“三新”背景下高中生物學(xué)實驗優(yōu)化策略探究

摘 要：優(yōu)化高中生物學(xué)實驗可以從優(yōu)化實驗材料、實驗試劑、實驗裝置和生成物檢測等方面入手，在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中，可以用杏鮑菇研磨液、酵母菌懸濁液和韭菜研磨液作為生物催化劑，用Y型試管代替錐形瓶作為反應(yīng)容器，用亞甲基藍(lán)檢測是否有氧氣生成，用帶刻度的注射器或相對壓強傳感器測算生成的氣體的體積。

關(guān)鍵詞：實驗優(yōu)化；科學(xué)探究；過氧化氫分解；高中生物學(xué)

中圖分類號：G63 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）32-0061-04

隨著新課程、新教材、新高考的推進，教師在高中生物學(xué)教學(xué)中不僅要關(guān)注學(xué)生的知識掌握和能力發(fā)展情況，而且要注重培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。2019年教育部發(fā)布《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，對實驗教學(xué)提出總要求：全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育，努力構(gòu)建與德智體美勞全面培養(yǎng)的教育體系相適應(yīng)、與新課程標(biāo)準(zhǔn)要求相統(tǒng)一的實驗教學(xué)和評價體系。生物學(xué)是一門建立在實驗基礎(chǔ)上的學(xué)科，實驗教學(xué)是高中生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，其核心在于讓學(xué)生通過實際操作、觀察和分析現(xiàn)象來提高科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。然而在實際教學(xué)中，由于教學(xué)課時緊張，絕大多數(shù)教師采用“講實驗”的方式，很少讓學(xué)生親自去做實驗，可見，不少教師的教育觀念落后，急需優(yōu)化教師對高中生物學(xué)實驗的認(rèn)識。傳統(tǒng)實驗過程往往存在材料準(zhǔn)備復(fù)雜、實驗現(xiàn)象不夠顯著等問題，不利于學(xué)生對實驗本質(zhì)的深入理解和探究。基于此，本研究從優(yōu)化實驗材料、實驗試劑、實驗裝置和實驗步驟等方面探究優(yōu)化實驗效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究熱情的策略。

一、國內(nèi)外高中生物學(xué)實驗研究情況

（一）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2024年9月14日，在中國知網(wǎng)“主題”中輸入“高中生物學(xué)實驗教學(xué)”，點擊檢索，共出現(xiàn)604條中文文獻，其中學(xué)術(shù)期刊文獻153篇，學(xué)位論文150篇，會議論文11篇，學(xué)術(shù)輯刊文獻1篇，特色期刊文獻289篇。這一主題1987年到2005年期間受到的學(xué)術(shù)關(guān)注度較低，年文獻量不超過2篇，2007年至2017年，年文獻量緩慢增加，但年發(fā)文量均不超過20篇，2018年文獻量增至41篇，此后年文獻量呈現(xiàn)快速增加的趨勢，可見生物學(xué)實驗教學(xué)已經(jīng)逐漸受到關(guān)注。通過閱讀這些文獻發(fā)現(xiàn)：在理論層面提出建議的較多，對實驗進行不同程度的改進與創(chuàng)新實踐也有，但提出的實驗改進和創(chuàng)新策略都比較零散，很少對教材中的實驗改進與創(chuàng)新進行系統(tǒng)研究。

（二）國外研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，全球教育發(fā)達國家對生物學(xué)實驗教學(xué)的關(guān)注度逐漸提高，美國和日本等發(fā)達國家尤為突出。美國更注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?、探究能力和理性思維。在美國教學(xué)安排中，實驗課時占總課時的一半以上，實驗類型較齊全，包括微型實驗、調(diào)查實驗、數(shù)據(jù)實驗等。實驗設(shè)置在各個章節(jié)，教材注重啟發(fā)學(xué)生自主思考、動手操作，通過討論交流，學(xué)生自己得出結(jié)論，教材中不會呈現(xiàn)最終的結(jié)論，只是給學(xué)生打造一個自主探究的空間。

通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，近年國內(nèi)外對生物學(xué)實驗教學(xué)重視程度有很大提高。國內(nèi)實驗教學(xué)高度重視理論研究，理論研究取得一定的成就，而實際上學(xué)生實驗操作過程中仍存在很多不足，如實驗材料沒有因地制宜、實驗過程不適于當(dāng)?shù)氐膶W(xué)生等；國外實驗教學(xué)注重理論與實踐相結(jié)合，注重讓學(xué)生親自參與實驗的探究過程。因此，教師可以繼續(xù)深化高中生物學(xué)實驗的優(yōu)化研究，關(guān)注實踐中的問題與挑戰(zhàn)，探索有效的解決方案。

