基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)

柴媛媛

摘要 以“探究外源脫落酸對(duì)甜高粱抗鹽能力的影響”為例，探討基于科學(xué)探究能力培養(yǎng)的深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過創(chuàng)設(shè)問題情境、確定課題研究方向、小組討論實(shí)驗(yàn)方案、開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度思考、聯(lián)系實(shí)際解決問題等多角度提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞 科學(xué)探究 深度學(xué)習(xí) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào) Q-331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

深度學(xué)習(xí)理論認(rèn)為深度學(xué)習(xí)有助于學(xué)生自主理解知識(shí)、構(gòu)建知識(shí)體系，并強(qiáng)調(diào)學(xué)生全身心主動(dòng)投入學(xué)習(xí)，進(jìn)行沉浸式的深度體驗(yàn)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中將“科學(xué)探究”納入普通高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的范疇，是指學(xué)生能夠從生物學(xué)的現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，依據(jù)生物學(xué)的基本現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和探討的能力。筆者圍繞生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升，通過教材的延伸實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)課題研究，旨在使學(xué)生通過閱讀、體驗(yàn)、討論、分析和總結(jié)培養(yǎng)科學(xué)探究能力。下面通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的案例分析，探討培養(yǎng)科學(xué)探究能力的深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1創(chuàng)設(shè)問題情境，確定課題研究方向

通過人教版《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第五章第三節(jié)“探究·實(shí)踐”中“探索植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用”的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了用預(yù)實(shí)驗(yàn)的方法開展探究實(shí)驗(yàn)的能力。教師創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的探究，并提供材料，驅(qū)動(dòng)學(xué)生提升獲取信息、加工信息的能力。教師提供3則資料：

1甜高粱屬于C4植物，具有較高的光合作用能力，含糖量較高。每公頃甜高粱每天合成的碳水化合物可以產(chǎn)約48L酒精，而玉米為15L，粒用高粱為9L，小麥只有3L。因此甜高粱對(duì)我國(guó)可再生能源的研究起著重要的作用。

2甜高粱能在pH為5.0-9.0的土壤上良好地生長(zhǎng)，并且對(duì)鹽堿的忍耐能力較強(qiáng)，適宜在鹽堿地上大面積種植。大多數(shù)植物在發(fā)芽和生長(zhǎng)初期對(duì)外界脅迫的環(huán)境更為敏感。

3外源脫落酸（ABA）是一種在植物細(xì)胞中廣泛存在的植物激素，可參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育、種子的休眠與萌發(fā)，也可以參與植物對(duì)干旱、高鹽等逆境脅迫的應(yīng)答，主要通過控制氣孔的閉合、誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)等方面來實(shí)現(xiàn)。

基于對(duì)資料的分析，師生共同決定將研究課題定為：以甜高粱種子“M81-E”為實(shí)驗(yàn)材料，探究外源脫落酸對(duì)甜高粱萌發(fā)期抗鹽能力的影響。

2討論實(shí)驗(yàn)方案，落實(shí)科學(xué)探究能力培養(yǎng)課堂上，教師通過構(gòu)建問題的方式，引導(dǎo)學(xué)生分組討論實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施方案。

1甜高粱種子如何處理？該實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組如何設(shè)置？

2如何測(cè)定該實(shí)驗(yàn)的因變量？注意要反映出種子在萌發(fā)期的生理生化指標(biāo)。

3為減少誤差，實(shí)驗(yàn)過程中需要注意哪些無關(guān)變量的控制？

學(xué)生經(jīng)過查閱資料、小組討論后決定：甜高粱種子用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的次氯酸鈉溶液消毒表面10min，蒸餾水沖洗干凈后，陰干。接著，在潔凈的培養(yǎng)皿中放入兩層濾紙，設(shè)置4組實(shí)驗(yàn)：1經(jīng)蒸餾水處理;2經(jīng)質(zhì)量濃度為50mg/L脫落酸溶液處理;3經(jīng)質(zhì)量濃度為80mmol/L的NaCl溶液處理;4經(jīng)質(zhì)量濃度為180mmol/L的NaCl溶液與質(zhì)量濃度為50mg/L脫落酸混合液處理。每個(gè)處理分別加入3mL處理溶液，再將甜高粱種子“M81-E”放入培養(yǎng)皿中。將本班20名學(xué)生分為4個(gè)小組分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生討論后，認(rèn)定種子萌發(fā)率、根和芽的長(zhǎng)度、鮮重、干重作為測(cè)定指標(biāo)。每天統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽數(shù)，共計(jì)7d。培養(yǎng)7d后，分別測(cè)定高粱幼苗根和芽的生物量。同時(shí)為進(jìn)一步探究外源脫落酸對(duì)鹽脅迫下甜高粱幼苗緩解的機(jī)理，分別取7d后的根和芽各0.5g，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定組織中可溶性蛋白和脯氨酸含量的變化，以反映外源脫落酸對(duì)甜高粱在逆境條件下生理生化指標(biāo)的影響。

