以實驗器具改進為抓手促進實驗教學創(chuàng)新

駱慧超

[摘? ?要]運用勢科學理論，在實驗器具的改進中加入生活元素和融合其他學科知識，為初中生物學實驗教學營造強有力的情感勢和信息勢，提高實驗課堂的“生產(chǎn)力”，促進初中生物學實驗教學的創(chuàng)新。

[關鍵詞]勢科學理論;實驗器具;改進;實驗教學;創(chuàng)新

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）17-0006-03

生物學是一門實驗學科，每個經(jīng)典的實驗都是一次成功的創(chuàng)新。初中生物學從驗證性實驗到探究性實驗，都可以多維度地培養(yǎng)學生觀察、實驗操作、分析現(xiàn)象、設計方案、綜合應用等能力，提升學生的創(chuàng)新能力。初中生物課堂可以說是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的搖籃。但要真正發(fā)揮生物課堂的“搖籃”作用，就有必要對生物實驗學教學進行改進和創(chuàng)新。勢科學理論認為，當事物間的差異大、內(nèi)在聯(lián)系緊密時，就會產(chǎn)生強大的勢，事物內(nèi)在的創(chuàng)新分岔機制就隨即形成。初中生物學實驗與生活息息相關，與其他學科知識融合度也較高。對此，教師可以運用勢科學理論激發(fā)學生對實驗創(chuàng)新的熱情，以實驗器具的改進為抓手，為初中生物學實驗教學創(chuàng)新造勢。

一、跨越生活與課堂，為實驗器具改進營造情感勢

初中生物學實驗與生活有著“差別大，聯(lián)系緊”的關系，可謂是從生活中來，到生活中去。引導學生跳出教材，大膽設想，勇于嘗試，能激發(fā)學生對實驗創(chuàng)新的熱情，營造強烈的情感勢。實踐證明，指導學生進行實驗三部曲，即“理解實驗，完成實驗，優(yōu)化實驗”，能明顯提高實驗教學的有效性。教材的實驗方案中，材料、器具、設計和方法等方面不盡完善，實驗器具存在的不足有可能會導致實驗操作步驟推進慢、數(shù)據(jù)采集不準確、實驗現(xiàn)象不明顯等。優(yōu)化改進實驗器具是創(chuàng)新實驗的“入門捷徑”。

作為領路人，教師可在課堂小結時提出相關實驗器具的“不足之處”，邀請學生幫忙改進，以引領他們步入創(chuàng)新之門。比如“測定某種食物中的能量”這一實驗，教材的實驗要求稱量三份（重復組）花生種子用于檢測。筆者將教材的“一粒花生種子（約2.2克）”“50毫升蒸餾水”和“錐形瓶”，改為“二分之一花生子葉（0.5克）”“5毫升蒸餾水”和“帶橡皮塞的小試管”。實驗改進后，可以使花生子葉燃燒的時間縮短約7.5分鐘。但由于花生子葉質量太小，實驗室用的托盤天平稱量時耗時較長，讀數(shù)時學生往往只能進行估算，實驗數(shù)據(jù)存在較大誤差。能否改進器具以得到更可靠的實驗結果呢？有制作烘焙食品經(jīng)驗的學生提出了用廚用電子秤替換托盤天平的優(yōu)化方案。廚用電子秤的讀數(shù)精確到0.01克，可輕松稱量細小的實驗材料，而且價格便宜，非常適合在實驗室進行分組實驗使用。改進前后的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)顯示用電子秤稱量0.5克花生得到的實驗結果更接近標準值。

二、融合學科知識，為實驗器具改進營造信息勢

好的教育就是講“大道理”。勢科學理論認為“大道理”就是能把不同學科的知識內(nèi)容關聯(lián)在一起，能夠從本質上解析自然現(xiàn)象的道理。它包含著信息梯度或信息勢。當下流行的STEAM教育就是這樣的“大道理”。學生通過動手完成他們自己感興趣的與生活相關的活動，來學習各種學科以及跨學科的知識。初中生物學是七年級學生第一個接觸的自然學科，大部分教學內(nèi)容是由國外原版教材翻譯過來的內(nèi)容，有明顯的西方探究思維特色，是基礎課程中的“STEAM課程”，是基礎自然學科的“大道理”。

