新課標(biāo)視域下初中生物學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

摘要：本文通過(guò)對(duì)教材中原本文字的描述部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)化，以“綠色植物的生活需要無(wú)機(jī)鹽”實(shí)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)載體，選取黑藻作為實(shí)驗(yàn)材料，針對(duì)學(xué)生的探究過(guò)程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)單，并選取可測(cè)量的觀察指標(biāo)，判斷不同無(wú)機(jī)鹽對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，為學(xué)生深度理解大概念和思維發(fā)展提供幫助，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，全面促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：綠色植物；無(wú)機(jī)鹽；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；科學(xué)探究

文章編號(hào)：1003-7586（2024）05-0058-03 中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家課程方案和學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，也是當(dāng)今社會(huì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要實(shí)現(xiàn)途徑。2019年教育部發(fā)布的《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(jiàn)》重點(diǎn)提出要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，并采用多種形式，例如綜合運(yùn)用觀察、觀測(cè)、模擬、體驗(yàn)等方式，促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代新興科技的有機(jī)融合，切實(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《義教課標(biāo)》）也在課程理念中提出教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐的要求，強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)驗(yàn)、探究類學(xué)習(xí)活動(dòng)，使學(xué)生加深對(duì)生物學(xué)概念的理解?；谝陨辖虒W(xué)的現(xiàn)實(shí)要求，如何以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為載體，讓學(xué)生從解決現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)的情境問(wèn)題入手，從獲取表層淺表的知識(shí)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)真實(shí)問(wèn)題的深度思考，最終提升學(xué)生的核心素養(yǎng)水平，成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中亟待研究的問(wèn)題。

本文基于《義教課標(biāo)》的具體要求，以學(xué)生熟悉的自然環(huán)境作為真實(shí)情境，以“綠色植物的生活需要無(wú)機(jī)鹽”作為核心概念設(shè)計(jì)了相關(guān)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。該內(nèi)容是重要概念“42植物通過(guò)吸收、運(yùn)輸和蒸騰作用等生理活動(dòng)，獲取養(yǎng)分，進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸，供植物利用，其中大部分水通過(guò)蒸騰作用散失”下的次位概念“4.2.1植物根部吸收生活所需的水和無(wú)機(jī)鹽，通過(guò)導(dǎo)管向上運(yùn)輸，供植物利用，其中大部分水通過(guò)蒸騰作用散失”的一部分。

本實(shí)驗(yàn)是北京版義務(wù)教育教科書《生物學(xué)-七年級(jí)-上冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱“教材”）第四章第一節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容中安排了學(xué)習(xí)活動(dòng)“用蒸餾水和土壤浸出液培養(yǎng)幼苗”，但是對(duì)于無(wú)機(jī)鹽對(duì)植物具體作用，教材中僅采用正常和缺乏N、P、K元素草莓葉片圖片進(jìn)行對(duì)比舉例，未能給學(xué)生提供直接參與探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法通過(guò)完整的科學(xué)探究過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)科的深度理解。因此，本實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)材料的選擇入手，創(chuàng)新性地采用黑藻作為實(shí)驗(yàn)材料。一方面是因?yàn)楹谠迨且环N水生植物，具有易獲取、生長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)，通常以休眠芽進(jìn)行無(wú)性繁殖，條件適宜時(shí)存活率高，其生長(zhǎng)和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與水環(huán)境中的無(wú)機(jī)鹽密切相關(guān)。另一方面，黑藻的各部分形態(tài)結(jié)構(gòu)變化容易觀察，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良好材料，能夠取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。本實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生觀察黑藻在缺乏無(wú)機(jī)鹽的培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)過(guò)程中形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，并選取相關(guān)指標(biāo)，分析不同種類無(wú)機(jī)鹽對(duì)黑藻生長(zhǎng)的影響，從而幫助學(xué)生理解“綠色植物的生活需要無(wú)機(jī)鹽”的概念。同時(shí)將科學(xué)思想和常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法融入具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之中，如從宏觀到微觀，從現(xiàn)象到本質(zhì)，平行與對(duì)照實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)等，以此促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展和科學(xué)探究能力的提升。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1實(shí)驗(yàn)器材

