中學生物學實驗助力學生科學思維的培養初探

孫春燕

摘要 以“探究酵母菌的細胞呼吸方式”一課的實驗教學為例，闡述如何在實驗課的課堂教學中培養學生的科學思維能力。

關鍵詞 科學思維 實驗教學 細胞呼吸

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）提出，培育學生學科核心素養是生物課程設計的宗旨。核心素養中最突出的就是科學思維。著名物理學家勞厄曾說，在學習過程中，發展思維能力比獲得知識更為重要。教育給予人們的應是當一切已學知識都被遺忘的時候仍然留在腦海中幫助人們解決問題的那種科學思維能力。在教學中如何培養學生的科學思維呢？生物學實驗就是一個很好的載體。生物學物實驗是有目的地探索生物現象與生命活動規律，受理性支配，最終尋找科學的答案。因此，實驗過程貫穿著科學思維。教師依托教材，借助實驗，可以更好地提升學生的思維品質，將科學思維培養落到實處。筆者以“探究酵母菌的細胞呼吸方式”實驗教學為例，嘗試在實驗中培養學生的科學思維。

1教材分析

“探究酵母菌的細胞呼吸方式”是人教版生物教材《必修1.分子與細胞》第五章第三節的教學內容。細胞中的直接能源物質是ATP，而ATP的主要來源正是細胞呼吸。學生在初中已經知道了酵母菌的呼吸作用會產生COs和酒精，但對細胞呼吸是否需要氧氣以及不同氣體條件下產物是否存在區別并不清楚。學生通過探究實驗，既可以實現對的建構，又能培養其科學思維。

筆者確立了以下教學目標：（1）根據現象，提出問題，并設計可行的實驗方案，培養創新思維；（2）描述實驗現象，分析實驗結果，并進行歸納演繹，培養邏輯思維能力；（3）如實描述異常現象，嘗試解釋并尋求原因，培養批判性思維能力。

2教學過程

2.1情境導入

筆者開展的這節課參加了2017年江蘇省優質課評比。由于異地上課，師生之間是陌生的，因此筆者通過組織學生觀察、品嘗自釀酒，并觀看當地民眾釀酒的視頻，以當地特色酒文化引入課題。

導演張藝謀曾說過這樣一段話：“沒有多少人能記住整部電影詳細的過程，但卻能記住某個閃亮的細節。”課堂教學亦是如此，任何一個細節都有可能影響一節成功優質課程的質量。一個有吸引力的視頻環境會激發學生最佳水平的刺激，而零距離地接觸實物則效果更好。這樣的導入大大激發了學生的學習興趣，有利于探究活動的深入開展。

2.2釋疑解惑

（1）學習活動一：三思而后行。

根據觀察的現象，教師引導學生對酵母菌的細胞呼吸方式以及產物展開探討。

教師對學生提出的問題匯總歸納，引導學生對本組所提問題嘗試作出假設。借助教師提供的實驗器材，各小組交流討論實驗思路。實驗器材分為兩套：一套是錐形瓶、橡膠塞、直角導管等傳統實驗器材，另一套由注射器、三通閥等創新器材構成。上課前，各組組長自行選擇，任取一套。教師引導學生思考：本實驗的自變量是什么？因變量的觀測指標是什么？無關變量如何控制？

組1：選用傳統器材，計劃組裝出兩組裝置，一組通入氧氣，另一組不通入氧氣。通過直角導管將錐形瓶相連，最后用澄清石灰水檢測有無二氧化碳氣體產生。

組2：補充介紹控制氣體的方法。

組3：選擇創新器材。注射器與三通閥連接后，排盡空氣，關好閥門，即形成無氧環境。另一組則打開閥門，使用注射器抽取一定量的氣體，即形成有氧環境。

對于有氧、無氧條件的控制，教師可以組織學生展開充分討論，相互評價，取長補短，不斷完善。理越辯越明，因此教師在此環節中切忌越俎代皰，更不能急著公布所謂的標準答案，以免影響學生的思維擴展。教師應該循循善誘，引導學生相互交流，使學生以討論、闡述與質疑等方式實現思維碰撞，從而達到授之以漁，這才是培養學生科學思維的核心。

（2）學習活動二：絕知須躬行。

學生進行實驗，教師巡視指導，手機抓拍，并通過“希沃授課助手”同屏顯示。學生描述實驗現象：注射器裝置均產生了氣泡，推桿移動明顯，在錐形瓶裝置的培養液中有氣泡冒出。教師提出問題：氣泡是二氧化碳嗎？各組開始對氣泡進行檢驗。教師補充介紹溴麝香草酚藍溶液，其檢測二氧化碳的靈敏度更高。傳統組中有的小組使用直角導管將盛有酵母菌培養液的錐形瓶與澄清石灰水連通，有的選擇溴麝香草酚藍溶液；創新組在三通閥的另一個接口接上盛有澄清石灰水或溴麝香草酚藍溶液的注射器。