教師有意融合其他學科的知識來論證生物學觀點，提供強大的信息流，營造強烈的信息勢，能夠幫助學生重建知識網(wǎng)絡，激活他們的創(chuàng)新潛能。例如，教師引入“分子與原子”“水的三態(tài)”“汽化與液化”“液體的表面張力”“毛細現(xiàn)象”“地表蒸散”等物理、化學、地理學科的知識，來介紹植物的蒸騰作用，能從本質上解析植物蒸騰現(xiàn)象的發(fā)生機理。在實驗課上增加用毛細玻璃管“吸水”的演示實驗，就能宏觀直接地把“水分在植物體內(nèi)運輸”的情況呈現(xiàn)于學生眼前。相比傳統(tǒng)演示實驗，融合學科知識的實驗教學效果更為顯著。

三、提高課堂“生產(chǎn)力”，以改進器具促實驗教學創(chuàng)新

在強烈的情感勢和信息勢的推動作用下，學生熱切關注實驗器具的改進，使得生物實驗課堂探究氣氛熱烈，成為創(chuàng)新活動的搖籃，而學生的探究思維也得到了培養(yǎng)，創(chuàng)新能力得到了提升。比如，在“探究非生物因素對某種動物的影響”實驗中，增加容積約為20毫升的小塑料杯作為盛裝鼠婦（黃粉蟲）的容器（如圖1），能有效減少對實驗對象的刺激，便于觀察杯中情況，局限鼠婦（黃粉蟲）的活動范圍，讓實驗結果更加客觀、準確。

又如，在進行“饅頭在口腔中的變化”探究活動中“取2毫升唾液”的這一步驟時，由于唾液質地濃稠，掛壁度高，每滴之間拉絲長，學生使用小號量筒和膠頭滴管取唾液，既不準確又不美觀，引起其他同學哄堂大笑，妨礙實驗的推進。而改用透明的管口直徑為1厘米的塑料吸管充當移液器，則能較為準確地移取等量液體，大大節(jié)省了移液操作的時間，有效避免上述尷尬情況的發(fā)生。實驗中，可將吸管平口端插入盛有液體的燒杯中，用食指指腹按緊吸管斜口端進行移液，經(jīng)過計算和重復測量確定“2毫升”的刻度線并用油性筆標記“*”（注：毫升為容積單位，跟立方厘米對應，1毫升=1立方厘米，因此管口直徑為1厘米的塑料吸管，若取π=3.14，則“2毫升”液體的刻度線位于距離平端管口約2.55厘米處），最后在不同顏色的吸管斜口端標記“唾液”和“清水”，以做區(qū)分（實驗中吸管不能混用）。

《發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換》一節(jié)通過一組模型的結構圖來展現(xiàn)人體呼吸的原理。每逢學習到這個知識點，我們都會組織學生按照教材圖示制作學具，通過動手牽拉橡皮膜（模擬膈肌）使氣球（模擬肺）吸氣，傾聽塑料管（模擬氣管和咽喉）所發(fā)出的氣流聲音，體會人體吸氣和呼氣的過程。

1.不足之處

第一，教材圖示中用玻璃罩模擬“胸廓”，前后徑不能變化。

第二，教材“膈肌舒張，膈頂部下降”的圖示里，橡皮膜沒有被牽拉的著手點，學生仿照教材彩圖制作出來的學具，橡皮膜也是沒有抓手的，經(jīng)常被戳破，影響學具的使用時間。

第三，教材圖示中用左右氣球模擬左右肺，當拉動橡皮膜時，雙氣球同時充氣，如果密封性夠好，效果很明顯。但制作一個既密封性好又能放入瓶的“Y”形三通管難度較大，多數(shù)作品效果不好的原因就出在這個三通管上。

2.改良方案

第一，用廢棄的飲料塑料瓶代替玻璃罩作為制作“胸廓”的材料，在使用學具模擬人體呼氣時，可一手擠壓塑料瓶瓶身，一手頂住橡皮膜（如圖2），大致演示胸廓前后徑、上下徑縮小的過程，這樣，比單純拉動橡皮膜的效果更加顯著。

第二，用一小段封箱膠按照“Ω”的形狀對折制作成一個簡易拉條，倒貼在模擬膈肌的橡皮膜上（如圖3），方便拉動。

第三，若制作學具的目的是要體會膈肌收縮與舒張引起肺內(nèi)氣壓變化，可以用一個氣球連通塑料管模擬該過程，降低用兩個氣球模擬左右肺的制作難度，也可以從網(wǎng)上批量購買現(xiàn)成的醫(yī)用三通塑料管，給學生做制作材料。

