以發明創造促進高中生物學實驗教學

石進德

（廈門第一中學集美分校灌口中學，福建廈門361000）

以發明創造促進高中生物學實驗教學

石進德

（廈門第一中學集美分校灌口中學，福建廈門361000）

以高中生物學實驗為載體，開展科技發明，能激發學生的創新意識和創造性思維，通過發現問題、提出問題、創造性地解決問題，有效地提高實驗教學質量與學生的生物科學素養。

發明創造；高中生物學實驗；問題

高中生物學課程的核心任務是提高學生的生物科學素養。高中生物學實驗教學是提高學生生物科學素養的有效途徑之一。筆者以指導學生Z的發明專利“比較氣體濃度的同步實驗裝置”為例，探討以科技發明促進高中生物學實驗教學。

一、問題來源——實驗中發現

問題能激發學生的學習興趣和求知欲，引導學生在實驗過程中捕捉實驗細微的變化，發現與概念、原理、規律的沖突之處，在對比中發現問題，有利于提高學生的實踐能力。

例如，高中生物學教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗設計是：取兩支試管，分別滴加等量（2ml）的3%過氧化氫，再分別向兩支試管滴加2滴新鮮的肝臟研磨液（內含過氧化氫酶）和2滴氯化鐵溶液，然后觀察試管中氣泡產生情況和使帶火星木條或衛生香燃燒情況來驗證酶的催化具有高效性。學生進行這個經典實驗時，發現以下不足：一是滴加氯化鐵和肝臟研磨液是分步進行的，不利于同時比較氣泡產生的情況。二是帶火星木條或衛生香也是先后插入兩支試管中，對帶火星木條的助燃效果比較也沒有同步進行。三是帶火星木條或衛生香易接觸到試管壁導致木條熄滅。四是用兩條帶火星木條或衛生香未滿足對照實驗中單一變量原則，實驗過程的準確性、科學性和可靠性必然受到影響。在生物學、化學實驗中，對試管中產生的氧氣（或二氧化碳、氨氣、氯氣等）濃度的實驗中，也存在類似的問題。

教師啟發學生提出問題，（1）能否嘗試設計一種對兩支試管中化學反應產生氣體的濃度進行定性同步比較的實驗裝置。（2）如何讓比較過程同步進行？如何將實驗過程設計得更科學合理？要達到上述要求應設計出什么樣的裝置？

二、嘗試解決問題——發明創造

在教師的指導下，學生查閱資料、設計實驗裝置。眾多的方案中，Z同學的方案最有創意，在教師、同學的幫助下，她反復修改方案，制作樣品，通過課堂試用后，進一步優化設計方案，最終發明設計出一種對兩支試管中化學反應所產生氣體的濃度進行定性比較的實驗裝置，該裝置能同步進行操作或演示。

這個裝置由底座、立桿、雙叉頭支架、轉軸支釘、試管套筒、等距背板、壓簧、夾持物、具支試管、單孔橡皮塞、膠頭滴管共同組成。立桿豎直固定在底座的上方，雙叉頭支架水平固定在立桿的上端；位于雙叉頭支架左右兩側的叉頭的前后兩端通過轉軸支釘分別與試管套筒鉸接；試管套筒內可放置具支試管，具支試管的上端可塞入單孔橡皮塞，膠頭滴管可插入單孔橡皮塞的孔內；等距背板豎直固定在雙叉頭支架的中部上方，壓簧的下端固定在等距背板前側的下端。其中，試管套筒的內徑應略大于具支試管的外徑，試管套筒的長度為具支試管長度的1/2左右，試管套筒左右轉動范圍不小于600；為了便于觀察試管內化學反應情況，試管套筒應開設2～4個開窗口；等距背板左右兩側的等距弧線是一條以試管套筒的轉軸為圓心，以轉軸與具支試管的出口端的距離為半徑的一段圓弧；根據試管中所產生氣體的性質，夾持物可選擇點燃的衛生香（比較氧氣濃度、二氧化碳濃度等）或試紙（比較氨氣濃度、氯氣濃度等）或其他物品；夾持物通過壓簧橫置在等距背板前側并可上下移動，當夾持物的兩頭與等距背板左右兩端的等距弧線吻合時，具支試管的出口端恰好與之對應。如圖1。

