基于探究能力培養(yǎng)的初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)增設(shè)與改進(jìn)

□山東省青州市東高初級(jí)中學(xué) 馮學(xué)芹

生物學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)學(xué)科，而實(shí)驗(yàn)是初中生物教學(xué)的重要內(nèi)容，需要學(xué)生充分運(yùn)用探究能力在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中不斷探索，使實(shí)驗(yàn)不再是再現(xiàn)生物現(xiàn)象、追溯生物理論起源的工具，而是發(fā)揮促進(jìn)學(xué)生探究能力與生物素養(yǎng)發(fā)展的作用。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)初中生生物探究能力的重要途徑，對(duì)科學(xué)思維、探究實(shí)踐等核心素養(yǎng)發(fā)展都具有重要意義。但從培養(yǎng)探究能力視角來分析當(dāng)前教材中的生物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)諸多不恰當(dāng)、不合理之處，如知識(shí)銜接不連貫、取材不方便、操作復(fù)雜、不易觀察等。鑒于此，教師需要結(jié)合探究能力培養(yǎng)理念與目標(biāo)，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在的不足進(jìn)行彌補(bǔ)，通過增設(shè)與改進(jìn)兩種手段優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高探究能力培養(yǎng)效果，加速核心素養(yǎng)生成。

一、基于探究能力培養(yǎng)的初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)增設(shè)策略

濟(jì)南版初中生物教材涉及多種類型實(shí)驗(yàn)，如觀察實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)等，并在每部分知識(shí)中明確具體實(shí)驗(yàn)類型。如，七年級(jí)上冊(cè)“綠色植物的呼吸作用”板塊要求通過演示實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)“植物的呼吸作用”。雖然明確且詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠使實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有準(zhǔn)確的思路，但會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)類型與知識(shí)不匹配情況。

濟(jì)南版七年級(jí)下冊(cè)“尿液的形成和排出”一課是關(guān)于人體代謝廢物排出體外方式的內(nèi)容，其中復(fù)雜的泌尿系統(tǒng)、腎結(jié)構(gòu)與功能很容易出現(xiàn)記憶混亂，加之血液在腎單位中的流動(dòng)具有抽象性，增加了學(xué)習(xí)難度，是教材中的重難點(diǎn)。但從教材內(nèi)容來看，本部分知識(shí)的敘述簡單，僅設(shè)計(jì)了簡單的演示實(shí)驗(yàn)，方便學(xué)生直觀地觀察腎結(jié)構(gòu)。而腎單位復(fù)雜的組成、腎單位內(nèi)血液流動(dòng)、尿液的形成、泌尿系統(tǒng)組成均給出示意圖與文字說明，但缺少真實(shí)感與動(dòng)態(tài)性，對(duì)于目前抽象思維能力較弱的初中生來講理解難度大，不利于學(xué)生對(duì)重要概念的理解。為此，教師應(yīng)增設(shè)模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解知識(shí)，促進(jìn)學(xué)科概念與探究能力的生成。

（一）模擬腎單位

腎臟是人體內(nèi)生成尿液的器官，而形成尿液最基本的單位為腎單位，每個(gè)腎臟內(nèi)包含約100 萬個(gè)腎單位。為了配合文字內(nèi)容直觀、形象地還原腎單位情況，教師可以使用氣球、紅色包裝繩、保鮮袋材料等，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手操作模擬腎單位，完成組成結(jié)構(gòu)模型的制作，方便學(xué)生對(duì)腎單位產(chǎn)生直觀的了解，后續(xù)以更精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型來觀察血液在腎單位內(nèi)的流動(dòng)方向與尿液流出的位置。在每組模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師向?qū)W生展示制作的模型，要求各小組結(jié)合對(duì)概念與理論內(nèi)容的理解進(jìn)行相互點(diǎn)評(píng)，糾正模型中的錯(cuò)誤。

模擬實(shí)驗(yàn)賦予了學(xué)生主動(dòng)構(gòu)思、交流討論、實(shí)踐探究、分享評(píng)價(jià)的機(jī)會(huì)，使學(xué)生對(duì)關(guān)于腎單位結(jié)構(gòu)的理解與分析更加深入，為后續(xù)探究尿液的形成做好鋪墊。

