從“學生視角”出發的高中生物探究實驗教學策略

林書嫻

【摘要】以“探究pH對酶活性的影響”為實例，論述高中階段基于“以學生為主體”的實驗教學策略，通過多樣化引導、優化教學模式、改進實驗方法，有效落實學生探究能力的培養，實現探究學習核心素養的可持續發展。

【關鍵詞】學生視角;引導探究;自主探究

探究教學是以人本主義理論為基礎，強調教師啟發下的學生探究發現的過程，發揮學生主體性，達到對所學知識的有意義構建。探究實驗的開展對分析思維、動手操作、團體協作能力提出較高的要求，以“探究影響酶活性的條件”為例，學生的難點主要表現在：缺乏設計實驗的經驗、動手能力不強操作不當、不能對實驗現象進行深入分析等。因此教師要充分考慮教學對象的特點，站在“學生視角”去思考——了解學生的能力，預判學生的反應，觀察學生的課堂表現，記錄實踐中的難點，反思教學設計的不足并持續改進。

一、關注學生的課程體驗，在實驗內容上做“減法”

探究實驗的教學內容不需要局限于一節課內完成一個實驗，應該以教學目標為依據，同時結合學生的能力和基礎：一些簡單明晰的體驗式探究，可以將幾個實驗合并完成;一些引導式探究、自主式探究的實驗則可以加長時間，如劃分為課前的準備階段（提出問題、查閱資料、制定方案、預實驗等）、課堂的實踐階段、課后的延伸階段（重復實驗、改進實驗、拓展新問題等）。

在大部分教師的教學實踐中，“探究影響酶活性的條件”都是安排一個課時完成，即在一節課內探究溫度和pH對酶活性的影響。教學流程通常是先分別設計兩個實驗的方案，然后分組操作得出結果。受時間限制，每個小組只能完成其中一種自變量的操作。我從“學生視角”出發進行反思：“學生在這種課程安排下會有怎樣的體驗呢？”必然是疲于應對的。想要兼顧兩個實驗，探究活動的每一個環節只能匆匆掠過，學生沒有時間去主動思考，沒有空間去內化對實驗原理和方案的理解，實驗過程中產生的疑問沒有機會自主解決，被課堂進度機械地拉動。這樣“蜻蜓點水”般的課程設計只是表面的、形式上的探究，不能帶動學生的主動參與。另外每位學生只能完成一項實驗操作，即使能聽其他小組介紹另一個實驗，但無法動手操作、觀察現象，這樣的“紙上談兵”缺失了將理論轉化為實踐的關鍵環節。

為確保學生能體驗探究活動的完整過程，我將本實驗安排調整為兩個課時，在第一節課做“減法”——只進行“pH對酶活性影響”實驗。先引導學生將這個實驗做的完整、準確、透徹，夯實基礎，再遷移到第二節課的“溫度對酶活性影響”實驗，學生就能自主完成探究。

二、思考學生設計實驗方案時的難點，在引導設計時設置“任務”

設計實驗方案是探究活動中難點集中的環節，教師已普遍認同不應給出既定的方案讓學生按部就班地完成，而應以學生為主體來生成。那么，是否讓學生獨立設計方案才能體現主體性呢？在“探究影響酶活性的條件”早期教學中，我采用“學案導學、先學后教”的策略，設計的學案中只列出探究活動的流程，開放性很強，要求學生課前分組設計方案，課堂上交流后進行實驗。從實際情況反饋，只有四分之一的實驗小組能設計出稍成形的方案，教師需在課前針對各個方案進行個性化指導，工作量非常大，而如果沒有指導到位，大部分學生在實驗中將始終處于茫然的狀態。遇到阻力后，我站到“學生視角”進行分析：這是高一開展較早的一個探究實驗，學生缺乏經驗的積累，實驗本身在選材、分組、控制變量方面要考慮的細節眾多，要求學生獨立設計是脫離能力基礎的。因此我將教學策略改進為“任務驅動、問題導學”，把重心放在加強設計方案的引導，設置形式多樣的學習任務為難點的突破鋪設臺階。

面對實驗桌上的多種試劑，學生感覺無從下手，我整理了以下信息引導學生選擇材料：“酶溶液：質量分數2%的淀粉酶溶液、肝臟研磨液。底物：質量分數3%的淀粉溶液（酸能促進淀粉水解）、質量分數3%的HO溶液（高溫下HO分解加快）”，請學生選取材料填寫表格（如下表）。填表任務能帶動學生有條理地思考：首先是酶和底物的組合選擇，一種酶對應于相應底物，體現酶的專一性;其次，材料的選擇應依據實驗目的，如考慮到HO分解受溫度影響，以溫度作為自變量時便不能選擇這一組合，體現單一變量原則。學生明白了原理，選對了材料，便邁出了自信的第一步。

