多舉措擴(kuò)增高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課促進(jìn)學(xué)生形成高階思維能力

【摘 "要】 生物學(xué)是一門重視實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，通過有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生不僅可以提高實(shí)踐能力，還能在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)會(huì)探索、思考并勇于質(zhì)疑。這有助于學(xué)生深入思考實(shí)驗(yàn)原理和方法，從而形成高階思維能力。高階思維能力在學(xué)生的未來發(fā)展中具有舉足輕重的作用。本文旨在利用高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課，通過豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、多樣化實(shí)驗(yàn)形式、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法促進(jìn)學(xué)生形成高階思維能力。

【關(guān)鍵詞】 高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課；高階思維能力；擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)課

一、實(shí)驗(yàn)課的重要性和現(xiàn)狀

教育部《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》指出：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑?！蓖ㄟ^有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能提高學(xué)生的實(shí)踐能力，更能讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中學(xué)會(huì)探索、思考和勇于質(zhì)疑。這將使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、材料、設(shè)備和方案進(jìn)行深入思考，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移，進(jìn)而形成高階思維能力。

從現(xiàn)有的社會(huì)發(fā)展形勢(shì)來看，低階思維能力正在逐漸被快速發(fā)展的IT技術(shù)及AI技術(shù)所替代，為了讓學(xué)生更好適應(yīng)未來社會(huì)，教師應(yīng)更加注重學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生不僅能夠解決限定性條件的良構(gòu)問題，也能解決定義不完整的劣構(gòu)問題。因此，促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的形成才是教育中更為重要的任務(wù)，也是當(dāng)前全球大多數(shù)國家教育改革發(fā)展的一致目標(biāo)。

二、多舉措擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)課的具體做法

（一）豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，突出核心素養(yǎng)培養(yǎng)

教師應(yīng)根據(jù)不同年級(jí)的教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知水平和興趣特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既要涵蓋基礎(chǔ)知識(shí)和技能，又要體現(xiàn)跨學(xué)科和綜合性。

以“用同位素標(biāo)記法顯示DNA鏈在細(xì)胞分裂過程中的分配情況”的擴(kuò)增演示實(shí)驗(yàn)為例，探究有絲分裂、減數(shù)分裂、DNA半保留復(fù)制之間的聯(lián)系。

該擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)旨在模擬一種具有4條染色體的精原細(xì)胞，且其4條染色體被32P標(biāo)記，在普通培養(yǎng)液中經(jīng)歷一次有絲分裂和一次減數(shù)分裂的過程中被標(biāo)記的DNA鏈如何分布。

擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)具體如下：

1. 道具準(zhǔn)備：18cm紅色、黑色毛根若干個(gè)；8cm紅色、黑色毛根若干個(gè)；環(huán)狀磁鐵若干個(gè)。

2. 實(shí)驗(yàn)步驟。

（1）用2條18cm長的紅色毛根扭在一起用環(huán)形磁鐵套住，代表被32P標(biāo)記的一個(gè)染色體（全紅），制作2個(gè)。

用2條8cm長的紅色毛根扭在一起用環(huán)形磁鐵套住，代表被32P標(biāo)記的一個(gè)非同源染色體（全紅），制作2個(gè)。

用2條18cm長的黑色毛根扭在一起用環(huán)形磁鐵套住，代表沒有被32P標(biāo)記的一個(gè)染色體（全黑），制作3個(gè)。

用2條8cm長的黑色毛根扭在一起用環(huán)形磁鐵套住，代表未被32P標(biāo)記的一個(gè)非同源染色體（全黑），制作3個(gè)。

用1條18cm長的紅色毛根和1條18cm長的黑色毛根扭在一起用環(huán)形磁鐵套住，代表一條DNA鏈被32P標(biāo)記，一條未被標(biāo)記的一個(gè)染色體（紅黑），制作4個(gè)。

用1條8cm長的紅色毛根和1條8cm長的黑色毛根扭在一起用環(huán)形磁鐵套住，代表一條DNA鏈被32P標(biāo)記，一條未被標(biāo)記的一個(gè)非同源染色體（紅黑），制作4個(gè)。