學(xué)生經(jīng)小組討論后決定在以下幾個(gè)方面注意對(duì)實(shí)驗(yàn)無關(guān)變量的控制，以減少誤差：

1在潔凈的培養(yǎng)皿中放入兩層濾紙后，注意每組要有3個(gè)平行重復(fù)，每個(gè)重復(fù)放置50粒大小、飽滿程度一致的甜高粱種子。然后，置于25°C恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)。

2每天同一時(shí)間觀察種子的發(fā)芽率，種子發(fā)芽以胚根露出種皮2mm為標(biāo)準(zhǔn)。

3每天采用稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)的溶液，以保持處理期間處理液濃度相對(duì)穩(wěn)定。

4培養(yǎng)7d后，每個(gè)處理隨機(jī)測(cè)定15株幼苗的生物量、可溶性蛋白和脯氨酸含量的變化。

3開展實(shí)驗(yàn)并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，促進(jìn)深度思考甜高粱種子經(jīng)過7d的萌發(fā)后，教師引導(dǎo)學(xué)生將小組的數(shù)據(jù)（表1、圖1）進(jìn)行整理、分析，通過繪制圖表的方式構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論;同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在分析中思考外源脫落酸對(duì)甜高粱在幼苗期耐鹽能力的影響，以促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

表1表明，鹽分脅迫下甜高粱的芽和根的生長(zhǎng)均受到不同程度的抑制，當(dāng)加入外源ABA時(shí)，對(duì)鹽分脅迫下的發(fā)芽率無顯著影響（結(jié)果未顯示），可能與脫落酸有促進(jìn)種子休眠、抑制種子萌發(fā)的作用有關(guān)。但是，外源脫落酸對(duì)鹽脅迫下甜高粱幼苗的芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)以及鮮重和干重都有顯著的提高，表明外施脫落酸能夠減緩鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制但對(duì)種子的發(fā)芽率無顯著影響。

圖1表明，外源脫落酸對(duì)鹽分脅迫下幼苗中可溶性蛋白含量沒有顯著影響，可能與取材時(shí)間或者學(xué)生的操作有關(guān)。脯氨酸屬于植物典型的滲透保護(hù)物，在脅迫條件下，通常比其他氨基酸的積累多，從而幫助植物克服脅迫環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)中，脯氨酸在物質(zhì)量濃度為180mmol/L的NaCl溶液脅迫下明顯升高，當(dāng)施加外源脫落酸后，脯氨酸在根中的含量顯著下降，表明外源脫落酸有助于緩解鹽分脅迫下脯氨酸含量的增加，有利于甜高粱在逆境條件下幼苗期的生長(zhǎng)。

教師利用數(shù)學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)圖表、學(xué)會(huì)基本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，學(xué)生通過查閱資料，討論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以培養(yǎng)科學(xué)探究能力和邏輯推理能力。

4聯(lián)系實(shí)際解決真實(shí)問題，形成社會(huì)責(zé)任

通過以上實(shí)驗(yàn)以及分析，學(xué)生基本可以推測(cè)施用一定濃度的外源脫落酸能夠減緩甜高粱“M81-E”幼苗期鹽脅迫的程度，提高甜高粱的抗鹽能力，從而為甜高粱幼苗在鹽堿地上的種植提供一些思路，為我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展貢獻(xiàn)微薄的力量，進(jìn)而形成社會(huì)責(zé)任感。但對(duì)于甜高粱的耐鹽堿機(jī)制，此次也只是從生理生化角度進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，針對(duì)分子水平的機(jī)制，還需要進(jìn)一步對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的方向進(jìn)行研究。

深度實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑，可以增強(qiáng)學(xué)生在分析資料、提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施方案以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)、分析和討論的能力。學(xué)生在探究的過程中，不僅滿足了自身的求知欲望，提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，同時(shí)也通過解決真實(shí)情境中的問題，提升了社會(huì)責(zé)任感。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱俊，丁奕然“.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略探討[J]，基礎(chǔ)教育課程，2021，（7）：70-74.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]，北京：人民教育出版社，2020.