在高中生物實驗教學中培養學生科學思維能力的探究

尹虎軍

摘 要：高中生物教學活動中，不管是哪一個模塊的教學，都跟實驗有密切的關系。因此，通過生物實驗教學培養生物學科核心素養是最直接、最有效的途徑，培養學生的科學思維是落實生物核心素養的一個重要方向。本文通過在實驗教學中嘗試基于“問題串”式的實驗實施、運用“類比推理”法的實驗結果分析及對教材實驗設計逆向提問三個方面來培養學生的科學思維，實現了對學生學習效率的提升，培養了學生的科學思維能力，發展了學生的生物學核心素養。

關鍵詞：科學思維;高中生物;實驗教學

在高中階段進行科學思維的培養離不開實驗教學，科學思維也是生物實驗教學的根本。在高中生物教學中，探究生物學科中各種現象或者是問題時，都需要學生們使用科學的思維方式，以此來有效解釋相關的現象和規律。生物學實驗為培養學生科學思維的自覺能動性創造了良好的實踐環境和條件。本文從以下三個方面來進行高中生物實驗教學，以期實現對學生科學思維的培養。

一、基于“問題串”式的實驗實施來培養學生的科學思維

高中生物學科科學思維培養的最佳載體是生物學實驗，而實現科學思維培養的方法與途徑則是基于實驗而設計出具有極強邏輯性的“問題串”，通過“問題串”的分析與解答使學生掌握必備的生物學知識，同時自然生成生物學實驗的科學思維模式。針對高中生物教材中具體的實驗還可設置更多啟發性極強的“問題串”。

例如，在“觀察DNA和RNA在細胞中的分布”實驗中，我們可以如此設計“問題串”：

1.實驗原理分析的“問題串”：DNA和RNA分子本身有顏色嗎？如果沒有顏色怎么辦？要染色則用什么染色劑來染色？甲基綠-吡羅紅混合染液的作用機理是什么？能否單獨使用其中的一種染色劑？能否選擇葉肉細胞或帶有色素的細胞來作為本實驗的材料？細胞膜是一種半透膜，那么染色劑甲基綠-吡羅紅能否進入細胞？要使染色物質進入細胞怎么辦？鹽酸在本實驗中的作用是什么？

利用“問題串”的分析與討論，很容易讓學生得到這樣的知識內容：DNA和RNA分子沒有顏色，想要觀察到他們在細胞中的分布，則需要染色才行，要選用甲基綠-吡羅紅混合染液，不能用單一染色劑染色，如用甲基綠染色則把DNA和RNA都染成綠色就無法看到分布情況，故必須要通過兩種染色物質對DNA和RNA的親和力不同而產生的競爭才著上不同的顏色，由于該實驗是通過染色來觀察的，因此，不能選擇本身有色素或有葉綠體的葉肉細胞來做實驗，不然本身的色素會干擾實驗的結果。

2.實驗材料用具及步驟中的“問題串”：本實驗選擇的材料是什么？甲基綠-吡羅紅混合染液是如何配制與使用的具體的實驗步驟應怎樣設計？取口腔上皮細胞制片步驟的注意事項是什么？水解步驟的注意事項是什么？對涂片為什么要用緩水流沖洗？染好色的圖片觀察是怎樣使用顯微鏡？

利用“問題串”的分析與討論，很容易讓學生得到這樣的知識內容：本實驗選擇的材料可以是無色的洋蔥鱗片葉內表皮細胞，也可以是人的口腔上皮細胞，而甲基綠-吡羅紅混合染液必須是現配現用，且A液與B液要按照1：4的比例混合使用。本實驗的制片需要經取材、水解、沖洗涂片、染色等四步，在制片步驟中要對涂片進行烘干，其目的是固定細胞;水解步驟中要注意時間與溫度的控制，不然水解過度則會導致細胞的整體性破壞，對實驗結果造成干擾;殘留在涂片上的鹽酸會解離過度必須進行沖洗，但不能用急水流沖洗，不然導致細胞被沖走而無法進行實驗;染好的涂片就要進行觀察，通常是先低倍鏡后高倍鏡觀察。

二、運用“類比推理”法的實驗結果分析來培養學生的科學思維

“類比推理”就是根據兩個對象之間在某些方面的相同或相似，推論出它們在其他方面也可能相同或相似的一種方法，該方法是科學研究中常用的方法之一，包括生物科學研究在內，很多科學研究在研究過程中都經常使用“類比推理”的方法，在生物教材中，也經常可以看到“類比推理”的實例，如細胞學說建立、薩頓的假說、人腦與電腦等，這些都體現出“類比推理”在生物教學中的重要性。