（2）在黑板上畫出一個(gè)圓圈代表某具有4條染色體的精原細(xì)胞，將以上制作的2條18cm和2條8cm全紅染色體放入圓圈中。

（3）再將4條18cm紅黑染色體2個(gè)一組用環(huán)狀磁鐵吸在一起，表示已經(jīng)完成復(fù)制的X型染色體，其中磁鐵表示著絲粒。同法制作2個(gè)8cm紅黑X型染色體，代表其非同源染色體。用此步驟中制作的4個(gè)X型染色體替代步驟②中的4個(gè)全紅染色體。

（4）在黑板上畫出紡錘體及紡錘絲，將上一步驟中的四個(gè)染色體的著絲粒排列在赤道面上，拽住著絲粒分開每個(gè)染色體，分開的兩部分代表著絲粒斷裂后分開的兩個(gè)姐妹染色單體，并將染色體拉向兩級(jí)，在兩極的4個(gè)染色體外各畫一個(gè)圓圈表示一次有絲分裂完成，形成了新的子細(xì)胞。接下來模擬減數(shù)分裂。

（5）保留上一步驟中一個(gè)細(xì)胞，將18cm長的1個(gè)紅黑染色體和1個(gè)全黑染色體，以及2個(gè)全黑染色體的環(huán)狀磁鐵吸在一起，代表復(fù)制完成的X型染色體；再將同法制作2個(gè)同樣顏色的8cm長X型染色體，代表其非同源染色體。用此步驟中制作的4個(gè)X型染色體代替保留的步驟④中新的子細(xì)胞內(nèi)4個(gè)染色體。

（6）在黑板上畫兩個(gè)紡錘體及紡錘絲，將4個(gè)X型染色體按同源染色體聯(lián)會(huì)形式，組成2個(gè)四分體，將四分體放在赤道面上。

（7）拽住著絲粒將2個(gè)四分體分開拉向兩極，分別在兩極的2個(gè)染色體外周畫一個(gè)圈，代表形成2個(gè)染色體數(shù)目減半的次級(jí)精母細(xì)胞。

（8）在次級(jí)精母細(xì)胞兩極畫上紡錘體及紡錘絲，將細(xì)胞內(nèi)的非同源染色體的著絲粒磁鐵排列在赤道面上，拽住著絲粒向兩極拉去，并在移動(dòng)到兩極的2條染色體外周畫上圓圈代表新形成的4個(gè)精子細(xì)胞。

（二）多樣化實(shí)驗(yàn)形式，激發(fā)主體意識(shí)

以“檢測(cè)生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)中“檢測(cè)還原糖”部分為例，設(shè)計(jì)混合探究式實(shí)驗(yàn)。

1. 擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)材料

教材中提供的實(shí)驗(yàn)材料為：梨勻漿、葡萄勻漿、白蘿卜勻漿、花生種子、豆?jié){、鮮肝提取液、雞蛋清稀釋液。學(xué)生依據(jù)自身的生活經(jīng)驗(yàn)很容易便能得出其中梨勻漿、葡萄勻漿、白蘿卜勻漿為還原糖檢測(cè)材料，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，可增加蘋果勻漿、甜菜，甘蔗勻漿、西瓜汁、番茄汁作為還原糖部分的檢測(cè)材料，讓學(xué)生從中選擇一種材料，并將選擇理由和未選擇理由整理成表。

2. 小組實(shí)驗(yàn)、增加對(duì)照組

將全班學(xué)生分成若干小組，分組依據(jù)選擇相同材料的學(xué)生。設(shè)置組間競爭機(jī)制，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好的小組可得到獎(jiǎng)勵(lì)。分組完成后開始自行設(shè)計(jì)記錄表格和實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。

設(shè)計(jì)完成后，各小組選擇所需要的儀器，并依據(jù)現(xiàn)用現(xiàn)配原則，自行配制斐林試劑，甲液（質(zhì)量濃度為0.1g/ml的NaOH溶液）和乙液（質(zhì)量濃度為0.05/ml的CuSO4溶液）。

