基于學科核心素養的高中生物學實驗教學實踐
——以“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例

陳 頡

(江蘇省南通中學 南通 226001)

隨著《普通高中生物學課程標準(2017年版)》(以下簡稱“2017版課標”)的頒布，高中生物學教與學有了新的理念和更高的要求： 核心素養為宗旨、內容聚焦大概念、教學過程重實踐、學業評價促發展[1]。這就要求生物學教師自己對生物學核心素養和大概念有清晰的認識，并將其有機地融合于教學設計中，引導和鼓勵學生主動參與實踐，通過適當的評價促進學生的學習與發展。在此理念的指導下，筆者以一堂“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”公開課為例進行探索和實踐。

1 背景分析

現行人教版高中生物學教材選修1《生物技術實踐》的專題2“微生物的培養與應用”中含有3個課題： 課題1“微生物的實驗室培養”、課題2“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”、課題3“分解纖維素的微生物的分離”。2017版課標對該部分內容的要求是聚焦一個大概念“發酵工程利用微生物的特定功能規模化生產對人類有用的產品”，其下包括無菌操作、培養基的調整、微生物的分離與純化、微生物的顯微鏡計數等子概念。純凈的微生物培養不僅應用于研究微生物自身，在基因工程、環境工程、醫藥工程等方面也有廣泛應用。基于2017版課標的要求，在對課題1的內容進行適當知識鋪墊和操作訓練的基礎上，進行課題2的研究性學習。

2 教學設計與實施

鑒于課時的限制及分層教學的需求，在班級中選擇了8位學生組成研究性學習小組，采用課外預實驗與課堂教學相結合的方式實施了該課題的研究。大致實施流程見圖1，序號代表步驟順序。

圖1 “土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”課題實施流程 注： ③～⑧為課堂教學內容，分別由研究性學習小組的預實驗結果(④、⑥步驟)引出⑤、⑦步驟

2.1 以完整的科學探究歷程為主線 在學生自主學習、簡單了解分解尿素的細菌在農業生產中的應用價值后，筆者依次提出3個相關聯的問題： ①校園土壤中存在分解尿素的細菌嗎？②校園土壤中分解尿素的細菌種類和數量多不多？③校園土壤中分離出來的分解尿素的細菌在生產上有應用價值嗎？其中①、②兩個問題完全由學生作出假設，設計實驗；問題③在學生思考的基礎上，筆者進行補充。由此引導學生將從土壤中分離純化目標菌種的科學探究思路，梳理成兩個階段(圖2)。

圖2 土壤中分離純化目標菌種的科學探究思路

第一階段的梳理，使課堂實驗操作的流程與意義變得更加明確，全班學生也能夠更好地理解研究性學習小組前期預實驗的目的。稀釋涂布平板與平板劃線不再被狹隘化成兩個孤立的微生物培養操作技術，而是微生物相關研究中的常用手段。

第二階段的梳理，更注重高中生物學前后相關知識點的聯系，以及純凈微生物培養的進階研究。在課堂上，重點引導學生關注了以下兩個進階研究方向： ①遺傳學鑒定。在對目標菌種的遺傳學特征有了準確數據之后，應用基因探針檢測環境中目標菌種的存在，或應用熒光定量PCR(FQ-PCR)技術較精確地估算環境中目標菌種的個體數量。②突變體篩選。野生型的菌種往往不能滿足人類生產生活的需要，必須進行菌種的改良，或優良突變體的篩選，以及優良菌種的擴大培養和規模化培養(發酵工程)。基因探針檢測微量微生物、熒光定量PCR、突變體育種與篩選、發酵工程等都是源于學生既有認知，又高于學生既有認知的生物學重要概念和技術，能較好地培養和提升學生的生物學核心素養。

2.2 在細節處體現科學思維的火花 教學過程中，學生會遇到許多實際的問題，需要教師引導他們理性思考，加以解決，以下試舉幾例。

2.2.1 土壤取樣點的選擇 作出“校園土壤中存在分解尿素的細菌”的假設后，學生對校園土壤的取樣點有了不同意見： 有提議從廁所便池內取樣，有提議取荷花池的底泥，有提議選擇向陽和背陰處的土壤作對照，有提議取樣前先增菌富集；有學生對取樣深度提出思考……最終協商一致的方案為： 統一取地表下5 cm左右的土壤，分為4個取樣點(向陽有尿素、向陽無尿素、背陰有尿素、背陰無尿素)，有尿素的取樣點提前2 d在地表下5 cm處埋放等量尿素，覆土；采用稀釋涂布平板法，在以尿素為唯一氮源的選擇培養基中進行預實驗培養。35℃、 48 h后培養結果見圖3。

