“三新”背景下提升高中生生物學實驗自主設計能力的策略

周穎 胡全國 霍玉秀

科學思維、科學探究是生物學核心素養的重要組成部分。學生的實驗自主設計能力需要建立在科學思維、科學探究的基礎上，因此教師在“三新”背景下要重視培養學生的實驗自主設計能力，探索有效的教學策略優化生物學實驗教學，在培養學生實驗自主設計能力的過程中發展學生的科學思維、科學探究素養。本文以人教版高中生物學“探究植物細胞的吸水和失水”實驗為例，探究如何在實驗教學中提升學生的實驗自主設計能力。

一、實驗目標

1.促進學生對生物學知識的掌握：通過生物學實驗深入理解植物細胞吸水和失水發生的原理、條件和現象，引導學生從不同角度對質壁分離的現象進行觀察和分析。

2.培養學生的實驗設計能力：讓學生經歷自主探究實驗的過程，在實驗探究中了解生物學實驗的一般方法和技能，通過自主探究培養分析、解決問題的能力，使其達到會做出假設和預期、會設計實驗方案的要求。

3.提升學生的生物學核心素養：幫助學生樹立生物學是以實驗為基礎的學科觀念，培養學生尊重客觀事實、實事求是、認真鉆研的科學精神，發展學生的科學思維、科學探究素養，借助生物學實驗培養學生的生物學核心素養。

二、實驗重點與難點

（一）重點：對植物細胞質壁分離和復原現象進行觀察和探究，理解滲透作用的原理，了解滲透作用在現實生活中的應用。

（二）難點：（1）實驗操作方面：洋蔥鱗片葉表皮臨時裝片的制作、吸水引流的操作。（2）實驗設計方面：突出學生自主設計實驗的過程。學生在如何提出問題、做出假設、設計實驗、分析實驗結果并得出結論等環節沒有深刻理解和把握。

三、學生自主設計生物學實驗的教學流程

（一）創設情境，導入新課

借助一個趣味小實驗創設情境：教師取出一個蘿卜，用刀切出三塊質量和體積均相同的蘿卜塊，將其中的一個蘿卜塊放在裝有清水的燒杯中，確保蘿卜塊完全浸在水中;將另一個蘿卜塊放在裝有食鹽水的燒杯中，食鹽水的濃度要大;最后一塊蘿卜塊則放在原來的蘿卜上。放置一段時間后，讓學生觀察比較三個蘿卜塊的變化。

學生觀察后很容易發現浸泡在清水中的蘿卜塊變大了，而浸泡在食鹽水中的蘿卜塊比原來小了。教師說出實驗現象之后讓學生思考為什么會出現這樣的現象。

教師接著用多媒體展示更多生活中的實例：包餃子時，餃子餡中放入鹽，過一會餡料會出水;做糖拌西紅柿時，西紅柿中放入糖一會后也會出水，啟發學生思考為什么會出水。教師提問：對這些現象，你有怎樣的疑惑呢？學生針對教師的提問深入分析和思考，嘗試運用所學知識解釋這種現象。接著教師通過講述引入實驗探究的方法，并呈現實驗探究的基本步驟：提出問題—提出假設—實驗驗證—得出結論。

（設計意圖：利用學生身邊熟悉的生活現象引發學生思考，以趣味小實驗激活學生的思維，激發學生的學習興趣。教師邊展示相關的實例邊提出問題，引導學生發現問題、思考問題，讓學生經歷實驗觀察、分析的過程，提升學生的觀察能力和分析能力。）

（二）提出問題，做出假設

1.提出問題

教師提問：針對這些現象，你產生了哪些疑惑？針對這些疑惑，你會提出怎樣的問題？

教師提出這個問題后要給予學生一定的時間思考，接著組織學生交流、討論，讓學生根據這些現象找出疑惑點，并提出問題。學生經過思考、討論之后提出問題：植物細胞具有滲透系統嗎？

2.做出假設

教師依然以問題引導學生思考和探究：對同學提出的問題，你會做出怎樣的假設呢？

教師組織學生分組討論，讓學生針對自己的問題作出合理假設，給每個小組提供展示討論成果的平臺，調動學生討論的積極性。

師：我們提出假設之后就要用實驗來驗證了。我們在前一課中學習了滲透系統，同學們都想到了將滲透系統作為實驗的設計思路。圍繞這個思路，我們具體要怎樣來設計實驗呢？實驗中有哪些需要注意的地方？你能猜出實驗結果是怎樣的嗎？