各小組開始檢測(cè)，向1號(hào)試管中加入2ml蒸餾水、2、3號(hào)試管中加入2ml待測(cè)組織樣液。

向1、2號(hào)試管中加入1ml斐林試劑（甲液和乙液等量混合均勻后加入），向3號(hào)試管中加入1ml蒸餾水。1號(hào)，3號(hào)試管作為對(duì)照組。

將1～3號(hào)試管放入50℃～65℃溫水的大燒杯中加熱約2分鐘。

觀察試管中出現(xiàn)的顏色變化。

3. 自我評(píng)價(jià)和反思

各小組依據(jù)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果填寫記錄表格，進(jìn)行分享和交流，對(duì)比不同小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論得出本次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)最佳方案，并進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和反思。

（三）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法，提升認(rèn)知水平

現(xiàn)以“影響酶活性的條件”實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)小課題“探究pH對(duì)酶活性的影響”為例，擴(kuò)增出預(yù)實(shí)驗(yàn)。

1. 設(shè)置起始問題

在正式試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，教師設(shè)置問題：

問題一：（提供2004年初審?fù)ㄟ^版本生物學(xué)教材中“影響酶活性的條件”實(shí)驗(yàn)的圖片）對(duì)比新舊兩版教材中提供的實(shí)驗(yàn)材料有何不同？

問題二：書中為何不建議使用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性的影響？

問題三：同學(xué)們?cè)趯?duì)上次“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)中所用的新鮮肝臟研磨液有什么感想？（展示由于放置一段時(shí)間后而產(chǎn)生分層的肝臟研磨液）

2. 界定問題，進(jìn)行小組討論

學(xué)生按小組對(duì)以上問題進(jìn)行討論，問題1：在兩版教材中實(shí)驗(yàn)材料的不同之處就在于HCL和NaOH，舊版教材中采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCL和NaOH溶液，而在新版教材中采用的是物質(zhì)的量0.01mol/L的HCL和NaOH溶液。通過問題2引導(dǎo)學(xué)生將書中建議與兩版教材實(shí)驗(yàn)材料的改變聯(lián)系起來，激發(fā)求知欲。問題3：學(xué)生在實(shí)際體驗(yàn)新鮮肝臟及其研磨液不易儲(chǔ)存，使用時(shí)會(huì)沾試管壁等問題后，對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的選擇進(jìn)行思考。

3. 質(zhì)疑

引起學(xué)生質(zhì)疑：真的不能用淀粉酶嗎？為什么不建議用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性的影響？

以舊版教材提供的材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證：

將1ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淀粉酶溶液分別加入1、2、3號(hào)試管中，在1、3號(hào)試管中分別加入1ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HCL和NaOH溶液，在2號(hào)試管中加入1ml蒸餾水，將1ml3%的可溶性淀粉溶液分別加入1、2、3號(hào)試管中，在3支試管中各滴入2滴碘液，觀察各試管顏色變化。

4. 解決疑問

學(xué)生在觀察到3號(hào)堿性環(huán)境試管中沒有顏色變化，質(zhì)疑3號(hào)試管出現(xiàn)無色現(xiàn)象有可能是淀粉酶溶液在堿性環(huán)境依然有活性。

依據(jù)學(xué)生和教師找到的資料，檢測(cè)淀粉的碘液會(huì)優(yōu)先與NaOH反應(yīng)生成無色的NaI和NaIO，從而失去檢測(cè)功能。并且淀粉在酸的催化作用下也可以發(fā)生部分水解，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

向3號(hào)試管中加入適量的HCL中和，溶液呈藍(lán)色。以此佐證堿性條件下的3號(hào)試管中的淀粉未被水解。因?yàn)樵诩尤脒m量的HCL后，發(fā)生歧化反應(yīng)，部分碘被還原。

5. 再次質(zhì)疑

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生認(rèn)為可能確實(shí)不能用碘液作為探究pH對(duì)酶活性的影響的檢測(cè)試劑。

引導(dǎo)學(xué)生把質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HCL和NaOH溶液換算成物質(zhì)的量濃度，約等于1.4mol/L和1.31mol/L，對(duì)比新教材物質(zhì)的量0.01mol/L的HCL和NaOH溶液，請(qǐng)同學(xué)分析實(shí)驗(yàn)的哪個(gè)方面有變化。