下一步是引導學生設計操作步驟，我列出了以下問題：（1）要探究pH對酶活性的影響，你將設定哪幾個pH值？（2）怎樣調節各組的pH達到設定的數值？（3）無關變量有哪些，如何控制？（4）因變量是什么，你怎樣檢測因變量？（5）根據你的假設，各組會看到怎樣的實驗現象？這些問題涵蓋了設置自變量、控制無關變量、檢測因變量等核心要點，逐步思考和解決這些問題，一套比較成形的操作方案就水到渠成了。

根據以往的觀察，學生在調節pH時往往缺乏思辨，操作隨意，導致自變量的控制不準確。直接告訴學生正確方法肯定是下策，那么是否提前組織學生討論，總結出統一的做法就是上策呢？我在這里做了“留白”的設計——在操作前提出任務：“每個pH條件下，酶、底物、緩沖溶液應該按什么順序加入試管呢？請各小組討論后進行實驗。”首先，提醒學生要思考這個問題，但不馬上交流，各組按討論的方案去實施，教師在實驗后引導回歸這個步驟的討論，合理的方法屆時便會呈現出來。這樣的策略鼓勵學生先想后做，在做中學，在實踐后反思，使實驗設計過程獲得動態的生成性，無疑是更勝一籌的選擇。

經過這節課的訓練，當開展“溫度對酶活性的影響”新實驗時，要求學生獨立設計完整嚴謹的方案就完全可行了，從而實現了從“引導式探究”到“自主式探究”的螺旋化提升。當教師積極提供輔助，在學案中以資料、表格、圖例等直觀形式呈現信息，在課堂上設置問題、討論、反思等學習任務帶動思考，學生始終是參與探究的主體，那么實驗設計將不再是最難攻克的攔路虎，而更可能轉化為催化探究能力發展的最佳契機。

三、多層次引導學生剖析實驗現象，使實驗結果成為推動探究的“支點”

實驗操作完成后對于結果的分析是十分重要的，但這一環節很容易被學生忽略，觀察到現象后就認為實驗已經結束了。從“實驗結果”得出“實驗結論”可以經過幾個層次的推進：（1）對實驗現象進行觀察、測量、統計;（2）交流實驗現象，總結出共同規律或不同點;（3）將結果與預測進行對比，看是否一致。若不同于預測要分析原因;（4）反思實驗設計和操作過程，做出必要改進;（5）依據準確結果得出科學結論。學生一般只會本能地進行到第一個階段，在看到表觀的現象后，不能自覺地提煉規律，面對意料之外的實驗結果找不到分析的切入點。認識到學生的局限后，教師應注重發揮引導作用，挖掘出實驗現象中的隱藏價值。

在“探究pH對酶活性的影響”實驗中，學生以HO分解產生的氣泡情況作為因變量。操作結束后，我這樣啟發學生分析：“你觀察到的現象是什么？與預期是否一致？”有學生描述到：“在pH為3、5、7、9、11的五個組中，pH為9的條件下產生的氣泡比pH為7的條件下更多，這與預期的不同。”我提出第2個問題：“實測結果與預測不同，可能的原因有哪些？”學生提出有三種可能性：“單次實驗存在偶然性需要重復實驗;可能是實驗操作錯誤導致結果偏差;也可能是預測有誤，pH為9時H2O2酶活性實際上更高。”我順著這三種可能性逐一地分析：先請所有小組匯總結果，90%的學生都表示觀察到了類似的“意外現象”，這便基本排除了單個小組單次實驗的誤差。那是不是操作有誤影響了結果呢？我請學生回憶實驗過程：“你是按什么順序加入酶、底物和緩沖溶液的？”當聽到與自己不同的做法時，學生會自發地產生疑惑進行辨析，緊接著的問題便是：“同學們交流的方法中哪種更科學？為什么？”通過討論，學生明確了要分別調好酶和底物的pH后再混合，才能保證反應在設定的pH條件下進行，所以確實有不少小組是存在操作錯誤的。為什么有些小組的操作正確但仍觀察到“不對”的現象呢？如果是預測有誤，如何進一步檢驗這種可能性呢？我提示了思考的方向：“觀察氣泡產生情況作為因變量有何不足？”學生指出：“觀察氣泡的多少很主觀，不同實驗者的判斷標準不同無法對比，現象相近的實驗組之間不容易區分。”“有沒有辦法客觀地檢測反應速率呢？”有了化學學習的基礎，學生紛紛提議可以用排水法測量氧氣生成量，這個問題就迎刃而解了。

經過這一系列討論，學生的思維在問題的推進下積極地流動、碰撞，體驗到一種抽絲剝繭般的暢快感。能夠達到這一效果，正是基于從“學生視角”出發的教師引導，即協助學生梳理問題的脈絡，提倡他們大膽推測、有邏輯地論證。因此，分析實驗結果不應是一個實驗的“終點”，而應作為一個有力的“支點”，承上啟下，在討論中把探究引向深入，啟發學生自己去發現問題，解決問題。

