指向科學探究素養的高中生物課外實驗教學實踐
——“以野扇花在杭州地區的耐熱性研究”教學為例

（杭州第四中學 浙江杭州 310018）

1 課外實驗教學設計目標

課外的生物實驗活動具有無可替代的生物教學功能，可以為學生提供以問題解決為目的的合作探究機會，提高學生學習探究的自主性，培養學生解決問題的能力，從而培養學生科學探究的生物學學科核心素養。我校以“養正生物種植實驗園”為基地，利用與我校長期進行科研合作的杭州花圃和杭州師范大學生命科學院等校外資源，以校本課程和課外活動相結合的形式，以學生為科研主體、實驗教師與科技人員為把關和引導者，嘗試開展一系列以培養學生科學探究素養為目標的生物實驗教學。

2 課外實驗教學實踐過程

“養正生物種植實驗園”占地20余畝，有蔬菜種植實驗地、魚類養殖實驗池、多種果類種植實驗林等多個區塊，配備了齊全的種植用的農用工具和養殖所需要相關設施?！耙吧然ㄔ诤贾莸貐^的耐熱性研究”是2019年起與杭州市園文局合作的“芳香觀花植物品種優選及景觀技術研究”課題的子課題，以我校種植實驗園為基地進行栽培觀測。

2.1 觀察現象，導入問題

自2019年起，野扇花作為與市園文局合作開展“新優木本芳香觀花植物品種優選及景觀應用技術研究”課題的選育品種引入我校。夏季，負責觀察培育的高一研究小組的學生發現：前一段時間生長正常的植株暑期過后有很多出現萎焉，植株部分邊沿有發黃現象。有學生推測，這是由于夏季的高溫影響野扇花的生長。根據學生觀察的現象，師生討論提出探究問題：既然野扇花是選育適合杭州地區生長的優選芳香植物之一。如何使得野扇花在夏季的生長保持良好狀態？學生在查閱文獻、結合種植園的生長環境討論后，提出：高大喬木下的地被栽種梯次培養可能是改善植物在夏季耐熱環境的一種方法，是否可以通過近地栽培，提高野扇花生長的耐熱性？于是，學生嘗試給野扇花搭建遮蔭棚，模擬高大喬木下的地被栽種梯次培養。

2.2 以問題導向，學生自主的實驗過程教學設計

要取得實驗結論必須有實驗結果來支撐。在設計實驗前，教師要求學生先提出問題，帶著問題去查閱資料。研究小組的學生經過討論后，列出了以下問題：野扇花的原產地的氣候條件怎么樣？它對生長環境有哪些要求？它的生長特點有哪些？實驗的自變量和因變量是什么？用的是哪一種對照方法？觀測哪些數據，可以說明野扇花的耐熱性?教師匯總各組學生的設計方案，協助學生整理設計實驗步驟。

①第一階段：選取6、7、8月份，在養正種植園觀察模擬近地栽培組的野扇花生長情況。

觀察已引至種植實驗園近一年的3年生野扇花插條（引自貴州林業學校），選取10株株高20～30 cm之間野扇花10株作為目標樣本。2020年6月—8月，選取中午12：30—13：00，每10天測量一次，測量株高、冠幅、分枝數、側枝直徑與側枝長度（此側枝為每一植株位于中部體態相對健壯的一級分枝），同時記錄溫度、日照度。每組數據測量重復3次，取平均值，以表格形式記錄，應用SPSS軟件統計學分析。

②第二階段：拓展校外實驗室，提升實驗方法技能，觀察野扇花在高溫脅迫下的生理生化指標，探討高溫脅迫對野扇花生長的影響。

2020年10—11月，將植株中的幼葉于田中移栽入盆放置5 d，對照組為室溫處理，選取的2個脅迫溫度分別為35℃、40℃，每組溫度有3盆野扇花植株，在杭師大生命科學院生理生化實驗室分別測定第1天、第3天、第5天野扇花葉的丙二醛（MDA）、總蛋白（PRO）的含量以及電導率（測量方法參照蘇州格瑞思生物科技有限公司試劑盒提供的方法）。

2.3 實驗過程的實施與教學

教師提出問題，引導學生思考：（1）測量側枝直徑的位點怎么確定？怎么保證下一次的測量確保在同一位點,使得實驗數據的有可靠的重復性？（2）計數側枝數量時由于分叉較多，容易誤數多數，如何保證不重復計數？

開始，小組成員設計用油漆筆畫點、線繩的固定的方法來測量。但是，實施時發現：漆點較厚，會影響數據的準確性；線繩容易移動，不能保證在同一位點。后來，學生一致討論利用植株的自然體位，測量位點固定在主枝、一級側枝的分叉處，游標卡尺和側枝方向垂直，以消除無關變量。學生采取自創定量標注法——每數到10個分叉用線繩或皮筋扎一下，最后數捆數加上余量就可以了。

第二階段的生理生化實驗的設備儀器藥品，是學生平時在校內較少機會接觸到的。教師特意邀請杭師大生命科學院的教授及其研究生進行輔助指導。由于實驗過程涉及的步驟很多，每個步驟中的細節也是會影響整個實驗結果，因此各小組及組內成員分工協作、使科學探究活動有計劃進行，順利完成，培養學生科學探究效率品質。

經過第一階段的鍛煉，學生的現象觀察、提問質疑、探究的意識得到提升。在第二階段MDA測定時，針對輔導老師的操作方法，有學生提出：為什么用完的研缽清水沖洗干凈后需晾干或用吸水紙擦干？未晾干水分的研缽會影響MDA提取液的濃度，從而影響所測定的MDA數值的準確性。實驗導師從理論原理上的答復加深了學生對操作方法的理解，而不是單純記憶模擬。