二、高中生物學(xué)實驗優(yōu)化措施

（一）實驗材料及試劑創(chuàng)新

生物學(xué)實驗對材料和試劑的要求是易于獲取、價格低廉和實驗現(xiàn)象明顯等。對實驗材料的創(chuàng)新可以從學(xué)生實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題入手，對照多種實驗材料選出更合適的，這樣可以大大簡化實驗操作，提高實驗成功率。實驗材料可以從本地材料或常見材料中篩選，比如“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，可以用新鮮豬肝作為催化劑，也可以選用杏鮑菇、酵母菌和韭菜等作為生物催化劑。在實驗過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)新鮮肝臟不僅不易保存，而且具有較強的腥味，還導(dǎo)致反應(yīng)速度過快，他們往往難以接受新鮮豬肝的這些缺點，可見新鮮豬肝并不是用于開展此實驗的最佳材料。于是，教師引導(dǎo)學(xué)生探尋更合適的實驗材料，選擇了杏鮑菇、酵母菌和韭菜等作為生物催化劑并對比實驗效果。這些材料不僅易獲取、價格低廉，而且實驗現(xiàn)象明顯，反應(yīng)速度較為適中，可以作為本實驗的理想材料。杏鮑菇研磨液、酵母菌懸濁液和韭菜研磨液在催化過氧化氫分解時，均能產(chǎn)生明顯的氣泡，這為學(xué)生觀察和記錄實驗現(xiàn)象提供了極大的便利［1］。此外，此類生物催化劑的使用還解決了肝臟保存難、腥味重、反應(yīng)速率過快等問題，其中酵母菌懸濁液還有不需要研磨等優(yōu)點，提高了實驗的安全性和衛(wèi)生條件。

由此可以總結(jié)出創(chuàng)新實驗材料及試劑的三個注意事項。第一，關(guān)注材料是否滿足本實驗的需要。比如在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中要找到富含過氧化氫酶的材料；還原糖檢測實驗需要材料沒有顏色或接近白色；質(zhì)壁分離實驗需要材料有中央大液泡；觀察葉綠體及細(xì)胞質(zhì)流動實驗需要用到葫蘆蘚等。第二，實驗材料要本土化。比如在做植物根尖有絲分裂實驗時，選擇的材料是洋蔥，但是南方的學(xué)生對洋蔥并不是特別熟悉，洋蔥從北方運輸?shù)侥戏綍r一般使用了植物生長調(diào)節(jié)劑延緩生根和發(fā)芽，所以準(zhǔn)備該實驗時要等一段時間洋蔥才能長出根來，為突破這一痛點，可以用南方的蒜代替洋蔥開展該實驗。第三，關(guān)注實驗對環(huán)境和人的影響。比如用豬肝研磨液開展“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗有比較重的腥味，操作者往往難以接受；“提取葉綠體中的色素”的實驗中，舊教材用丙酮提取色素，雖然丙酮提取的效果比無水乙醇的好，但丙酮有毒，從實驗安全性的角度來說，用無水乙醇替代丙酮更佳。

（二）實驗裝置的創(chuàng)新

化學(xué)實驗裝置一般包括反應(yīng)裝置、收集裝置、檢測裝置等。生物學(xué)實驗裝置的要求跟化學(xué)的非常相似，高中階段需要的實驗裝置應(yīng)具有簡單、可控性強、使實驗現(xiàn)象明顯、經(jīng)濟實惠等特點。

1.反應(yīng)裝置的創(chuàng)新

選擇的反應(yīng)裝置應(yīng)既經(jīng)濟實惠又有利于實驗進行，達到實驗嚴(yán)謹(jǐn)和便于觀察結(jié)果的效果。教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”這一實驗只是在試管中進行，試管口是敞開的，產(chǎn)生的氣體會很快丟失；用豬肝研磨液作催化劑導(dǎo)致反應(yīng)速度過快，來不及用帶火星的木條檢測生成物；加入試劑需要時間，很難保證反應(yīng)能夠同時進行。用水管固定夾固定幾支Y型試管作為實驗裝置進行實驗，在Y型試管兩側(cè)分別加入過氧化氫溶液和生物催化劑，實驗時只需將Y型試管傾斜就可以同時將溶液混合，即可使各組實驗同步進行，較好地控制了無關(guān)變量，學(xué)生也可以清晰地對比各組氣泡生成速率的變化，更直觀地理解催化反應(yīng)。