四、給予學生試錯、反思、改進的空間，在實驗操作中鋪設“梯度”

當學生找出了進一步改進實驗的方向時，他們最期待的是什么呢？當然是摩拳擦掌地再做一次實驗了。若能為學生提供多次操作的機會，不僅保證了實驗的準確性，更重要的是順應了學習熱情，鼓勵學生不滿足于理論推理，而是通過實踐來找到答案，這才是探究實驗所提倡的學習品質。

經過多次教學實踐的積累，我將“探究pH對酶活性的影響”的教學模式優化為“遞進生成式”——通過“初次探究”（設計方案及第一次的定性實驗）→“再次探究”（分析結果，改進后進行第二次的定量實驗）→“進一步探究”（得出結論并提出新問題），三個梯度環環相扣、層層推進。在初次實驗中，學生充分地嘗試、獲得直觀體驗。再次探究中學生能夠熟練操作技能，改正之前的錯誤，并使用排水法檢測反應速率，獲得數據后進行再次的交流，得出明確的實驗結論。在此基礎上可以提出進一步探究的問題，如H2O2 酶的最適pH是多少，如何設計實驗方案等。

傳統的實驗教學中教師先向學生預示可能的錯誤，做出詳細提示，束縛了學生思維，在操作時縮手縮腳。而本課的教學模式提倡“試錯學習，先做后改”，符合學生的認知規律。“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，學生對于通過自己觀察、設計、驗證出來的知識和方法理解的更透徹，記憶更深刻。

五、以課堂實效為原則創新實驗方法，為學生成功完成實驗提供“助力”

高中生物教材上的實驗編排整體是科學合理的，原理清晰、材料易獲取、現象明顯。因此教師不必“為了創新而創新”，應結合教學實際，從學生角度思考：“哪個步驟的操作有難度？實驗成功率低的原因是什么？”然后查閱資料，多做預實驗，找到合理的改進措施。

我對“探究pH對酶活性的影響”的實驗方法所做的優化體現在兩個方面：一是改進了自變量的調節方式。原實驗中提供的材料是HCl、NaOH溶液和pH試紙，這需要學生一邊滴加酸、堿試劑一邊檢測，操作繁瑣，也不能通過觀察試紙的顏色準確測定pH值。因此我改用具有pH梯度的緩沖溶液，由實驗室在課前配制，學生直接使用，這樣能夠節省大量時間，而且準確性強，穩定性高。二是改進了因變量的檢測方式。原實驗觀察氣泡產生情況，直觀但不準確，運用排水法可以定量檢測。由于酶和底物用量很少，若使用化學的排水法裝置測量誤差很大。根據需要我設計了“反應—排水”裝置（如下圖），這些器材在實驗室中都是容易獲得的。在操作時先將酶滴入試管，塞上橡膠塞，然后用注射器吸取HO溶液穿刺塞子，注射后酶和底物發生反應就可收集氣體，操作簡單，學生能輕松掌握用法。當最后匯總實驗數據確定pH為9時氧氣生成量是各組中最多的，很多學生的眼中閃現出了豁然開朗的光芒。

通過這兩處改進，得到了明確的自變量和因變量數據，學生就可以描點畫坐標圖，借由直觀的曲線模型，pH對酶活性的影響便一目了然。上述對實驗方法的改進，目的是服務于“遞進生成式”的教學模式，幫助學生在一節課內順利完成兩次實驗操作。因此實驗方法的創新應該從改善實驗效果、提高成功率出發，而不能刻意標新立異，使實驗原理、方法、裝置復雜化，給學生帶來額外的負擔，沖散了探究實驗的核心主線。

本課例的教學策略能夠有效地實現教學的知識目標和能力目標，而給我最深刻體會的是情感目標的達成——探究實驗不是驗證一個已知結果的問題，基于經驗的預測有可能是錯的，需要大膽質疑和實踐的檢驗;實驗方案的設計和科學嚴謹的操作不是一蹴而就的，需要同學間的團體協作。只有從“學生視角”出發制定的教學策略，才能實現這種師生之間、學生之間的密切互動和思想交流。從“學生視角”出發的教學設計，要求教師把學生看作“完整的人”，相信學生能發現自己的潛能，進行自我教育。教師要做的就是提供堅實的支持和平臺，充分發揮學生的主觀能動性，不斷推動教學策略的“進化”，追求師生的共同成長。在這種教育思維和教學模式的長期熏陶下，學生逐漸萌發、成長起來的科學實驗素養和探究能力，也將是可持續發展的，具有蓬勃的生命力和創造力。

參考文獻：

[1] 楊建忠.探索“pH影響酶活性因素”的定量探究[J] .生物學通報，2013（7）：45-46.

[2] 張迎春.中學生物教材研究與教學設計[M] .陜西師范大學出版社，2011：121-137.

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