圖3 初次選擇培養結果

結果顯示4個取樣點都分離出了具有分解尿素能力的微生物，肉眼估測菌落數量，向陽組與背陰組有較明顯差異，有尿素組和無尿素組差異不明顯。鑒于課堂時間較緊張，不可能解決所有問題，且實驗室實驗器材準備壓力較大，筆者建議學生將有尿素組和無尿素組差異不明顯的原因留待以后進一步討論和研究，選擇向陽有尿素和背陰有尿素組樣品進行后續實驗。

2.2.2 稀釋梯度的選擇 前述課題1“微生物的實驗室培養”中已經介紹和訓練過稀釋涂布法估算菌落數量的方法，但是在實際操作中并不需要對每個稀釋梯度的培養結果進行計數，而是選擇菌落數目在30～300的平板。為了減少浪費，研究性學習小組的學生根據圖3的培養結果，討論確定了兩個樣品各3個稀釋梯度進行涂布平板和計數，每個梯度做3個平行，稀釋梯度選擇見表1(√表示用于計數的梯度)，培養結果見圖4。

表1 稀釋梯度選擇

結果顯示菌落數量大致符合預期。其中，向陽有尿素組的幾塊平板稀釋涂布操作比較成功，明顯選擇10-4梯度計數較為合理。有學生發現箭頭指示處的異常，一塊10-5稀釋度的平板上，有部分菌落堆積在一起。在課堂教學中經討論分析，學生認識到可能是稀釋操作失誤或涂布操作失誤造成，結合平行對照分析，原因更有可能是前者。而背陰有尿素組的平板由于操作者的不熟練或錯誤，造成大量菌落粘連形成菌苔，導致無法準確讀數。在課堂上討論分析后，由全班學生對背陰有尿素組土壤樣品重新進行稀釋涂布平板操作。經過上述學習過程，全體學生對相關操作的基本要求，以及相關操作對培養結果影響的認識也更加深刻。

2.2.3 初步區分微生物的種類 在研究性學習小組的預實驗中，選擇培養基上生長的菌落至少存在以下3種形態(圖5)： A型，菌落圓形、凸起、邊緣完整、濕潤；B型，菌落不規則狀、扁平、邊緣裂片狀、較干燥；C型為霉菌樣菌落。

圖4 稀釋涂布培養結果

圖5 選擇培養基上的菌落形態

研究性學習小組的學生介紹到這里后，筆者提出一個問題給全班學生：“預實驗分離出3種形態的菌落，可以認為樣品中分解尿素的細菌就是3種嗎？”引導學生積極思考。經過全班學生充分討論，最終總結出以下幾點結論： ①霉菌和細菌都能形成菌落，但在分類學上存在差異；②不同的菌種可能形成類似的菌落形態；③由于是初步分離，一個菌落可能由多個菌種形成的菌落融合而成；④選擇培養基上可能有部分菌種不分解尿素，而是利用其他菌種的代謝產物生存；⑤要想確認菌種分類，需要進一步分離純化。由此自然地引出教學設計中的下一個步驟： 全班學生分別挑取單菌落，采用平板劃線法進一步分離純化菌種。

通過對上述探究歷程中生成性問題的解決，可提升學生的科學思維品質。

2.3 生命觀念和社會責任依次遞進 生物學學科核心素養的四個要素是一個統一的整體，科學探究和科學思維互為倚重，支撐生命觀念的形成；生命觀念是生物學核心素養的基礎和支柱；在形成生命觀念、進行科學思維和科學探究的過程中，最終形成社會責任意識和義務[2]。

在課題實施過程中，筆者注重對學生科學思維和科學探究素養的培養，同時在其中對學生進行潛移默化的生命觀念教育。例如，微生物的宏觀和微觀層面的形態結構及其生活方式，體現了結構與功能觀；培養基的成分與微生物的代謝產物的聯系，體現了物質與能量觀；微生物的遺傳學鑒定和突變體篩選，體現了進化與適應觀等。為了進一步豐滿這一部分內容，筆者通過查閱科研文獻，還找到了除農業生產外，分解尿素的細菌的一些其他應用，如： 在環境工程中可用于調控氨氮濃度，在巖土工程中可用于綠色原位加固(一種綠色環保的固結土壤、防止塌方的技術)等，這部分補充內容體現了當前非常重視的穩態與平衡觀。限于課堂時間和學生知識層次，補充內容在課堂上僅作簡單呈現，并鼓勵學生在課后查閱文獻，思考討論。

隨著課堂教學的進行，學生不再孤立地、置身事外地看待微生物的實驗室培養相關技術，而是深刻認識到這些技術廣泛且大量應用于科學研究、獲得生產生活所需產品、改善我們的居住環境等方面，學生對相關知識的學習興趣和對相關社會熱點問題的參與意識有了明顯增強。

3 教學反思

教學是教師與學生雙主體間的互動作用，教學中教師應從關注知識到關注素養，真正內化核心素養理念并指導教學，全面發展學生的核心素養[3]。本次實驗教學的實施，通過教師的精心設計，與學生的積極配合，達成了深化培養生物學核心素養的目標，學生解決實際問題的動力和能力都有了明顯提高。