2.檢測裝置的創(chuàng)新

在實驗中，需要檢測的物質(zhì)可能是氣體，也可能是液體或固體。在化學(xué)實驗中檢測氣體，一般是將待測氣體導(dǎo)出后在導(dǎo)管口進行檢測，或者用集氣瓶收集后再進行檢測；檢測液體時，一般用滴管或試管取出少量待測液體進行檢測，留下的作為備用或?qū)φ?，一般在待測液體中加入某種試劑，發(fā)生一些特殊的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生特定的顏色；檢測固體時，一般用藥匙取出少量待測固體，加入某種試劑，發(fā)生一些特殊的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生特定的顏色等。下面以氧氣的檢測為例，介紹兩種檢測氧氣的創(chuàng)新方法——氣體導(dǎo)出法和顯色法。

（1）氣體導(dǎo)出法

在高中生物學(xué)教材中，檢測氣體的實驗較少，主要以過氧化氫分解實驗中的氧氣檢測和探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式實驗中的二氧化碳檢測為代表。用衛(wèi)生香檢測氧氣時，水一旦接觸就會導(dǎo)致衛(wèi)生香熄滅，所以課題組對實驗裝置進行了改進（如圖2、圖3所示）：在錐形瓶上安裝一支滴管和一個導(dǎo)管，用導(dǎo)管將氣體導(dǎo)出再進行檢測；還可以用Y型試管替代錐形瓶，用一個架子同時夾住幾支Y型試管，然后傾斜Y型試管將溶液混合，這樣可以直觀對比不同材料滴入過氧化氫溶液后產(chǎn)生氧氣的情況，既滿足組內(nèi)每名學(xué)生都參與實驗的要求，又可以比較每名學(xué)生的實驗結(jié)果。改進后的裝置既可以避免因試管口太大產(chǎn)生的氧氣丟失過快，導(dǎo)致衛(wèi)生香熄滅，又可以使多組實驗同時參與檢測，讓反應(yīng)同時進行，增加實驗可信度。

（2）顯色法

高中生物學(xué)實驗中用顯色法檢測物質(zhì)的實驗很多，如還原糖、蛋白質(zhì)和DNA的鑒定等，都需要加入特定試劑，發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生特定的顏色。在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中檢測生成的氧氣時，取一個250 mL的錐形瓶，向里面加入100 mL蒸餾水、2 g氫氧化鈉粉末、3 g葡萄糖、5滴0.2%亞甲基藍(lán)溶液，配置成亞甲基藍(lán)檢測液。因為亞甲基藍(lán)在堿性的條件下容易被葡萄糖還原為亞甲基白，這時溶液呈無色，通入氧氣后，亞甲基白可以被氧氣氧化成亞甲基藍(lán)，這時溶液呈藍(lán)色，根據(jù)溶液是否從無色變?yōu)樗{(lán)色即可判斷是否有氧氣生成［2］。

3.將定性檢測拓展為定量測量

高中生物學(xué)實驗中，很多都是定性實驗，比如檢測還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)等實驗，教材只是要求學(xué)生檢測有沒有某種特定的物質(zhì)，沒有要求測出該物質(zhì)具體的含量。學(xué)生也可以通過反應(yīng)物顏色的深淺來判斷某種物質(zhì)的含量，但是這樣的判斷是不準(zhǔn)確的。教師可以將定性檢測實驗拓展為定量測定實驗，以此增強學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ_拓學(xué)生的視野。例如，可以利用注射器等帶刻度的儀器測量氣體的具體體積，還可以利用一些先進的儀器直接測量某一物質(zhì)的含量。下面以“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中測量生成的氧氣為例，介紹兩種實驗創(chuàng)新方法。

（1）用注射器測量氣體的體積

注射器標(biāo)有刻度，可以直接讀出體積，因而可以利用注射器測定氣體或液體的體積。在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中測定生成的氧氣的體積時，可以分別在幾只10 mL注射器中加入1 mL不同材料的研磨液作為催化劑，在幾只60 mL注射器中加入4 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫溶液，用三通旋塞將60 mL和10 mL注射器連接制成實驗裝置（如圖3所示）。將小注射器中的研磨液同時推入大注射器中，可以直接根據(jù)注射器的刻度測量出生成的氣體的體積。改進后的實驗裝置能夠直接通過刻度讀出生成物的體積，可直接觀察實驗過程與結(jié)果，形成對照，讓學(xué)生體會定性檢測與定量測量的異同。

（2）相對壓強傳感器法

測量氣體的體積，可以利用傳感器：氣體的體積增加，在定容容器中的壓力就增大，根據(jù)壓力的變化可以測算出氣體的體積。用水管固定夾固定幾支Y型試管，連接相對壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及電腦上對應(yīng)軟件（如圖4所示）。氧氣產(chǎn)生導(dǎo)致的壓力變化圖像反映過氧化氫的分解速率，電腦上的軟件可以精確實時記錄實驗數(shù)據(jù)，并生成數(shù)學(xué)曲線，使微觀現(xiàn)象直觀呈現(xiàn)［3］。

