基于核心素養的生物實驗在概念教學中的運用

趙文浪

摘 要 闡述了高中生物學教師需要將生物學核心素養有效地融入概念教學，各種類型的實驗的運用可以幫助學生有效構建生物學概念，并提高生物學核心素養：通過探究實驗，使概念教學掌握知識與發展能力相統一；通過演示實驗，使概念教學抽象性與具體性相統一；通過課外實驗，使概念教學理論性與實踐性相統一；通過科學史實驗，使概念教學科學性與思想性相統一。

關鍵詞 中學生物學 概念教學 生物實驗 核心素養

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物學核心素養主要包括生命觀念、理性思維、科學探究和社會責任四個方面。生物學概念是對生物的結構生理和生命現象的概括和歸納，是學生構建生物學知識的核心組成部分，也是高中生物教學的重點和難點。由于概念是生物學理論的基礎，也是思維過程的核心，所以教師在概念教學過程中可根據教學內容和學生的實際情況，創設情景，啟發學生積極思考，逐步培養學生自主學習的能力，提高學生的生物學核心素養。

然而，生物學課堂上的概念教學在實施過程中會遇到一些困難：比如概念過于抽象；概念的形成過程被忽視；只關注概念本身，不能靈活運用概念來解決實際問題。生物學是一門實驗科學，教師借助實驗教學可以有效地解決概念教學中的上述問題：生動真實的實驗可以使學生獲得感性認識；在實驗探究過程中，學生能培養自己的創新思維和探究能力，并嘗試解決現實生活中與生物學相關的問題。下面筆者就以各種類型的實驗教學為例，談談生物實驗在概念教學中運用。

1 演示實驗使概念教學的抽象性與具體性相統一

生物學是以觀察和實驗為基礎的的學科，觀察和實驗離不開人的感覺和知覺。學生要形成生物學概念，首先要有一定的感性認識。這種感性認識可以來源于生活，也可以來源于實驗。演示實驗一般是由教師提供精心選擇后簡化的素材，將課本上的知識化抽象為具體，動態地展現在學生面前，使學生先獲得感性認識；而后，教師在此基礎上有意識地引導學生分析歸納出理性認識。在此過程中，教師不僅能幫助學生形成正確的概念并理解掌握有關知識，還有助于培養學生形成理性思維的生物核心素養。

例如，對“細胞膜和細胞壁”中“選擇透過性”這一概念的理解，教師可以利用課本演示實驗，促進學生理解：取玉米子粒放在20～25℃的溫水中浸泡36 h；取4粒已經泡漲的子粒，將其中2粒在沸水中煮5 min后，冷卻，作為對照的實驗材料；分別取煮過和未煮過的玉米子粒放在培養皿中，用刀片沿胚的中線縱向切開籽粒，以稀釋20倍的紅墨水染色；2 min后，倒去紅墨水，用水沖洗子粒數次，直到沖洗液無色為止；觀察子粒中胚的顏色。本實驗的實驗原理是：活細胞的細胞膜具有選擇透過性，而死細胞的細胞膜則喪失了這種能力，紅墨水能進入死細胞將死細胞染色。教師課初演示該實驗，能充分調動起學生的學習興趣，活躍課堂氣氛。學生會思考沸水中煮過的玉米子粒會被染色的原因、該現象和今天的學習內容細胞膜的關系。紅墨水不能進入活細胞的現象使學生認同了細胞吸收物質具有選擇性，對細胞膜的選擇特性有初步的感性認識，也為后面細胞膜結構模型的教學做好了鋪墊。

2 探究實驗使概念教學中掌握知識與發展能力相統一

探究實驗是指學生在教師引導下，主動參與到發現問題、尋找答案的過程，從而提高學生獨立思考和合作探究的能力。探究實驗應用于概念教學是一種有效的教學策略。教師在學生學習概念時，可提供一些生物學現象和事實，讓學生自己通過觀察、實驗、比較和歸納等途徑形成對問題的解釋。然后，學生通過討論和交流，解決并發現新的問題，對問題進行深入的研究。所以以探究實驗為基礎的概念教學符合學生的認知規律。在實驗探究過程中，學生有效地將掌握生物學知識和發展自主學習的能力相統一，有利于培養理性思維和科學探究的生物學核心素養。

例如，對“酶是生物催化劑”中“酶”和“酶的高效性”兩個概念，教師可以通過將課本實驗“酶的催化效率”設計成探究實驗以促進學生理解。教師首先進行演示，創設問題情境：在兩個編號（1號、2號）的試管中各加入等量過氧化氫溶液；在1號試管中加入少量雞肝勻漿，2號試管中加入少許二氧化錳；觀察兩個試管中發生的變化。學生觀察的結果是1號試管中產生的氣泡瞬間從試管壁溢出，可使帶火星的衛生香復燃；2號試管中不時有針尖大小的氣泡產生，能使帶火星的衛生香發亮。接著，教師提出問題：新鮮的雞肝勻漿里面有什么使過氧化氫溶液迅速分解？為什么要用新鮮的雞肝勻漿，煮熟的行嗎？學生繼續查閱資料思考，并提出假設：雞肝勻漿里含有過氧化氫酶，能催化過氧化氫迅速分解。酶作為一種生物催化劑，催化效率比無機催化劑高。過氧化氫酶可能是蛋白質，煮熟后蛋白質變性，不能使過氧化氫分解。學生根據假設，設計并實施實驗來驗證假設：加入煮熟的雞肝勻漿，重復試驗，觀察試管中沒有氣泡產生，說明煮熟的雞肝勻漿沒有了活性，不具有催化功能（高溫會使蛋白質變性）。最后得出結論：① 酶是活細胞產生的一類具有生物催化作用的有機物，絕大多數的酶是蛋白質。② 通過對照實驗，可知酶的催化效率要比無機催化劑的催化效率高出很多，說明了酶的催化作用具有高效性。