引起學(xué)生質(zhì)疑：實(shí)驗(yàn)由強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境變?yōu)槿跛崛鯄A環(huán)境有什么意義？碘液在弱酸弱堿環(huán)境下就可以正常顯色了？

引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證，為了避免淀粉酶的影響，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)去掉淀粉酶材料。

在1、3號(hào)試管中分別加入1ml物質(zhì)的量0.01mol/L的HCL和NaOH溶液，在2號(hào)試管中加入1ml蒸餾水；將1ml3%的可溶性淀粉溶液分別加入1、2、3號(hào)試管中；在3支試管中各滴入2滴碘液；觀察各試管顏色變化。

學(xué)生觀察到3支試管顏色全部變藍(lán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，贊同弱酸弱堿情況下碘液能使淀粉正常顯色，可作為檢測(cè)試劑。

6. 解決疑問

學(xué)生觀察到3支試管顏色全部變藍(lán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，贊同弱酸弱堿情況下碘液能使淀粉正常顯色，可作為檢測(cè)試劑。

學(xué)生繼續(xù)質(zhì)疑，既然碘液在弱酸弱堿環(huán)境下可以顯色，為何新版教材仍然不建議使用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性的影響？

教師提問：除了可以用碘液檢測(cè)淀粉是否水解，還可以用書中的哪個(gè)材料呢？

由學(xué)生設(shè)計(jì)使用淀粉酶探究酸性環(huán)境對(duì)酶活性的影響，并用菲林試劑檢測(cè)淀粉是否水解的實(shí)驗(yàn)。

取1支試管；將1ml的2%淀粉酶溶液加入試管中；向試管中加入1ml0.01mol/L的HCL溶液；向試管中加入1ml3%的可溶性淀粉溶液；再向試管中加入1ml斐林試劑；將試管放入盛有50℃～65℃溫水的燒杯中水浴加熱約2分鐘；觀察試管中的顏色變化。

請(qǐng)學(xué)生回憶斐林試劑是由哪些溶液配制的？

學(xué)生觀察到試管中未產(chǎn)生磚紅色沉淀，引導(dǎo)學(xué)生由此展開爭論，對(duì)于1號(hào)試管中未產(chǎn)生磚紅色沉淀是由于酸性條件下淀粉酶失去活性，還是斐林試劑中的NaOH在發(fā)生酸堿中和反應(yīng)后被破壞。

7. 歸納總結(jié)

如果用斐林試劑當(dāng)作淀粉酶探究pH對(duì)酶活性影響的檢測(cè)試劑不足以說明酶在酸性條件下會(huì)失活，以及以上提到的淀粉在酸性條件下會(huì)部分水解，因此教材中不建議使用淀粉酶探究pH對(duì)酶活性的影響。

三、多舉措擴(kuò)增實(shí)驗(yàn)課的預(yù)期效果

培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用。學(xué)生在動(dòng)手操作中感受到理論知識(shí)與現(xiàn)象之間的聯(lián)系，并在反復(fù)驗(yàn)證中加深對(duì)規(guī)律原理的把握。

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)。通過豐富有趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式，激發(fā)學(xué)生對(duì)自然科學(xué)領(lǐng)域的好奇心和探究欲望，并在自主選擇或設(shè)計(jì)方案中鍛煉他們解決問題和創(chuàng)造新知識(shí)的能力。

培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力。通過不斷的巧妙設(shè)問，學(xué)生在質(zhì)疑和求解過程中對(duì)問題進(jìn)行深入思考、多角度分析和證據(jù)評(píng)估，提高學(xué)生的認(rèn)知能力和水平。

促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展。通過優(yōu)化有效的引導(dǎo)方法，在每一個(gè)環(huán)節(jié)都讓學(xué)生運(yùn)用高階思維技巧進(jìn)行深入思考，并在總結(jié)歸納中讓他們展示自己對(duì)所做事情及其結(jié)果有清晰而全面地認(rèn)知。

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