學生進一步描述實驗現象。教師組織學生對實驗現象進行對照、剖析、歸納，同時結合教材裝置，分析各個小組的優缺點。

由于學生剛剛體驗了實驗，因此對于教材中“間歇充氣50 min，培養8～10 h”紛紛表示太麻煩，時間太久，無法當堂課觀察到實驗現象。而創新組根據注射器推桿的移動距離進行定量分析則是另一大優勢。在使用注射器時，并沒有使用輸液管和止水夾來形成密閉環境。課前預實驗中，筆者發現如果操作不細心，輸液管中殘留的酵母菌培養液易隨氣體一并流入鑒定溶液中，從而對顏色變化造成干擾，同時直角導管與橡膠塞的連通也消耗了不少時間。因此，筆者選用了醫用三通閥和螺紋口注射器（圖1）。創新組比傳統組實驗操作更便捷，實驗效果更明顯。

根據教材中有氧條件的控制方法，學生在操作時往往不能很好地控制橡皮球的通氣速度，使空氣中的二氧化碳未經氫氧化鈉溶液充分吸收，從而影響實驗結果。鑒于純氧的制備并不是本實驗的目的，因此，實驗中提供事先制備的純氧既縮短實驗時間又增大了培養液中的溶解氧濃度。氧氣是借助醫用制氧機制取的，儲存于輸液袋中，需要時用注射器抽取所需體積的氧氣即可。這樣簡化了實驗操作，也使實驗現象更明顯。

本實驗還需要檢測的酒精。教師介紹檢測方法，學生進行酒精檢測并描述實驗現象。操作后，各小組紛紛表示兩支試管顏色均發生了顏色變化。

教師提出問題：理論上有氧呼吸裝置中應該沒有灰綠色現象，為什么實驗結果不能說明？并留給學生足夠的時間展開分析、討論，進行激烈的思維碰撞。

學生1：氧氣太少，酵母菌消耗完氧氣后又進行了無氧呼吸。

學生2：可能氧氣與酵母菌培養液沒有充分接觸導致酵母菌進行了無氧呼吸。

學生3：可能實驗中設定的溫度適宜酵母菌進行無氧呼吸，也許需要重新尋找合適的保溫溫度。

……

教師補充：酒精遇到酸性重鉻酸鉀呈現灰綠色，但不表示只有酒精會有這種反應。像葡萄糖這類還原糖也可以和酸性溶液中的重鉻酸鉀發生此顏色反應。綜合以上，如何改進酒精檢測的方法呢？

學生結合化學知識提出酒精氣化、聞氣味或者把葡萄糖溶液消耗完再進行檢測。教師可以用搖床振蕩培養24 h的酵母菌培養液進行檢測，幫助學生理解教材中培養時間為“8～10 h”。而注射器這套裝置雖然用量少，現象明顯，但若長時間培養注射器推桿會從注射筒掉出。教師可以鼓勵學生課后繼續探究，有沒有更合適的探究實驗裝置搭建。

有氧呼吸裝置中的培養液進行酒精檢測也變成了灰綠色，這一現象與理論不相符。在實驗教學中，由于各種原因，有時會出現與預期不相符的實驗現象。針對異常現象，如果教師不進行正確引導，往往會給學生帶來認知困惑，影響教學效果。在本節課中，筆者沒有回避異常現象，而是鼓勵學生質疑與分析，進一步優化實驗方案，提出改進措施，有利于學生批判性思維的培養。

新課標倡導教師“用教材教”而不是簡單的“教教材”。在教學活動中，教師應創造性地使用教材，結合實際條件以及學生的操作技能，選取更適合本校師生的實驗方法，使高中生物實驗更有實效。本節課上，筆者引導學生對兩套裝置進行分析，使學生的思維更趨理性。課后有學生還給出了其他建議。教師只有集思廣益，博采眾長，才能使探究活動更深入，并將課堂教學延伸到課后。

3感悟建構

通過前面的實驗及分析，學生對細胞呼吸有了進一步認識，從而修訂細胞呼吸的概念，并建構如圖2所示的知識框架圖。

新課標認為，學生在學習過程中應該學會運用歸納與概括、演繹與推理等方法，探討、闡釋生命現象及規律。歸納概括是在知識間建立聯系，實現對知識的再建構。學生要在原有知識的基礎上，通過探究性實驗，進一步完善其知識結構體系。

4反思

4.1情境教學與課堂的融入

以江陰黑酒、老白酒這些地方特色的非物質文化作為情境貫穿整節課。通過適宜的情境教學，激發學生的學習熱情，體現了新課標“理論與實際相結合”的理念，從而使學生“知其然”，更“知其所以然”。傳統文化與生物課堂教學的融合有利于弘揚了傳統文化，但限于筆者的傳統文化底蘊并不深厚，因此，教學中傳統文化的滲透還顯粗淺，有待進一步研究。

4.2實驗教學的重要性

“善觀察者，可以見常人所未見；不善觀察者，入寶山而空手歸。”實驗可以培養學生的觀察能力和實事求是的科學態度。教師對異常現象的不回避更使學生領悟到科學研究的嚴謹性。理性而謹慎的思維可以讓師生更好地獨立思考，不人云亦云。

4.3課程設計的利弊分析

本節課的設計還存在不足這處，如酵母菌的細胞呼吸產物除了酒精、二氧化碳外，還有其他物質嗎？有機物氧化分解后釋放的能量如何檢測？……這些只能由學生課后再次通過探究實驗來完成。