例如，在“生物體維持pH穩定的機制”實驗中，老師可以引導學生運用“類比推理”的方法來理解該實驗，此實驗是通過向自來水、緩沖液及不同生物材料中加入鹽酸或者氫氧化鈉溶液，引起相關試劑的pH發生不同變化，得出生物內的液體環境與緩沖液相似而不同于自來水，從而類比說明生物體維持pH穩定的機制。另外，在“嘗試制作真核細胞的三維結構模型”實驗中也涉及到“類比推理”，學生在學習了真核細胞的內部結構以后，可以嘗試來制作細胞的三維結構的模型。這種就是根據已知的知識讓學生進行空間的想象，通過結構上的相似性進行相應的推理類似的模型，這種就是使學生的思維能夠得到進一步的開拓，也能更好的使學生理解真核細胞的結構特點以及空間構型，并且達到加深記憶的效果。

“類比推理”是一種十分有效的邏輯思維方法，將其運用到高中生物教學中進行充分的融合，不僅能幫助學生更加明確生物概念和相關知識點的積累，更有助于學生提升自身對問題的發現、分析和解決能力。在高中生物實驗教學中培養學生的“類比推理”能力是一項重要的教學內容，為了提高教學質量，“類比推理”有助于學生在生物學習時舉一反三、靈活運用。在“類比推理”教學下，學生不但激發了學習的積極性，還促進了創造思維能力的發展，在知識的學習上更富有深度與廣度，形成了完整的知識體系。“類比推理”的課堂上，氣氛活躍，師生之間能夠進行有效交流，為學生綜合能力的發展提供了廣闊的空間。

三、對教材實驗設計逆向提問來培養學生的科學思維

高中生物教材中的實驗是高中生物教學的重要組成部分，也是教學的良好素材，我們可以通過對高中生物教材中的經典實驗設計逆向來引導學生去完善實驗內容，使其實驗更加的嚴密可靠，很自然的生成科學思維模式。

例如，在“體驗制備細胞膜的方法”實驗中講授到細胞膜中的脂質分子是怎樣排列時，我們可以這樣進行逆向提問設計：

1.如何設計實驗來證明細胞膜中的磷脂分子為兩層？

學生們就會積極地思考并回答：可以將細胞膜中的磷脂提取出來，然后在空氣——水界面上鋪展成單個分子層，測量其面積并與細胞的表面積比較，若是磷脂的面積是細胞表面積的二倍，則可以證明細胞膜中的磷脂分子是排列成連續的兩層，否則就不是。

2、要實現這個目的必須要獲得較純凈的細胞膜，選擇什么樣的細胞才好？

可引導學生進行這樣的思考：本實驗是探究細胞膜中脂質的排布情況，則我們提取的細胞膜純度必須要高，也就是說不能有細胞器膜和核膜等其他膜結構。另一方面，要思考怎么樣才能更好讓細胞內容物釋放，留下空殼的細胞膜，通過這一系列的引導思考，很容易讓學生們聯想到哺乳動物的成熟紅細胞。

3、如何讓哺乳動物成熟的紅細胞破裂？如何分離并提取出細胞膜中的脂質分子？

可引導學生進行這樣的思考：哺乳動物成熟的紅細胞沒有細胞壁的束縛，在蒸餾水中就很容易吸水漲破，故可直接將紅細胞放入蒸餾水即可使其吸水漲破;要將細胞膜和內容物等分離怎么辦？可直接想到差速離心法來處理;但是細胞膜中除了有脂質還有蛋白質和糖類怎么將脂質提取出來呢？實際上教材中就明確提出是用丙酮來提取的脂質;為什么要選用丙酮作為脂質溶劑？因丙酮易溶于水，不會漂浮在水面，也就不會影響單層分子層的面積，使其實驗結果更準確。

總之，隨著時代的發展，社會對人才的需求逐漸轉變為具有創造思維和理性分析能力的腦力勞動者，“科學思維”作為開展思維教育的生物學學科素養的內容之一，急需落實于實踐。然而教育行業的一線工作者在高考等諸多方面的壓力下，將課堂教學的更多注意力放在了傳授學科知識上，忽略對學生科學思維和個人發展所需品格的培養。可見，落實科學思維，能增加學生的探究欲望和興趣，提升科學思維、探究能力和表達能力，有助于培養具健全人格和終生發展素養的人才。所以，作為高中生物教師，一定要將核心本位理念落實到位，強化自身對核心素養的認識，以此來有效培養學生們的生物核心素養。

參考文獻

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本文是甘肅省教育科學“十三五”2019年度一般規劃課題“基于核心素養的高中生物實驗教學的研究”（批準號：GS[2019]GHB1009）的成果之一。