例析高中生物實驗教學的優化改進策略

陳衛東

生物學是一門以實驗為基礎的自然學科，生物學概念的建立與規律的形成離不開實驗。教師要依托實驗教學，促進學生建構生物學知識、發展生物學能力、提升生物學學科核心素養。

1概說生物實驗教學的重要地位

生物學教學的重要遵循是《課程標準》，而“標準”中有對生物實驗的明確要求，這就使得實驗教學在生物教學中有著不可替代的重要作用。

1.1實驗教學納入課程標準的內容體系

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）第四部分“課程內容”中，在敘述生物學大概念后，以“教學提示”的形式明確實驗教學內容。將實驗教學功能定位為幫助學生理解生物學大概念、提升學生生物學學科核心素養。對應必修模塊一，課標中安排了11個實驗;對應必修模塊二，課標中安排了8個實驗;選擇性必修模塊更安排了29個實驗之多。例如，必修模塊一“建構真核細胞的三維結構模型”實驗中，學生通過對細胞結構模型的建構和使用，能闡明細胞各部分結構的分工與合作，形成相互協調的有機整體意識。在必修模塊二“構建DNA的雙螺旋結構”實驗中，學生親身參與制作過程，更能理解DNA分子的結構以及DNA作為遺傳物質所具備的特性。

1.2實驗教學切合課程標準的基本理念

新課標提出“教學過程重實踐”的基本理念，認為“課程高度關注學生學習過程中的實踐經歷，強調學生學習的過程是主動參與的過程，讓學生積極參與動手和動腦的活動，通過探究性學習活動或完成工程學任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力，培養創新精神”。新課標中的實驗，無論是驗證性實驗、探究性實驗，還是模型構建類實驗和調查報告類實驗，都要求學生動手、動腦主動參與，是探究性學習的過程，從而促進學生生物學學科核心素養的養成。

2簡述生物實驗教學的影響因素

影響生物實驗教學的主客觀因素很多，筆者不作面面俱到的闡述，只針對實驗教學正常開展的學校，觀察其在教學中遇到的困難，進行主要影響因素的歸類研究。通過觀摩、調研區域生物實驗教學，聯系自身的教學實踐，造成實驗效果不佳、實驗教學難以進行的主要因素有“實驗材料難處理”“實驗時間過長”“實驗現象不夠明顯”“實驗操作不當”等。例如，在“觀察植物細胞吸水與失水”實驗中，撕取單層洋蔥表皮細胞制作臨時裝片，材料要撕得薄，學生不易做到，這就是“實驗材料難處理”影響因素。“探究酵母菌細胞呼吸方式”實驗的整個過程需要持續10h以上，這就屬于“實驗時間過長”影響因素。“探究影響酶活性的條件”實驗中，過氧化氫分解產生的氧氣，用帶火星余燼的衛生香測試，看不到復燃現象，這就屬于“實驗效果不明顯”影響因素。“實驗操作不當”有器材使用不當、操作方法不當、操作步驟不當等。

3例談高中生物實驗教學的優化改進策略

生物實驗的實施通常由實驗材料、實驗器具、實驗操作等要素構成。因而，師生對生物實驗進行優化改進，也可從這三個方面尋求對策。

3.1改進實驗材料的策略

實驗材料選擇不當，可能造成實驗難以操作，實驗結果不明顯，甚至出現與實驗預期相反的結果。例如，開展“探究溫度對酶活性的影響”實驗，按表1步驟進行實驗。

第三組的實驗結果與預期的結果不一致，試管中液體顏色為黃色而非藍色，重復實驗也為黃色，不能說明淀粉酶在100%條件下失活的事實。這個意外是什么原因造成的呢？原因有：①取材于不同谷物的淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉之分。直鏈淀粉與碘液的顯色反應呈藍色、而支鏈淀粉則呈紫色。平時市售的淀粉多為直鏈淀粉。②實驗溫度對顯色反應有影響，一般來說超過70°C以上，直鏈淀粉的螺旋結構會被破壞，造成與碘液的顯色反應不能進行，即有淀粉，用碘液也檢測不出來。

針對這種情況，教師可以更換實驗材料，將“可溶性淀粉”改換為“蘋果研磨液”，將“淀粉酶”改換為“果膠酶”，測定0℃、50°C、100%溫度條件下，果膠酶作用于蘋果研磨液產生果汁的數量，得出溫度影響酶活性的規律。

如何處理與解答探究性實驗中的“意外情況”？如何發現探究性實驗中的“不確定性”？“在實驗中發現問題，在實驗中解決問題”是最好的應對策略。教師要真正做實驗。實驗原理是一回事，實驗結果是另一回事，兩者不一定一一對應。教師課前要進行預實驗，在預實驗中發現直接的、原始的問題，不斷進行修正。同時，教師要用好實驗手段。實驗不僅是驗證途徑，還是解決問題的重要手段。實驗中發現的“疑惑”，可以用實驗來解答。