學(xué)生也可以利用上面兩種裝置完成酵母菌實驗中的無氧呼吸實驗，測量出酵母菌無氧呼吸時產(chǎn)生的二氧化碳的體積；還可以用它們來探究環(huán)境因素對植物光合作用影響，測量產(chǎn)生的氧氣的體積。

對實驗裝置及檢測方法創(chuàng)新要注意以下三個方面。一是因地制宜。不同學(xué)校實驗設(shè)備配置不同，采用的方法也可以不同：學(xué)校儀器配置情況一般的，可以利用現(xiàn)成的儀器或適當(dāng)采購一些儀器進行改進；學(xué)校設(shè)備配置較好的可以利用更先進的儀器進行組裝，測出更加精確的實驗結(jié)果。二是變廢為寶。很多儀器可以利用廢棄的物品替代，比如在做探究環(huán)境因素影響光合作用實驗時，可以利用廢棄的紙箱或鐵箱等作為實驗裝置，這樣既能節(jié)約成本又能保護環(huán)境。三是與時俱進。條件好的學(xué)校可以采用先進的儀器，如測二氧化碳可以直接用二氧化碳傳感器連接電腦。高中生物教學(xué)可以與信息技術(shù)整合，以實現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)的創(chuàng)新。比如NOBOOK模擬實驗室是較適合在高中生物學(xué)實驗開展虛擬實驗的工具，它的圖像模擬得跟真的幾乎一樣，只需要在電腦上安裝該軟件，學(xué)生就可以在電腦上直接模擬實驗的全部過程。

（三）實驗結(jié)果分析與解釋的創(chuàng)新

在實驗教學(xué)中，實驗結(jié)果分析與解釋是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要環(huán)節(jié)。由于不少學(xué)校的設(shè)備不齊全或資金不夠，很多實驗只能開展為定性實驗，很少有定量實驗。而借助創(chuàng)新后的實驗，學(xué)生不僅可以定性觀察到新物質(zhì)的產(chǎn)生，還可以借助量化分析進一步理解實驗現(xiàn)象。在本研究中，使用注射器收集氧氣并分析讀數(shù)，使得學(xué)生可以將實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析結(jié)合，深入理解酶的催化效率，直觀地了解不同催化劑對過氧化氫分解速率的影響。在實驗過程中，學(xué)生記錄每次實驗中注射器內(nèi)氧氣體積的變化，通過對比不同催化劑作用下的氧氣生成量，分析出哪種催化劑的催化效果最佳［4］。例如，在一次實驗中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)使用酵母菌懸濁液的催化效果最明顯，產(chǎn)生的氧氣體積最大，借助分析此類數(shù)據(jù)，學(xué)生可以得出酵母菌作為生物催化劑具有較高的催化效率這一結(jié)論。

三、反思與展望

本研究通過科學(xué)探究的方法，改進了過氧化氫分解實驗，顯著提升了實驗教學(xué)的效果。通過采用新型生物催化劑和改進實驗裝置，不僅克服了傳統(tǒng)實驗的不足，還為學(xué)生提供了更直觀的學(xué)習(xí)體驗，也為其他生物學(xué)實驗教學(xué)提供了新的思路，具有重要的實踐意義和社會價值。

高中生物學(xué)實驗改進與創(chuàng)新不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力，同時有利于提高教師的理論知識和探究能力，發(fā)揮教學(xué)相長的作用。借助改進和創(chuàng)新的實驗設(shè)計，教師可以更有效地引導(dǎo)學(xué)生進行自主探究，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力［5］。教師可以進一步探索更多創(chuàng)新的實驗方法，為學(xué)生提供更加豐富的學(xué)習(xí)體驗。

參考文獻

［1］馮雪婷，王飛，龔大潔.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗研究綜述［J］.中學(xué)課程資源，2023，19（03）：75-78.

［2］李妞妞，楊其，霍靜.檢測“過氧化氫分解產(chǎn)物”的實驗改進［J］.教育與裝備研究，2017，33（07）：79-81.

［3］張云，林凡.對利用DIS壓強傳感器開展實驗探究的商榷：“比較過氧化氫在不同條件下的分解”探討［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2023（19）：64-67.

［4］馬建才，攔生發(fā)，馬小明.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗的創(chuàng)新改進［J］.教育與裝備研究，2019，35（12）：27-28.

［5］王永麗.通過探究實驗發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)：以“過氧化氫在不同條件下的分解”為例［J］.生物學(xué)教學(xué)，2023，48（01）：51-53.

注：本文系廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度電教裝備研究專項課題“‘四新’背景下高中生物實驗教學(xué)改進的實踐研究”（2023ZJY739）的研究成果。

（責(zé)編 劉小瑗）