高中生物學實驗改進與創新的教學嘗試

羅惠峰 張錄璐

摘要結合實驗教學案例，嘗試從實驗選材的改進、實驗裝置的改良、實驗結果的改觀和實驗能力的發展四個方面對高中生物學教材實驗進行改進與創新，豐富實驗內容，提高實驗效率，改進實驗效果，提升實踐操作能力。

關鍵詞 生物學實驗 實驗改進 實驗教學

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學。生物學實驗是中學生物學科課程中最重要的、最富成長性的板塊，可發展學生觀察、提出問題、分析問題、作出假設、設計實驗、實施方案以及得出結果的能力。2019年教育部印發《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》提出：努力構建與課程標準要求相統一的實驗教學體系，積極推動學生開展基礎性實驗和拓展性實驗，拓展創新，豐富內容，改進方式。但在實驗教學實踐中發現，部分實驗若按照教材的設計方案進行操作，往往存在一些不滿意的地方，或實驗材料難以獲取，或實驗裝備不足，或實驗操作特別繁瑣，或實驗結果不易呈現，或實驗方式單一等。為解決上述種種問題，生物學教師需要對現行教材實驗加以改進與創新。結合實驗教學案例，筆者談談對教材實驗的改進與創新策略。

1實驗選材的改進：科學合理

正確的選材是實驗成功的一半。孟德爾選擇了豌豆，發現了遺傳規律；摩爾根選擇了果蠅，發現了基因和染色體的關系；赫爾希和蔡斯選擇了T2噬菌體，發現了DNA是遺傳物質。可見，實驗材料的選取直接關系到實驗的開展和效果。但教材中建議選取的材料并不一定就是最適合的，教師應立足于材料獲取、操作難度、實驗效果等角度合理選擇。一些實驗存在所需材料具有不易獲取、獲取過程復雜、操作難度大、實驗效果不明顯等缺點。教師應充分地發揮主觀能動性，對于不易獲取的實驗材料用相對容易獲取的實驗材料進行替代，確保實驗課程的正常進行和得到較好的實驗效果。例如，“用高倍鏡觀察葉綠體”的實驗建議的選材有菠菜葉和黑藻葉。在實際教學過程中，撕取菠菜葉帶葉肉的下表皮，往往會出現只撕取到表皮細胞而觀察不到葉綠體或是撕取的葉肉過多而導致細胞重疊，臨時裝片的制作成功率偏低，且觀察效果較差。黑藻葉觀察效果雖好，但不易獲取。因此，教師可考慮比較常見、容易獲取的金魚藻替代菠菜葉和黑藻葉。進行實驗時，學生可直接用鑷子取金魚藻的一片小葉，制作成臨時裝片，放置在顯微鏡下即可對葉綠體進行觀察。以金魚藻為實驗材料，實驗材料易得，且實驗效果非常明顯。

在“探究溫度對酶活性的影響”中，教材建議用淀粉酶作實驗材料。筆者聯系學生生活，采用了具有地方特色的姜汁（生姜蛋白酶）和牛奶作為實驗材料制作姜撞奶。姜汁（生姜蛋白酶）和牛奶分別置于沸水浴、80℃水浴和室溫中保溫后，再倒入試管中混合反應。教師創設具有地方特色的“姜撞奶”的教學情境，實現生物教學生活化，既簡化了實驗結果的觀測步驟，又使實驗現象更直觀，能較好地激發學生的學習興趣，提高了學生的課堂參與率。

2實驗裝置的改良：簡化程序

實驗裝置是實驗的重要組成部分，決定實驗現象的清晰程度。例如，“綠葉中色素的提取和分離”實驗中利用研缽進行研磨，操作繁瑣且費時費力。若把研缽研磨改為同時具有研磨和過濾功能的“研磨過濾器”（圖1），將大大簡化研磨操作程序。

研磨過濾器的使用方法：將5 g菠菜葉剪碎倒入外套筒內，將3 mL無水乙醇、少量碳酸鈣加入其中。將研磨桿置于外套筒內，蓋好頂蓋，下壓并不斷左右旋轉研磨桿，旋轉2或3次后，停止研磨并將研磨桿不對稱地輕輕提起，再次研磨，如此反復2或3次。整個研磨過程僅需約1 min即可打開頂蓋，用吸管將外套筒底的濾液吸出后待用。

采用研磨過濾器研磨代替研缽，具有明顯的優勢。（1）研磨操作簡單，節省時間。研缽研磨操作繁瑣，用時長達5 min，研磨后還需要過濾2 min；而采用研磨過濾器研磨，研磨和過濾同時進行，用時僅需約1 min。（2）用時短，能有效避免色素被破壞。（3）避免揮發，節省試劑。封閉式研磨，避免無水乙醇的揮發，一個實驗小組只需3 mL無水乙醇，比教材中建議的用量節省7 mL無水乙醇。一個約1 000名學生的年級就節省約5 L的無水乙醇，而且研磨過濾器不需要加二氧化硅，節省藥品。由此可見，實驗裝置的改進和創新，大大降低了實驗成本，節省了實驗時間，保障實驗后學生有充足的時間進行后續的實驗探究。