人教版教材中的不少實驗可以通過改進實驗材料來增強實驗效果。例如，用透明的蛋清替代白色的豆漿做“鑒定生物組織中的蛋白質實驗”，紫色顯色反應效果會更明顯;用校園中常見的醉漿草替代菠菜做“色素提取實驗”，可以突破季節的限制;用紅薯藤葉柄紫紅色表皮或大紅花花瓣基部紫色表皮代替洋蔥表皮做“細胞的吸水和失水實驗”，效果會更好。“細胞大小與物質運輸關系”驗證性實驗，可以改進成比較不同材料實驗效果的探究性實驗。將米豆腐、豆腐、瓊脂、瓊脂糖、生熟蘿卜、生熟馬鈴薯等材料分別進行預實驗，從中選擇效果比較理想的實驗材料與實驗試劑。

3.2改進實驗器具的策略

實驗器具選擇不當，往往會造成實驗現象不夠明顯，從而使實驗結論的推導出現謬誤。例如，開展“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，選擇“試管”作為實驗器具，用肉眼觀察氣泡的多少來判別氧氣生成量的多少，區分度不大。

實驗效果不佳的原因有：①作為實驗器具的試管是開放的，反應產物會不斷丟失;②把反應產生氣泡的多少作為觀測反應速率的指標，雖簡單易行，但也容易誤判。對應以上兩個原因，改進策略是營造一個密封環境，將“普通試管”改為“具支試管”，密封管口，試管具支部分分別套上容積相等的小氣球用于收集氣體產物。一段時間后，觀察氣球中氣體量的多少，判別反應速率的快慢，進而推測不同催化劑催化效率的高低。這種改進策略推廣到其他實驗中，就是要改善觀測手段，讓實驗現象“宏觀化”，實驗效果明顯。實質就是盡量控制無關變量，提高實驗精度。

再如，“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中，用“刻度注射器”代替“錐形瓶”，能更好地控制有氧成無氧環境。“探究植物細胞的吸水與失水”“觀察根尖分生組織的有絲分裂”等實驗中都要用到顯微鏡，教師利用支架鏈接手機鏡頭與顯微鏡視野，借助希沃軟件，將顯微鏡視野中的圖像遷移到電子黑板上，實現微觀視野的“宏觀化”。

3.3改進實驗操作的策略

“葉綠體中色素的提取與分離”實驗的實際操作中經常會出現以下問題：①研磨、過濾過程繁瑣，學生容易失去耐心。②制備的濾液色素量不足或顆粒物較多。③所畫濾液細線達不到“細、勻、直”要求，層析后色素帶重疊。④層析過程中濾液細線容易接觸到層析液，層析后色素帶不明顯或沒有出現色素帶。以下從操作增效、實驗方法、實驗目標三方面來說明優化改進策略。

（1）針對操作增效的優化改進策略。通過改進，使實驗操作更為簡便、效果更為明顯。①使用“玻璃勻漿器”或“研磨過濾器”代替研缽，完成色素的提取與過濾環節。②用蓋玻片側面蘸上色素濾液在濾紙上“蓋印”;或用硬幣一側直接碾壓綠葉在濾紙上形成色素細線。③層析時，用一些易得的輔助材料進行細節改造，避免濾液細線接觸層析液、色素溶入層析液，如一次性餐盒蓋、礦泉水瓶蓋、拉直的回形針等固定濾紙條。在試管中進行層析時，用膠頭滴管吸取濾液，將溶液直接注入到試管底部，不讓濾液粘上試管壁。礦泉水瓶蓋中間開一條縫隙，蓋試管口，插入濾紙，固定濾紙，避免濾液細線接觸到層析液。④將石油醚：丙酮=10：1制成層析液。這些改進措施都是圍繞操作的便捷、操作的增效來進行的。第①項器材改進，使得研磨、過濾操作更加快速、簡便。第②項改進達成畫線“細、勻、直”的目標。第③項的細節改進方法很多，但只要達成“濾液細線不能接觸層析液”的目標均可。第④項改進不用有毒的苯成分，較好地實現了環保要求。

（2）針對實驗方法的優化改進策略。采用不同的方法提取綠葉中的色素。①將葉片烘干粉碎，加無水乙醇制成色素溶液。②將裝有綠葉及無水乙醇的試管，放入燒杯中水浴加熱。③用不同的方式來進行層析，如用圓形濾紙層析，在圓形濾紙的圓心處用打孔器開一個小孔;用試管口蘸色素溶液在小孔周圍蓋“同心圓”印;把一個濾紙卷豎向連接到圓形濾紙小孔處;進行層析實驗。第①、②項提取色素方法的改進，省去了研磨過濾環節的繁瑣，關鍵是以不破壞色素為前提，掌握好實驗溫度與時長。以圓形濾紙進行層析，雖沒有創新實驗原理，但可以提高實驗的趣味性，提升學生的參與度。

（3）針對實驗目標的優化改進策略。人教版教材中“綠葉中色素的提取與分離”實驗是一個“驗證性實驗”，教學目標是驗證綠葉中色素的種類與顏色。日常教學中，教師無需把實驗拔高為“探究性實驗”，若學生在實驗過程中自主發現問題，就必須加以引導，將該實驗發展為探究性實驗。一次實驗課上，筆者用莧菜作實驗材料，紙層析后學生發現有一條紅色的色素帶仍停留在原位置，學生出于好奇，提出疑問：為什么有紅色色素帶？停留在原位置，是不是不溶于乙醇？這時，教師就不應“回避”問題，要“順勢而為”，把握好珍貴的“生成性教學資源”，引導學生分析原因，設計實驗進行探究，使學生得出紅色色素是水溶性色素的結論。