2.4 實驗結果的科學分析與討論

學生觀察，并記錄實驗結果（表1）。

表1 6-8月野扇花的生長的表觀數據（均數±標準差）

2019年8月份平均氣溫高于6、7月份，氣溫35℃以上的天數占2/3。雖然觀察記錄到8月份的分枝數有減少，但6、7、8月份植株的平均株高、冠幅、側枝長度、側枝直徑統計差異不顯著（P＞0.05）。表觀數據提示：野扇花生長雖然受到高溫炎熱的一定影響，但搭建遮蔭棚模擬近地栽培的野扇花生長基本保持良好，沒有明顯的萎焉。經歷杭城整個夏季的觀察，雖有部分側枝枯死，但未出現大面積黃葉和死亡的情況，且生長速度較慢，是一種較為理想的地被植物。野扇花在遮陰棚模擬的近地栽培條件下對杭州的高溫有較好的耐受性。

第二階段的數據具體結果見圖1、2、3。

圖1 不同溫度處理野扇花葉1、3、5 d后MDA的含量

圖2 不同溫度處理野扇花葉1 d、3 d、5 d后PRO的含量

圖3 在不同水浴溫度下野扇花葉的電解質外滲率（REC）

學生在校外杭師大實驗室觀察結果：與對照組（25℃）相比，隨著處理天數的增加，35℃和40℃處理的野扇花葉中MDA、PRO的含量呈現先升高、后降低、再升高的趨勢。

野扇花葉的MDA、PRO含量的變化反映了野扇花葉細胞的損傷程度。學生通過討論，分析當野扇花從室溫條件下移入35℃和40℃的環境時，溫度的急劇升高導致野扇花的生長出現損傷：第一天測量的MDA、PRO含量較對照組明顯升高；3天后，野扇花可能存在熱適應的自我保護機制，測定的MDA和PRO含量有一定程度的降低，提示具有一定的耐熱保護機制；但第五天測定的MDA、PRO含量與第三天的比較明顯增高，提示持續的溫度脅迫可導致野扇花的細胞生長損傷。

測量野扇花葉片電解外滲率，結果45℃時電解質外滲率開始緩慢升高，50℃電解質外滲率急劇升高。數據表明溫度越高，細胞膜受損傷程度越嚴重，電解質外滲率也越高。因此野扇花最高抗熱溫度應不超過45℃。

2.5 探究結論，反思過程

在學生探究階段，教師要融入學生的探究活動中，參與指導、分析學生存在的問題、缺陷，使學生選擇合理或改進設計更合理的方案。教師要開展過程性評價，特別關注學生對無關變量的控制、實驗細節的把控；應重視科學探究過程的分析與評價環節，使學生逐步熟悉科學探究的全過程，提高探究問題效率、能力，推動探究活動得以順利進行。

學生分析兩個階段的實驗數據，從現象推導初步的實驗結論：野扇花具有一定的耐熱性。給野扇花搭建遮蔭棚模擬高大喬木下的地被栽種是比較適合野扇花在杭州地區的一種栽培方式，雖由于熱脅迫的作用造成了少量分枝枯死，但沒有出現大比例的死亡現象。

教師要鼓勵學生對采集的數據處理分析后，實事求是地對存在的不能解釋的問題提出自己的改進意見的設計。8月末期出現了個別植株整株枯死的現象，學生經查閱資料推測這是由于6、7月份杭州本地梅雨季持續時間比較長，根系缺乏通氣助長了霉菌的感染。在下一階段的重復實驗中可采取2種預防措施：①把現有的野扇花換一個地塊移栽，在新栽地摻入大量的沙土，以提高土壤的透氣性；②再按一定的周期使用惡霉靈澆注根系。

3 教學成效及反思

本項課外實驗教學的實踐充分利用了“養正生物種植實驗園”的優勢，結合專業科研單位的專項課題和高校的實驗室的設備，以“選修課+課外實驗”形式開展活動，探索了一種校內外結合發展學生科學探究素養的新途徑，彌補了生物實驗教學在深廣度和實踐性方面的不足。

3.1 課外實驗教學活動是學生獲得生物學科探究經歷和經驗的重要途徑

生物課外實驗教學可以克服傳統輸入式教學，為學生提供以問題解決為特點的合作探究的學習機會，使學生學會自主學習。學生經歷引種栽培、觀察現象、提出問題、設計實驗、實施過程、交流與分析討論實驗結果、得出結論、反思實驗過程、形成研究性學習報告的整個過程，在實踐中對科學探究有了更深更多的親歷體驗。在實踐過程中，學生的觀察能力、科學思維、科學探究得到提升，從而提升了科學探究的生物學學科素養。

3.2 加強教師與學生的交流環節，以科學探究素養為指向，提升課外實驗教學方式

在課外實踐活動、校外實驗研究室拓展的在教學過程中，教師通過加強與學生的交流來引導學生發現和探究問題，培養學生科學探究實驗的方法。在實驗前，教師加強與學生的交流討論，發揮引導作用，使學生結合自身的興趣，通過對觀察的現象、提出問題，并進一步自主設計相應的實施實驗；在實驗實施后，教師參與指導學生對實驗觀察結果的討論互動交流，促進學生展開實踐探究活動，解決問題，培養了學生的科學素養。

探究式教學作為新課程倡導的一種教學方式，可以充分發揮學生主體性，把學生創新精神和實踐能力作為發展重點，以學生的自主探究學習為核心，以現象為素材，努力創設問題情境，誘發學生的探究動機，激發學生思維，使學生通過探究分析解決問題，獲得新知識及科學探究的素養，從而培養學生科學探究思維品質、習慣、能力，促進學生形成主動的學習過程。