（二）模擬尿液形成

教材給出了尿液形成示意圖，通過對(duì)比血漿、尿液、原尿成分及含量差異對(duì)尿液形成過程做出分析。但尿液形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，數(shù)據(jù)、圖示、文字說明僅能起到輔助理解的作用，探究血液流經(jīng)腎小球后經(jīng)濾過進(jìn)入腎小囊腔的成分、原尿流經(jīng)腎小管后經(jīng)重新吸收回到血液的成分應(yīng)以動(dòng)態(tài)形式演示。為了改善教學(xué)現(xiàn)狀，常有教師配合動(dòng)畫視頻，但難以使學(xué)生真實(shí)地感受尿液的形成。為此，教師應(yīng)組織學(xué)生開展模擬實(shí)驗(yàn)，制作尿液形成模型。

1.模擬實(shí)驗(yàn)材料。

提供圖示與視頻資料，提供透明軟管、透明塑料紗網(wǎng)、電池、高錳酸鉀溶液、卡扣式尼龍?jiān)鷰А 形塑料三通接頭等材料。

2.模擬實(shí)驗(yàn)方法。

取一只瓶口帶管狀出口的塑料瓶，截取上半部分作為腎小囊外壁；在塑料瓶內(nèi)部放置透明塑料紗網(wǎng)作為腎小囊內(nèi)壁，將軟管套入出口作為“腎小管”；在“腎小管”偏下位置安裝T 形塑料三通接頭，并接入新的軟管（1 號(hào)），三通接頭的下開口需要采用合適的材料封堵，避免因液體泄漏而影響模擬尿液流出過程；通常采用蠟，將其封堵后，經(jīng)“腎小球”過濾原尿，順利流向1 號(hào)軟管，而其他原尿則從“腎小管”末端流出，方便學(xué)生觀察尿液流出時(shí)腎小管上下段流經(jīng)液體量的差異，理解腎小管具有重新吸收原尿的作用。

取一條直徑為7mm 的透明軟管作為血管，并將其放置在“腎小囊”中，其中一段處于彎曲狀態(tài)，延伸外側(cè)部分，右邊為腎靜脈，整體結(jié)構(gòu)為腎小球；“腎小球”能夠流出液體，需要用針在軟管上穿孔，使學(xué)生理解腎小球是如何發(fā)揮作用的，理解原尿經(jīng)腎小球?yàn)V出。在腎小球的軟管上接入T 形三通，并接入新的軟管（2 號(hào)）。準(zhǔn)備黑木板，在頂部偏中心位置鉆口。利用卡扣式尼龍?jiān)鷰В瑢ⅰ澳I小囊”“腎小管”固定。兩者內(nèi)的液體均需要在微型水泵的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生流動(dòng)效果，因此，還需在木板上鉆孔，孔位與1 號(hào)、2 號(hào)軟管位置對(duì)應(yīng)，使軟管穿過孔后能夠與水泵連接。其中1 號(hào)軟管置入燒杯，2 號(hào)軟管需連接水泵。

將“血管”與微型水泵連接，通過微型水泵完成心臟血液輸送情況模擬，使學(xué)生觀察血液從心臟產(chǎn)生后按照腎動(dòng)脈→入球小動(dòng)脈→腎小球→出球小動(dòng)脈→毛細(xì)血管網(wǎng)→腎靜脈的順序流動(dòng)，并直觀地觀察流動(dòng)方向。

為了逼真模擬尿液形成與流出的過程，可采用高錳酸鉀溶液模擬“血液”。為了使學(xué)生觀察腎小球的過濾作用，可利用高錳酸鉀溶液遇維C 后立即變?yōu)闊o色特性，在“腎小囊”內(nèi)放入維生素C 片，從而真實(shí)地還原腎小球的過濾效果，引導(dǎo)學(xué)生從生物學(xué)視角分析這一現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解因毛細(xì)血管壁無法透過血細(xì)胞與大分子蛋白質(zhì)而導(dǎo)致原尿與尿液均為無色。

