圍繞科學探究活動 落實學科核心素養
——以“酵母細胞的固定化”教學為例

云南

1.科學探究活動與高中生物核心素養的關系

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中界定的學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四個維度。趙占良老師在人教版高中生物教材培訓和經驗交流會上提到，落實學科核心素養需要學生在真實的情境中發現問題、提出問題、分析問題、解決問題，而不是“從理論到理論”的講解，更不是講完理論知識就做題。真實的情境可以來自生活、生產、科學史，也可以來自科研實踐。科研實踐有很多形式，科學探究活動就是其中的形式之一，教師在授課過程中適當結合科研實踐內容，不僅可以在知識方面達到教學目標，還能夠培養學生的思維能力、對科學探究的理解能力以及社會責任，讓學生樹立正確的生命觀念。鑒于高中生物課程作為一門基礎性的實驗學科，教材在編排上也是先安排了大量的探究性實驗、觀察類實驗及科學探索歷程等，然后再介紹相關的抽象性、理論性較強的生物學概念及原理，所以教師在生物教學中應該重視實驗教學、模型建構、模擬實驗等科學探究活動。

2.結合科學探究活動培養核心素養的實施過程

2.1 創新建模，培養科學思維，樹立結構與功能觀

以人教版教材選修1“固定化酶的應用實例”為例，在傳統的教學模式下，很多教師會采用理論講解的方式來處理高果糖漿這部分知識點，而在本文中，筆者充分調動學生的主觀能動性，讓學生從生活中挖掘材料，制作高果糖漿反應柱的物理模型，并模擬高果糖漿生產過程，讓學生基于教材理論知識，建構模型，表達并闡述知識的內涵，培養科學思維。同時以“結構與功能觀”為指導，幫助學生理清反應柱各部分的結構與作用。在該科學探究活動中，學生利用身邊的簡易材料，如海綿、粉筆等模擬固定化酶，用飲料瓶模擬反應柱，在飲料瓶蓋上扎幾個小孔代表多孔篩板，用蒸餾水模擬原料葡萄糖溶液，通過在篩板上墊了一層涂有色素的棉花，讓生成的“果糖溶液”呈現另外一種顏色。通過該探究活動，不但讓學生達成了知識目標，還培養了學生的動手能力和創新能力，真正落實了學科核心素養。

2.2 學會探究性實驗的一般方法和步驟，培養科學探究能力

在以往的教學案例中，涉及制備固定化酵母細胞的實驗時，教師一般會讓學生按照課本上的實驗步驟自己動手操作一遍，親自體會制作凝膠珠的過程，并觀察制作好的凝膠珠的顏色和形狀。而在本文中，筆者將“驗證性實驗”改為“探究性實驗”，按照探究性實驗的研究思路，引導學生對“海藻酸鈉溶液濃度會影響凝膠珠的質量”提出可探究的生物學問題，基于原有的實驗條件，自己提出問題、作出假設、設計實驗、實施方案、最終得出結論。學生在整個探究過程中，會不斷遇到新的問題，需要及時調整實驗方案來解決問題。針對本探究性實驗，學生提出的問題是“探究固定化酵母細胞實驗中最適的海藻酸鈉溶液濃度”，作出的假設是“7%的海藻酸鈉溶液濃度是固定化酵母細胞實驗的最適濃度”，據此學生在預方案中設計了1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%共10個濃度梯度，把不同濃度下凝膠珠的顏色和形狀作為評價指標。而在進行預實驗時，學生發現了3個問題：（1）7%的海藻酸鈉溶液濃度并不是最適濃度；（2）當海藻酸鈉溶液濃度≥4%時，不僅在配制海藻酸鈉溶液時容易焦糊，而且融化后的海藻酸鈉不是液態的，而是呈塊狀或膠狀，這樣就會導致在將海藻酸鈉溶液與活化的酵母細胞混合時不能充分混勻，影響包埋效果；（3）即使在適宜的海藻酸鈉溶液濃度條件下，制作出的凝膠珠形狀也不全是球狀或橢球狀。于是學生在做正式實驗時及時調整了實驗方案：（1）增設了0.2%、0.5%兩個濃度梯度；（2）該實驗的評價指標除了以凝膠珠的顏色和形狀為主，還應該綜合考慮配制海藻酸鈉溶液是否操作簡便，包埋效果好壞等；（3）盡量排除無關變量，要以恒定的、緩慢的速度將注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中。實驗結果：當海藻酸鈉溶液濃度≤0.5%時，制備的凝膠珠有一端是尖頭的，顏色稍微發白；當海藻酸鈉溶液濃度≥4%時，制備的凝膠珠顏色為淺黃色，但是形狀不是球狀，而是呈“蝌蚪狀的”，帶有“尾巴”，且濃度越大，“尾巴”越長，最終變成條狀；當海藻酸鈉溶液濃度為1%、2%、3%時，凝膠珠的顏色為淺黃色，形狀為球狀。實驗結論：該實驗最適的海藻酸鈉溶液濃度為1%、2%、3%。這個結論并不是教材上假設的7%，于是學生又分析其原因可能是海藻酸鈉品質不同造成的。在該探究活動中，筆者讓學生觀察并提問、自己設計實驗方案，在方案實施過程中發現問題并及時調整實驗方案，不斷補充完善評價方案，觀察現象得出結論后交流、討論。此方式能夠極大地提高學生的科學探究能力，使學生養成一定的科學探究習慣及批判性思維，鍛煉了學生的語言文字表達能力。

