學(xué)有所獲。

四、實驗活動實踐化，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任

實驗教學(xué)中，將科學(xué)知識與相應(yīng)的生活經(jīng)驗和社會實踐相結(jié)合是培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任的一種有效的措施。高中生物學(xué)選修一的課題一“果酒和果醋制作”是引導(dǎo)學(xué)生開展實踐活動的一個絕好題材，由此筆者創(chuàng)設(shè)情境，引入實踐活動主題：金秋十月，瓜果飄香，成熟的水果如果銷售不完就會腐爛，造成浪費，會帶來很大的經(jīng)濟損失，如何解決這一問題？將剩余的水果釀制成果酒和果醋儲存不失為一個很好的辦法。

活動安排：此次活動安排在高二下學(xué)期，秋季的9—10月份，正值葡萄旺季，品種豐富，此時葡萄上的酵母菌數(shù)量多且活力強，發(fā)酵釀酒的效果極佳;對我們所生活的地區(qū)（甘肅省定西市岷縣）來說，此季節(jié)的溫度正適合釀酒，溫度適宜，發(fā)酵現(xiàn)象非常明顯。

實踐活動的實施：

1.材料及用具的準備：發(fā)酵瓶、紗布、榨汁機、盛葡萄汁的容器等，市場上購買的新鮮葡萄10斤。將盛放葡萄的器材和用具做好消毒處理。

2.將鮮葡萄去除枝梗和腐爛的籽粒，用清水沖洗1～2遍去除污物，注意沖洗次數(shù)不宜過多（避免沖走葡萄上的酵母菌）。

3.用榨汁機把葡萄榨成汁后裝入發(fā)酵瓶，或用干凈的手將葡萄捏碎流出汁液，用潔凈的紗布將汁液過濾到發(fā)酵瓶中，但注入的果汁量不要超過發(fā)酵瓶總體積的2/3，蓋好瓶蓋。也可以將一部分發(fā)酵瓶用潔凈的紗布封口（不蓋瓶蓋），用于果醋的發(fā)酵。

4.把發(fā)酵瓶放于適合的溫度下進行發(fā)酵：葡萄酒的發(fā)酵瓶置于自然環(huán)境溫度（18℃～25℃）下發(fā)酵，由于發(fā)酵旺盛期將會產(chǎn)生大量的CO2，因此每天要擰松瓶蓋2～4次進行排氣，以防止發(fā)酵瓶爆裂。葡萄醋的發(fā)酵瓶放入實驗室的恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵，溫度設(shè)置為30℃～35℃?；蛘弋敼漆劤芍?，可以在發(fā)酵瓶中加入醋酸菌或醋曲，用干凈的紗布封口后轉(zhuǎn)移到實驗室的恒溫培養(yǎng)箱中（溫度設(shè)置為30℃-35℃）發(fā)酵。

5.10天以后可以進行果酒和果醋的檢測：筆者和學(xué)生進行了一次愉快的品酒嘗醋活動，品著自釀的酒和醋，學(xué)生臉上洋溢著幸福和自信的微笑。有些學(xué)生品酒后提出了新的問題，如有沒有新的技術(shù)來提高釀制葡萄酒的效率？發(fā)酵時加入白砂糖會改善葡萄酒的口味嗎？

通過此次自釀酒和醋的實踐活動，學(xué)生不但熟悉了傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)，深刻理解了發(fā)酵的原理，而且認識到了傳統(tǒng)釀制技術(shù)給人們帶來的便利，體驗到了中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的魅力，更重要的是提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。利用這一素材，激發(fā)學(xué)生動手制作的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力，滲透STS教育，讓學(xué)生將所學(xué)相關(guān)知識運用于實踐，真正體會到生物科學(xué)的意義所在。

實驗是提升學(xué)生生物核心素養(yǎng)的重要支撐。實驗教學(xué)為學(xué)生動手動腦提供了平臺，學(xué)生在“做中思，做中學(xué)，做中悟”中深刻地理解了科學(xué)概念，獲得了豐富的感性認識，加深了對科學(xué)原理、規(guī)律的理解，促使生命觀念形成;學(xué)生思維的系統(tǒng)性、靈活性、獨創(chuàng)性、敏捷性能在實驗設(shè)計、實施和修正實驗方案的過程中得到發(fā)展，提升科學(xué)探究能力;細致嚴謹?shù)牟僮鬟^程、如實記錄實驗結(jié)果，有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴謹、求真的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展科學(xué)思維;實驗設(shè)計過程中考慮實驗成本、廢物的產(chǎn)生和有毒物質(zhì)的處理，將實驗活動與生活、社會實踐相結(jié)合等都有助于培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任和擔(dān)當。

（作者單位：岷縣第四中學(xué)）

編輯：李琴芳