為了啟發和引導學生，教師利用多媒體呈現滲透原理實驗，讓學生一邊觀看一邊思考：滲透系統的組成是什么？植物細胞的滲透系統是怎樣的？

（學生觀看學習資料加以思考后回答）

教師綜合分析知識，幫助學生確定實驗假設，得出植物細胞原生質層相當于半透膜的實驗預期結果，并得到“外界溶液濃度比細胞液濃度更低時，細胞吸水;當外界溶液濃度比細胞液濃度更高時細胞失水”的結論，將其作為實驗預期的結果。

（設計意圖：明確實驗探究的過程，在提出問題、做出假設的環節中引導學生將實驗探究的步驟落實到實驗中，提出問題、組織學生交流、討論，充分調動學生的學習積極性，引導學生在獨立思考的基礎上實現思維碰撞，提升學生分析、解決問題的能力。實驗需要一定的知識作為基礎，教師以多媒體展示新知識，加深學生對新知識的理解。）

（三）實驗環節

教師提供質量濃度為0.3g/mL和0.5g/mL的蔗糖溶液、蒸餾水、尖頭鑷子、滴管、刀片、載玻片、蓋玻片、顯微鏡以及吸水紙、紫色的洋蔥鱗片葉等實驗材料和用具，組織學生自主設計實驗，讓其借助實驗對自己的假設進行驗證。接著組織學生討論，完善實驗設計以及實驗過程中需要注意的地方，指導學生按照實驗設計方案完成實驗。

步驟一：制作洋蔥表皮臨時裝片，并觀察。首先取材。選擇紫色深的洋蔥的外表皮，借助刀片和鑷子撕取洋蔥鱗片。其次制片。制片時要注意防止裝片產生氣泡，學生精準把握實驗操作。最后觀察洋蔥細胞，通過顯微鏡看到洋蔥細胞液泡大、呈現紫色，原生質層貼著細胞壁。

步驟二：觀察質壁分離和復原。首先，觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離現象，將蔗糖溶液從蓋玻片的一側滴入，用吸水紙從另一側吸引，重復多次，觀察實驗現象，并記錄下來。其次，觀察細胞質壁分離的復原現象，將清水從蓋玻片的一側滴入，使用吸水紙從另一側吸引，重復多次，觀察并記錄觀察到的圖像。

步驟三：學生展示自己繪制的細胞吸水、失水圖像，解釋實驗現象，得到“質壁分離是植物細胞失水、質壁分離復原是植物細胞吸水”的實驗結論，指導學生完成實驗報告。

（設計意圖：讓學生自主設計實驗，親自動手操作實驗，掌握實驗每個步驟的操作技能，針對性訓練和提升學生的生物學實驗操作技能和實驗設計水平。）

（四）改進實驗方案

在實驗中，實驗采用紫色洋蔥為材料，教師提出問題：為什么選擇紫色洋蔥作為實驗材料呢？可否用無色洋蔥來做這個實驗呢？

生1：因為洋蔥細胞液含有色素，可以更好地觀察實驗結果，所以不能用無色洋蔥來做這個實驗。

生2：我認為也可以選擇無色洋蔥來做這個實驗，但要對洋蔥進行染色，不過這樣實驗就更復雜了。

師：對，在實驗過程中為了更好地觀察，我們往往選用顏色較深的洋蔥外層，洋蔥越往里顏色越淺，不好觀察。但是在實驗過程中我們發現，撕取表皮細胞時很容易將細胞撕破，并且帶有很多葉肉不好觀察，加上要用最外層的材料，導致實驗材料嚴重浪費。對于這一情況，你能改進嗎？

學生陷入沉思，都在思考怎樣來改進。此時教師組織學生交流、討論，鼓勵學生大膽表達自己的觀點和想法。師生共同探討，最終得到改進方案：對洋蔥內表皮顏色淺的材料，可以將紅墨水加入蔗糖溶液中開展實驗，便于觀察。對于表皮細胞和葉肉細胞結合緊密的情況，將洋蔥鱗片葉從鱗莖上全部剝離下來后，將上表皮朝外曬一曬，可以蒸發掉葉片的一部分水分，葉片變軟后葉肉細胞和表皮細胞的結合沒那么緊密，這時就很容易撕取完整的表皮細胞。