由此可見，學生通過自主探究的實驗活動，不僅有效構建了概念，也培養了創新思維和探究能力，提高了社會責任的生物學核心素養。

3 課外實驗使概念教學的理論性與實踐性相統一

生物學知識和人的生產生活實踐有非常密切的關系，所以學習時有很多實驗需要在課外完成。生物課外實驗是高中生物實驗的重要組成部分，也是生物課堂教學的有效補充和延伸。課外實驗大多在學生家庭或者野外進行，學生可以根據實驗的目的，依據實驗原理自行設計操作步驟，活動范圍可更廣泛，時間持續可更長。與課堂實驗相比，課外實驗更能培養學生的獨立操作性，讓他們將所學的知識轉變成自己的本領。學生結合本地資源開展科學實踐，在準確靈活地建立、理解和應用生物學概念的同時，嘗試解決現實生活中與生物學相關的問題，培養社會責任的生物學核心素養。

例如，教師可通過設計課外實驗“調查校園操場中車前草的種群密度”來促進對“種群的特征”中“種群密度”和“樣方法”兩個概念的理解和應用。學生在校園操場根據不同形狀的調查地段，確定取樣方法（五點取樣法、等距取樣法）；先將調查總體分為若干等分，由抽樣比率決定距離或間隔，然后按這一距離或間隔抽取樣方；在劃定的樣方內，學生依照植物分類圖鑒掌握的車前草的形態特征對每個樣方中車前草數量進行統計和記錄；最后以所有樣方內車前草的種群密度的算術平均數作為其種群密度。在實驗過程中，學生體驗了種群密度的計算和樣方法的具體操作過程，印證和鞏固了有關概念知識。

再如，對“生長素具有兩重性”該概念的理解，學生可通過課外實驗“莖的背地性和根的向地性的觀察”加以鞏固；對“植物滲透作用”該概念的理解，學生可通過課外實驗“小液流法”進行驗證。由此可見，學生通過對概念的應用不僅解決了生活實際問題，同時完成了自己對概念由理論認識到實踐應用的轉化。

4 科學史實驗使概念教學的科學性與思想性相統一

生物科學史內容與高中生物學教學密切相關，能提供重要的科學概念原理和技術方法的歷史來源背景，很多中學生物學概念本身是前人科學研究的成果。學生在科學史實驗學習過程中，通過對一些經典實驗和邏輯分析的再現，通過經歷與科學工作者進行科學探究時的相似過程，學習了生物知識與技能，體驗了科學探究的樂趣，掌握了科學探究方法，形成了正確的科學價值觀。所以，科學史實驗能使概念教學不只具有科學性，同時具有思想性，有利于學生形成理性思維和科學探究的生物學核心素養。

例如學生對“對分離現象的解釋”中“子一代的體細胞內兩個不同的基因各自獨立，互不混雜”“基因在體細胞中成對存在，一個來自母本，另一個來自父本”等概念難以理解，教師可借助科學史中一系列的實驗以幫助學生掌握。分離定律研究過程中，孟德爾進行了一對性狀性狀的遺傳實驗：將紫花和白花作為親本進行雜交，無論正交還是反交，子一代總是紫花，子一代自交得到的子二代中不僅有紫花還有白花，且子二代植株中紫花與白花比例為3.15∶1，接近整數比3∶1。孟德爾同時分析了得出子二代性狀分離比3∶1不是偶然而是必然，因為豌豆的其他6對相對性狀實驗結果中子二代也接近3∶1。在對實驗現象進行分析時，孟德爾根據實驗結果，駁斥了當時流行的“融合遺傳”和“多重微粒”觀點（泛生論），對分離現象的原因提出了假說。“融合遺傳”觀點是當時生物界主流觀點：由父本和母本提供的遺傳物質在子代細胞中完全融合，使子代表現出介于雙親之間的性狀。達爾文認為就是類似液體的胚芽融合的結果。孟德爾根據子一代只有紫花出現，否定了“融合遺傳”觀點。學生此時可掌握“子一代的體細胞內兩個不同的基因各自獨立，互不混雜”的概念。“多重微粒”觀點（泛生論）是達爾文后期提出觀點：每個細胞對應某一種性狀存在無數完全相同的遺傳物質，每一遺傳物質的許多復制物可能同時傳遞給生殖細胞。孟德爾根據7對相對性狀的雜交實驗中子二代性狀分離比普遍為3∶1，否定了“多重微粒”觀點。學生此時可掌握“基因在體細胞中成對存在，一個來自母本，另一個來自父本”的概念。由此可見，實驗中的生物概念是經過長期研究證實和更正后形成的，對概念的來龍去脈進行學習，有利于學生克服對相關概念理解的障礙，并把握概念學習中的重難點。

綜上所述，各種類型的實驗可以幫助學生有效構建生物概念，并提高生物學核心素養。教師要注意：① 上述各種實驗類型并不是獨立存在，毫無交集。比如演示實驗可以作為探究實驗中現象觀察的一部分；課外實驗和科學史實驗可以以探究實驗的形式進行，在概念教學的過程中，教師應該根據教學內容需要，各有側重。② 不是所有概念的學習都適合以實驗教學的方式進行。實驗教學應作為一種思想貫穿在整個高中生物教學過程中，教師可將其與其他教學方法和策略相結合而進行有效運用。

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