黑藻（Hydrilla verticillata）、無(wú)土栽培培養(yǎng)液、缺元素培養(yǎng)液、蒸餾水、燒杯、量筒、解剖剪、鑷子、尺子等。

1.2黑藻的選取

教師于當(dāng)?shù)睾恿髦薪短帗迫『谠宸诺綄?shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培養(yǎng)，待其長(zhǎng)到20 cm左右后，選取大小、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的包含莖尖的8 cm黑藻莖段作為實(shí)驗(yàn)材料。

1.3培養(yǎng)液的配制

5％霍格蘭培養(yǎng)液：量筒量取50 mL霍格蘭培養(yǎng)液，加水稀釋至1L（見(jiàn)表1）。5％缺元素培養(yǎng)液：分別用量筒量取50 mL缺N、P、K元素的霍格蘭培養(yǎng)液，利用蒸餾水進(jìn)行稀釋，均加水稀釋至1L。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

分別量取配置好的無(wú)土栽培培養(yǎng)液和蒸餾水450 mL，倒人到500 mL的燒杯中，加入兩個(gè)長(zhǎng)度為8 cm，帶芽尖、無(wú)側(cè)枝的黑藻莖段，放在相同的光照條件下進(jìn)行培養(yǎng)，每3天更換一半培養(yǎng)液，45天后觀察黑藻生長(zhǎng)狀況。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及概念的理解，落實(shí)深度學(xué)習(xí)理念，匹配了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)單（見(jiàn)表2），分別針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中基本的學(xué)科研究方法及探究過(guò)程設(shè)置“腳手架”，幫助學(xué)生形成對(duì)于這一概念的深度理解。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生對(duì)不同培養(yǎng)液培養(yǎng)的黑藻進(jìn)行觀察，對(duì)比各組黑藻的生長(zhǎng)狀況（見(jiàn)圖1），通過(guò)討論選取株高、分支數(shù)和根長(zhǎng)三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，求取平均值后，整理數(shù)據(jù)如表3所示。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.3.1黑藻的生長(zhǎng)需要無(wú)機(jī)鹽

學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)進(jìn)階任務(wù)單的指引，對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各組黑藻的生長(zhǎng)情況，討論并分析無(wú)機(jī)鹽對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)與CK組相比，缺少無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)的黑藻生長(zhǎng)情況均出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢現(xiàn)象。學(xué)生對(duì)于觀察結(jié)果進(jìn)行分析討論得出，缺乏無(wú)機(jī)鹽致使植物生長(zhǎng)緩慢，因此無(wú)機(jī)鹽是植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同種類的無(wú)機(jī)鹽對(duì)植物生長(zhǎng)的影響也不相同。其中，黑藻的平均株高為CK>-K>-P>-N>H20；分支數(shù)依次為CK=-K>-P=H2O>-N，H2O處理組的分支葉片和莖稈顏色為黃白半透明狀，-P處理組的側(cè)枝一直以芽的形式存在，沒(méi)有繼續(xù)生長(zhǎng)；H2O、-N、-P處理組的黑藻沒(méi)有長(zhǎng)出新根，根長(zhǎng)依次為CK>-K；CK組的葉片顏色最深，-N處理組的葉片顏色呈黃綠色，-K處理組的葉片有不同程度的焦黃色。基于以上結(jié)果，學(xué)生進(jìn)一步分析得出：缺乏N、P、K其中任何一種無(wú)機(jī)鹽都會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)狀況受到抑制，但不同種類無(wú)機(jī)鹽對(duì)黑藻生長(zhǎng)的影響卻不相同，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