1.不足之處

第一，該實驗裝置是由多個實驗器具組裝而成的，實驗室沒有現(xiàn)成的裝置合適該實驗使用，必須通過教師動手制作。在廣口瓶的橡皮塞（比較厚）上鉆兩個洞較為困難，而且還要往洞內(nèi)放置直角玻璃管和漏斗，稍微用力不當，很容易折斷玻璃管和漏斗。

第二，該實驗的課時通常在上學期期末即12月份左右，氣溫較低，植物種子的呼吸作用較弱，放出二氧化碳的量較少，“二氧化碳使澄清石灰水變渾濁”的實驗現(xiàn)象不夠明顯，置于下層的種子則被水淹沒，呼吸作用受到抑制。

第三，教材內(nèi)容中沒有關于呼吸作用產(chǎn)生水的演示實驗，教材使用的倒水排氣方法只能使用一次，一套演示實驗裝置不能夠滿足連堂實驗的需要，倒水過程中會破壞掛在容器內(nèi)壁上的由呼吸作用產(chǎn)生的水蒸氣液化成的水珠，而且教師需要在課后把實驗裝置的水倒掉，才能夠讓植物種子繼續(xù)萌發(fā)，此過程會讓種子的種皮和胚分離，影響美觀。

2.改良方案

第一，用塑料瓶萌發(fā)種子。將飲料或礦泉水塑料瓶（以600毫升礦泉水塑料瓶為例）做演示實驗的主要裝置，去掉瓶身包裝，以便于觀察瓶內(nèi)情況;將植物種子（綠豆）先撒在墊有濕毛巾的解剖盤中，放置于35℃恒溫箱中促進萌發(fā)，待種子胚根長至約2毫米后裝入塑料瓶中（約[13]瓶），倒入50毫升蒸餾水，擰緊瓶蓋，瓶身橫放回恒溫箱內(nèi)（此時應使種子在瓶內(nèi)均勻平鋪，水不淹沒種子，確保呼吸作用持續(xù)進行），對照組進行相同的操作步驟。

第二，用注射器抽取瓶內(nèi)氣體（如圖4和圖5）。待實驗組塑料瓶內(nèi)氣體充沛（實驗組塑料瓶捏上去較硬，對照組塑料瓶不硬）即可進行實驗，用大號注射器從塑料瓶較薄位置刺入，抽取瓶內(nèi)氣體（抽完后用透明膠貼緊小洞，可以繼續(xù)培養(yǎng)），保護瓶壁水珠，再將注射器內(nèi)的氣體通入澄清石灰水，驗證二氧化碳的存在。

第三，觀察瓶內(nèi)水珠（如圖6）。教材選用綠豆種子作為實驗材料，很好地排除了植物葉片進行蒸騰作用產(chǎn)生水蒸氣的干擾，但是教材沒有提及在實驗容器瓶壁內(nèi)的水珠的來源。演示實驗前，教師可用實物投影儀放大瓶壁，引導學生觀察和思考瓶壁內(nèi)為什么會出現(xiàn)水珠（是植物種子進行呼吸作用產(chǎn)生水，釋放能量引起的）。

用塑料瓶和注射器作為演示植物種子呼吸作用的實驗裝置，可以在實驗室里批量準備，應對連堂需要，免去鉆洞、倒水等煩瑣步驟，而且這個裝置還可以用于觀察和驗證酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生二氧化碳的演示實驗（注意發(fā)酵時間，產(chǎn)生過多的二氧化碳容易導致塑料瓶形變甚至爆開）。

教材里的實驗大多數(shù)是驗證性實驗，結果和結論都可在書中找到。做與不做實驗的最大區(qū)別在于過程中的思考與體驗。在勢科學理論的引導下，教師引導學生結合實際生活和各學科知識，通過改進實驗器具，為實驗帶來了眾多便利，節(jié)省了實驗時間，增強了實驗效果，還提高了實驗的開出率與成功率，大大提高了生物實驗課堂的“生產(chǎn)力”，極大地促進了生物實驗教學的創(chuàng)新。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 李德昌.勢科學與現(xiàn)代教育[J].西安交通大學學報（社會科學版），2007（2）：84-92+96.

[2]? 宋紅霞，李德昌，劉仲春.基于勢科學理論的集約型教育及創(chuàng)新人才選拔與培養(yǎng)機制[J].教育理論與實踐，2016（28）：25-28.

[3]? 姚家佳.淺談中學生物實驗的幾點改進和創(chuàng)新[J].新課程研究（基礎教育），2010（1）：98-100.

（責任編輯 黃春香）