2.3 評價、完善、實施教材實驗方案，培養科學探究素養

對于教材已有的實驗方案，筆者一般指導學生利用“五看法”評價其科學性和可行性：一看對照，二看步驟，三看驗證，四看材料，五看條件，最常見的實驗評價就是分析實驗是否遵循對照原則、單一變量原則等。在評價完善的過程中，能有效培養學生的科學探究能力、科學思維能力。在本課題中，筆者讓學生評價完善教材上的兩個實驗，并進行探究性實驗驗證。第一個實驗是教材上“將海藻酸鈉溶液與酵母溶液混合后滴加到CaCl2溶液中制備凝膠珠”的實驗，據此得出“凝膠珠形成的原理是海藻酸鈉溶液和CaCl2溶液發生離子置換反應生成不溶于水的海藻酸鈣”這一結論，讓學生來評價完善方案，并進行實驗驗證。學生討論后發現該實驗缺少空白對照組，沒有遵循實驗設計的對照原則，不能排除凝膠珠的形成是在水中發生物理變化，從液態轉變為固態這一情況。于是學生完善了該實驗方案，設置兩組實驗，分別為實驗組和對照組，實驗組把注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中，對照組把注射器中的溶液滴加到蒸餾水中，一段時間后觀察實驗現象：開始時在CaCl2溶液和蒸餾水中都會形成凝膠珠；可是8分鐘后，CaCl2溶液中的凝膠珠依然存在，而蒸餾水中的凝膠珠已溶解，由此得出結論：凝膠珠的形成是化學變化，而不是物理變化。第二個實驗是教材上“把固定化酵母細胞接種到葡萄糖溶液中進行發酵，觀察是否有氣泡產生，聞聞是否有酒味”的實驗，據此得出“用固定化酵母細胞發酵葡萄糖溶液會產生CO2和酒精”這一結論。筆者引導學生思考CO2和酒精會不會是除酵母菌之外的其他微生物發酵所產生的，讓學生評價、完善此方案，學生同樣發現該實驗沒有遵循對照原則，于是又增設了空白對照組，即把不含酵母細胞的凝膠珠接種到葡萄糖溶液中，同時進行發酵，沒有觀察到氣泡，也沒有聞到酒味，由此才得出結論：氣泡和酒味的產生是酵母菌發酵所致。接著筆者告知學生工業上若需要反復使用固定化酵母細胞，如需要進行果酒、果醋連續生產，就要避免其他微生物的污染。通過這兩個探究實驗活動，能幫助學生形成嚴謹的科研態度及良好的科研素養，并讓學生認識到學習科學知識應為生產實踐服務，落實學生的社會責任。

3.在科學探究活動中落實學生學科核心素養的建議

由于受傳統教育理念的束縛，在大部分地區，高中生物教師在實施教學的過程中存在“唯分論”的觀念，再加上有些地區的學校實驗條件受限等多方面原因，很多教師僅限于從枯燥的理論層面上傳授生物知識，忽視了實驗等科學探究活動，這樣極易讓學生失去學習興趣，不能真正落實學科核心素養。因此，高中生物教師要轉變教學觀念，強化科學探究活動，增強教學意識。對于實驗教學，要善于從生活中挖掘材料，模擬實驗場景，引導學生走出教室，參與各類社會科學實踐活動，如調查人類遺傳病的發病率、觀察豌豆生長等。學校、教育行政管理部門應該加大對實驗教學的投入和鼓勵、優化生物課程方案設計等。

在實驗教學的過程中，要構建和諧輕松的教學氛圍，耐心引導學生的思維，嚴格規范實驗過程中的觀察與操作，遵循科學研究的基本規律，鼓勵學生大膽提出問題，作出假設，設計實驗，通過實驗驗證得出正確結論，學會評價、完善實驗方案。

總之，通過各種探究活動，可以轉變學生被動接受知識的學習方式。倡導探究性學習，主要是提高學生的科學探究能力，培養學生的學科核心素養。