新教材中的層析裝置為：將適量的層析液倒入試管（或小燒杯）中，將濾紙條輕輕插入層析液中，隨后用棉塞塞緊試管口。現改為將5 mL層析液倒入100 mL燒杯中，用橡膠圈固定透明薄膜封口，使用的時候只需要用刀片輕輕等距離割開三個縫口（開口長度是2 cm），將畫好濾液細線的濾紙條輕輕從縫口插入即可（圖2）。

經改良后的層析裝置有以下優點：（1）操作方便，放濾紙條和加層析液都可以從縫口放入，不用需要打開蓋子；（2）能減少層析液的揮發，降低層析液中有毒性的揮發性物質對學生的影響；（3）有效避免實驗中的經常出現的濾紙貼壁現象和濾液細線觸及層析液等實驗操作失誤；（4）裝置同時容納三條濾紙進行層析，進行重復實驗，增加實驗的成功率和說服力；（5）一裝置兩用，此裝置也適用于圓形濾紙的層析。

3實驗結果的改觀：直觀明了

實踐表明，越簡便的實驗給學生的印象越深刻。簡便實驗可為學生課內外動手操作開啟方便之門，更有利于學生獲取直接經驗。因此，在保證實驗效果的前提下，以實驗現象直觀明顯為佳。

例如，關于“滲透現象”的實驗，教材中利用玻璃紙密封包在長頸漏斗口外，操作非常復雜。若密封不好，漏斗管內液面上升現象就無法觀察。筆者嘗試用稀鹽酸去掉外殼、保留薄膜的雞蛋放置在清水中，用雞蛋滲透水后體積會變大來說明生物具有滲透現象，非常簡明直觀，使實驗結果可視化，而且每個學生都能夠自己動手操作，教學效果顯著。

在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”中，教材是通過觀察氣泡的多少和點燃的衛生香的復燃情況來比較過氧化氫的分解情況。但由于氧氣的釋放量有限，衛生香的復燃時間較短暫，且衛生香燃燒會有一定的氣味，會引起部分學生的不適。因此，筆者在教學中對結果的檢測作了如下改進：用氣球套在滴管的一端，插入試劑瓶中，通過觀察氣球體積的變化來比較過氧化氫在豬肝研磨液和FeCl3中的分解情況，效果直觀明顯。

4實驗方式的改進：發展能力

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出實驗教學，既可以是動手、觀察類的實踐活動，也可以是以問題解決為特點的探究活動。為更好地實現實驗探究與課堂教學的融合，教師可以對教材的實驗內容進一步拓展深化，為學生提供合作、交流、激發思維以及探究創新的平臺和空間，激發學生的求知欲，促進學生主動地進行科學探究。

例如，“探究植物細胞的吸水和失水”實驗中，筆者提出2個探究性問題引發學生思考：①同一試劑處理不同材料，質壁分離效果相同嗎？②濃度相同的不同試劑處理相同材料，質壁分離效果相同嗎？同時，提供下列材料及條件。

實驗材料：洋蔥鱗片葉（內、外表皮）、金魚藻葉、三角梅花瓣。

實驗試劑及器具：質量濃度分別為0.3 g/mL蔗糖溶液、0.15 g/mL的蔗糖溶液、0.15 g/mL的葡萄糖溶液、0.15 g/mL的硝酸鉀溶液、清水、醋酸、紅墨水、顯微鏡、刀片、鑷子、滴管、載玻片、蓋玻片、吸水紙。

針對上述兩個問題及所提供的材料，學生通過觀察、思考、交流與討論后，提出問題，并依據相關的生物學原理作出假設，設計實驗方案，然后實施探究實驗，記錄實驗結果（表1、表2）。

綜合分析表1所示實驗得出的結果，學生歸納、概括出質壁分離發生的條件為濃度差、有細胞壁、有大液泡、保持細胞活性（即活的成熟的植物細胞）等；選擇材料時需要注意有大液泡、細胞壁、有顏色，細胞大等。若用洋蔥鱗片葉內表皮細胞也可以做此實驗，但要滴加染色劑如紅墨水才能觀察到實驗現象。由于金魚藻葉和三角梅花瓣的液泡和原生質層也有顏色的區分，因此實驗效果也較明顯。

依據表2進行實驗得出結果，學生會發現質壁分離程度和試劑之間呈現出如下規律：隨著溶質相對分子質量的逐漸減小，細胞質壁分離程度逐漸增強。同時，歸納、概括出選擇試劑的注意點：溶液濃度適當高于細胞液，溶液對細胞無傷害；若溶質分子能被細胞吸收，則會發生自動復原。

本實驗以質壁分離為基礎，引導學生運用科學的思維，針對實驗現象進行觀察、提出問題、并設計實驗方案，對問題進行科學探究、實施方案，引導學生對實驗結果進行分析和歸納，在探究實驗中發展科學思維，提高實踐能力。

綜上所述，教師改進與創新生物學實驗，極大地豐富了實驗內容，提高了實驗效率，有利于提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力，從而培養學生的興趣愛好、創新精神、科學素養和意志品質。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：6.

[2]張軍林.基于核心素養的高中生物學實驗改進和創新[J].中學生物教學，2018，（3）：48-50.

[3]中華人民共和國教育部.教育部關于加強和改進中小學驗教學的意見[J].中華人民共和國國務院公報，2020，（8）：74-76.