2.3.2不同種類無(wú)機(jī)鹽對(duì)黑藻生活有影響

學(xué)生基于植物生長(zhǎng)與細(xì)胞分裂分化的相關(guān)知識(shí)，對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析討論：植物的生長(zhǎng)、側(cè)枝和根的形成是細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和分化的結(jié)果。-N處理組的平均株高、分支數(shù)和根長(zhǎng)均低于CK組，且平均分支和根長(zhǎng)為0，說(shuō)明含N元素的無(wú)機(jī)鹽可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和分化，使植物枝繁葉茂；P處理組的平均分支數(shù)為1，且側(cè)芽生長(zhǎng)十分緩慢，根長(zhǎng)為0，說(shuō)明含P元素的無(wú)機(jī)鹽可以促進(jìn)細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)，從而促進(jìn)幼苗發(fā)育；-K處理組的平均株高、分支數(shù)和根長(zhǎng)均顯著高于-N和-P處理組，但其部分葉片蠟黃，莖稈更細(xì)，說(shuō)明含鉀的無(wú)機(jī)鹽可以使植物莖稈健壯，抗倒伏，促進(jìn)葉片中淀粉合成。學(xué)生還注意到H2O處理的黑藻側(cè)枝顏色為白色透明狀，進(jìn)而推測(cè)除N、P、K三種無(wú)機(jī)鹽外，其他種類無(wú)機(jī)鹽可參與植物葉綠素的合成。

為驗(yàn)證上述結(jié)論，學(xué)生向培養(yǎng)液中補(bǔ)充缺乏的無(wú)機(jī)鹽繼續(xù)培養(yǎng)，缺元素培養(yǎng)的各組黑藻長(zhǎng)勢(shì)均有不同程度的恢復(fù)，H2O處理組黑藻的側(cè)枝沒(méi)有明顯生長(zhǎng)且葉片顏色沒(méi)有變化，但頂芽中生長(zhǎng)的幼葉為綠色。據(jù)此，學(xué)生得出結(jié)論，植物生長(zhǎng)的任一時(shí)刻缺乏任何一種無(wú)機(jī)鹽都會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不同程度的影響，且無(wú)機(jī)鹽可能是植物體某些結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

3反思與建議

3.1通過(guò)實(shí)際體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的深度理解

實(shí)踐體驗(yàn)是學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的重要途徑，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所蘊(yùn)含的概念的深度理解。教師通過(guò)設(shè)計(jì)分層任務(wù)，實(shí)現(xiàn)基于核心問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生探究不同種類無(wú)機(jī)鹽對(duì)綠色植物生活的影響，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)含N、P、K的無(wú)機(jī)鹽對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)配置缺元素培養(yǎng)液，長(zhǎng)期培養(yǎng)和觀察黑藻，選取和測(cè)量觀測(cè)指標(biāo)，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力。

3.2豐富的資源供給，為學(xué)生科學(xué)思維的形成奠定了基礎(chǔ)

科學(xué)思維的形成是學(xué)生獲得科學(xué)結(jié)論的必要條件。教師利用缺乏無(wú)機(jī)鹽的培養(yǎng)液水培黑藻的實(shí)驗(yàn)，有效彌補(bǔ)了課本上圖片舉例的局限性，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，幫助學(xué)生選取實(shí)驗(yàn)材料，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用細(xì)胞分裂、分化過(guò)程的相關(guān)知識(shí)，嘗試分析不同種類無(wú)機(jī)鹽對(duì)綠色植物生長(zhǎng)的影響。學(xué)習(xí)任務(wù)單的進(jìn)階式問(wèn)題設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生在探究活動(dòng)過(guò)程中主動(dòng)獲得證據(jù)，從而構(gòu)建和理解“綠色植物的生活需要無(wú)機(jī)鹽”概念，為學(xué)生科學(xué)思維的形成奠定了基礎(chǔ)。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為證據(jù)，為重要概念的建構(gòu)提供有效支撐

概念的構(gòu)建是學(xué)生思維過(guò)程中的結(jié)構(gòu)化成果?！爸参锷钚枰獰o(wú)機(jī)鹽”這一概念需要學(xué)生理解“無(wú)機(jī)鹽是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”和“無(wú)機(jī)鹽對(duì)植物生活有影響”兩個(gè)次位概念，本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析逐步形成概念。這不僅能夠幫助學(xué)生形成學(xué)科特有的思維方法，提高科學(xué)探究的能力，同時(shí)也為學(xué)生構(gòu)建概念提供有效支撐，并進(jìn)一步幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)于概念的深度理解。