（設計意圖：通過引導學生改進實驗方案，訓練學生的實驗自主設計能力，提供改進實驗方案的思路，鼓勵學生從改進實驗材料、實驗試劑與裝置以及實驗步驟等方面思考。對實驗材料的改進，教師首先引導學生對實驗材料產生的效果加以分析，然后從效果呈現、操作等方面分析材料的不足，從而找出更容易觀察或者操作更簡單的材料。）

（五）課堂總結

完成生物學實驗后引導學生結合自己完成的實驗嘗試解釋教學一開始提出的問題：餃子餡加入鹽之后為什么會出水？糖拌西紅柿為什么也會出水？引導學生思考、討論。

生：成熟的植物細胞可以組成滲透系統，相當于半透膜。液泡內部的細胞液和外界溶液會產生濃度差，此時會發生滲透作用，細胞會出現吸水和失水。當外界濃度比細胞液濃度大時，細胞會失水，當外界濃度比細胞液濃度小時，細胞會吸水。糖拌西紅柿和加鹽餃子餡的外界濃度都比細胞液濃度大，因此細胞失水，就出現了出水現象。

（設計意圖：總結整個課堂教學內容，凸顯課堂的首尾連接;讓學生運用所學知識解釋課堂剛開始提出的問題，凸顯知識的實用性，提升學生運用生物學知識解決現實問題的能力。教師也能通過這個環節了解學生對知識的掌握程度。）

四、教學反思

（一）成功之處

本次實驗教學的過程，有一定的成功之處：通過創設趣味情境導出新課，激發了學生的學習興趣，在實驗過程中凸顯學生的主體性。

1.創設趣味情境，激發學生的學習興趣

情境創設是構建有效課堂的重要因素，新課標也強調要創設問題探究的情境，增強學生的體驗感。生物學實驗自主設計對學生提出了更高的要求，這就導致部分學生對生物學實驗教學產生了抵觸、排斥的心理，缺乏設計實驗的興趣和動機。針對這一問題，筆者結合學生的現實生活和學習需求創設實驗探究的真實情境，將學生設計生物學實驗的動機激發出來，以情境引導學生主動思考、探索，實現從“要我設計”到“我要設計”的轉變。以趣味的小實驗吸引學生的注意力，并借助生活中糖拌西紅柿、餃子餡的案例提出問題，引出“水分進出植物細胞”的實驗課題，激發學生的學習興趣。

2.突出學生主體性，讓學生自主設計實驗

在本次實驗教學中，凸顯學生自主思考和探究的過程，給予學生廣闊的思考、探索空間，引導學生經歷提出問題、做出假設、實驗驗證、實驗改進、實驗總結的過程，讓學生掌握實驗探究的一般方法和步驟，提升學生的實驗能力和素養。在實驗探究過程中凸顯學生的主體性。教師引導學生自主設計實驗方案，突出“探究”的過程，幫助學生理解和領會科學探究的過程，提升學生做出假設、設計實驗方案的能力。筆者在必要時發揮引導、啟發作用，讓學生自主設計實驗方案，明確實驗步驟，并引導學生改進實驗方案，有效拓展實驗內容，引導學生交流、探討和實踐，從而獲得新知識。

（二）不足之處

本次實驗教學也存在一定的不足，學生對實驗探究的基本步驟比較陌生，教師要系統展示探究實驗的步驟和過程，讓學生明確實驗設計的流程和方向，減少學生的迷茫。另外，實驗操作方面存在問題：學生平時接觸實驗儀器、進行實驗操作的機會較少，因此在操作顯微鏡、制作洋蔥表皮臨時裝片以及引流的過程中存在一定的問題，對實驗步驟掌控不到位，導致實驗操作的過程不夠流暢，并且在一定程度上影響了最終的實驗現象觀察。教師應該及時給予幫助和指導，規范學生的實驗操作。

（作者單位：天水市第三中學）

編輯：趙文靜