圖1 比較氣體濃度的同步實驗裝置

下面結合高中生物學“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗進行操作說明。

在本裝置兩支具支試管中分別加入2ml的3%過氧化氫，將兩支分別吸入等量氯化鐵溶液和新鮮肝臟研磨液的膠頭滴管并分別塞入具支試管的入口端，然后把雙頭點燃的衛生香夾在等距背板的對應位置，即衛生香的長度與背板寬度相等的位置。接著雙手同時捏壓膠頭滴管，使膠頭滴管中的溶液同時進入對應的具支試管內，當具支試管內兩種溶液均勻混合后，催化過氧化氫產生水和氧，可觀察到滴入肝臟研磨液產生的氣泡較多，說明該化學反應更為激烈。隨后，氧氣會從具支試管的出口端流出，當左右兩支具支試管同時轉動并使其出口與雙頭點燃的衛生香等距離接觸時，觀察到滴入肝臟研磨液試管中流出氣體助燃效果更加明顯，說明其化學反應產生的氧氣較多或濃度較高。由此探究過氧化氫酶和無機催化劑的催化效率不同，酶的催化具有高效性的特點。

除上述例子外，本裝置還可對一些氣體的濃度進行定性比較。如通過雙頭點燃衛生香熄滅的快慢來比較試管中產生的二氧化碳的濃度；通過濕潤的紫色石蕊試紙顏色由紫變紅的快慢來比較氯氣的濃度等等。

三、發明創造促進高中生物學實驗教學

發明創造促進高中生物實驗教學深入開展，有效地提高實驗教學質量。

（一）發明創造解決高中生物學實驗教學中存在的問題

學生通過簡單的結構和簡便的操作方式，將兩種不同的化學反應進行同步操作，并對兩個試管中所產生的氣體濃度進行同步比較，克服了以往實驗因分步操作引起的偏差，使得實驗設計更為科學合理，實驗結果更為準確可靠，尤其適合教學演示和學生分組實驗，解決了實驗教學中存在的科學性不足的問題。

學生在實驗過程發現了問題或疑惑，在其他同學的幫助下無法解決時，會尋求教師的指導。借此契機教師啟發學生思維，引導思考和討論，通過優化實驗步驟、尋找替代材料、創造新的實驗器具、發明新的實驗裝置等來解決存在的問題。

（二）發明創造提升學生的綜合素質和能力

有意識地引導學生發明創造可進一步發揮學生主體作用，提高實驗技能，提升生物科學素養。《比較氣體濃度的同步實驗裝置》作品完成后，經多位生物學、化學教師在課堂上演示，得到了師生們普遍的認可和贊賞，申請獲得了專利，在第二十屆全國發明展覽會上榮獲金獎，同時獲廈門市十佳青少年發明獎。

指導Z同學進行研究并非一帆風順，家長十分不理解、不認可。該生喜歡動手做些小玩意，但性格內向，缺乏與老師和同學的交流，學習出現一定的障礙，教師想利用科技創新活動，創造機會“逼”她與人交流并表達自已的意見和看法。經過精心策劃和安排，我們共同制定了研究方案、制作樣品、申報專利、多次模擬答辯，逐步克服了她的膽怯心理，在比賽中，該生終于敢和其他選手針鋒相對的相互質疑和探究，面對評委和觀眾，對答如流。通過該項目的研究，使她懂得如何提出問題、分析問題、解決問題，如何去請教他人，如何與人溝通和合作，學習進步極大。

（三）發明創造促進高中生物學實驗教學

1.推動教師深入地研究實驗教學

目前高中生物學教學普遍存在教師“講實驗”，學生“背實驗”。引導學生針對實驗中存在的問題開展發明創造活動，勢必改變教師對實驗教學應付了事，促進教師深入研究實驗教學，提高實驗教學質量。

2.彌補課時不足

發明創造可以提高學生的實驗興趣，促進學生課后查閱資料、討論分析問題、設計實驗，了解和掌握實驗原理、器材、方法、步驟。這樣可以留更多的時間讓學生動手做實驗，讓學有余力的學生充分挖掘自己的潛能，高效地完成實驗教學。

3.創設實驗條件

發明創造可以節省實驗時間和節約實驗器材，創設實驗條件，讓學生更好地實驗，提高實驗教學效率。

總之，把科技發明、創新教育融入到高中生物實驗教學中，激發學習興趣，啟發學生思維，提高實驗技能，高效地完成實驗，從而有效地提高學生的生物科學素養。

［1］謝雪錦.創設教學情境提高高中生物課堂教學的有效性［J］.福建基礎教育研究.2012（2）.

［2］趙英.重視高中生物實驗教學培養學生科學素養［J］.科學教育.2011（4）.

（責任編輯：陳欣）

本文系福建省教育科研“十二五”規劃2014立項課題“翻轉課堂”——高中生物“慕課”實踐研究（項目編號：FJJK14-404）研究成果。