3.模型應(yīng)用方法。

完成模型制作后，探究模型的應(yīng)用，動(dòng)態(tài)還原尿液的形成與流出過程。將維生素C 片放在“腎小囊”中，準(zhǔn)備兩臺(tái)微型水泵與兩個(gè)大燒杯，燒杯中裝有高錳酸鉀溶液。其中一臺(tái)水泵置入裝有高錳酸鉀溶液的燒杯，模擬心臟造血，水泵啟動(dòng)后，較多的“血液”流經(jīng)“腎小囊”內(nèi)的“血管”，與此同時(shí)能夠看到“腎小管”內(nèi)有“原尿”（透明液體）流入，上段液體量大、下段液體量少，僅有少部分從管末端流出。另一臺(tái)水泵同樣置入裝有高錳酸鉀溶液的燒杯中，為出球小動(dòng)脈注入供血，使供血量與1 號(hào)軟管分流液體相等，則實(shí)現(xiàn)“腎靜脈”流出血液同尿液總量與流入血液里的相等。

通過增設(shè)“尿液形成和排出”模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在動(dòng)手操作、模型演示中探究了尿液形成時(shí)腎小球發(fā)揮過濾血液功能、腎小管發(fā)揮重新吸收原尿功能，既使學(xué)生充分理解重點(diǎn)知識(shí)，也對(duì)其探究能力進(jìn)行了有效培養(yǎng)。但本次實(shí)驗(yàn)仍有遺憾，未能尋找到可以懸浮在水中的顆粒，導(dǎo)致毛細(xì)血管壁阻攔血細(xì)胞與大分子蛋白質(zhì)濾過現(xiàn)象無法再現(xiàn)，因此，模擬實(shí)驗(yàn)還有待改進(jìn)之處。

二、基于探究能力培養(yǎng)的初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)策略

在發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)取材、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟不合理時(shí)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)既能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造更合適的探究條件，也能夠引導(dǎo)學(xué)生聚焦實(shí)驗(yàn)的不合理之處，共同探究改進(jìn)方法，提高探究能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果。

（一）“觀察植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

“觀察植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)是設(shè)置在濟(jì)南版七年級(jí)上冊(cè)“細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能”一課的分組實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用顯微鏡觀察洋蔥細(xì)胞，所采用的實(shí)驗(yàn)材料為洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮。在引導(dǎo)學(xué)生按照教材給出的方法步驟進(jìn)行操作時(shí)發(fā)現(xiàn)諸多問題，采用從一側(cè)滴碘液形式染色時(shí)，需要從另一側(cè)用紙將碘液吸過去，而在“吸過去”時(shí)，如果將蓋玻片內(nèi)的碘液全部吸干，學(xué)生觀察時(shí)會(huì)看到諸多大氣泡，有時(shí)氣泡甚至掩蓋洋蔥細(xì)胞，從而誤導(dǎo)學(xué)生將氣泡認(rèn)作細(xì)胞，無法準(zhǔn)確觀察、總結(jié)洋蔥內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn)。

基于上述情況，教師在實(shí)驗(yàn)后與學(xué)生一同探究改進(jìn)策略，解決洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞臨時(shí)裝片內(nèi)氣泡問題，共探索兩種改進(jìn)策略：

1.在制作臨時(shí)裝片時(shí)，向玻片上滴兩滴清水，保證加蓋玻片后內(nèi)部空間能夠保持水分充盈，以此減少氣泡，以起到增強(qiáng)細(xì)胞活性的作用，方便學(xué)生觀察細(xì)胞。

2.改進(jìn)染色方法，滴入碘液時(shí)無須再將水分吸干，但需要調(diào)整裝片角度，將其傾斜10°左右，盡量保持在10°，否則會(huì)影響染色效果。在高的一側(cè)于裝片中間的縫隙處滴入碘液。因存在傾斜角度，碘液會(huì)從一側(cè)流向另一側(cè)，流于裝片外側(cè)的碘液可以用紙巾擦拭，但無須吸裝片縫隙部位的碘液，確保蓋玻片范圍內(nèi)有充盈的液體，避免產(chǎn)生大量臨時(shí)氣泡。

同時(shí)，在按照教材方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中，有學(xué)生未觀察到細(xì)胞核，分析原因后發(fā)現(xiàn)，在制作臨時(shí)裝片過程中，教材給出的方法提到撕取洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮，由于面積過大，導(dǎo)致加裝蓋玻片后，有表皮處于玻片外側(cè)，加之觀察范圍內(nèi)容易出現(xiàn)氣泡，對(duì)觀察造成干擾。并且，撕取獲得的表皮易發(fā)生卷曲，而學(xué)生實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)較少，在玻片上無法展平表皮時(shí)，卷曲的表皮會(huì)使其觀察到重疊細(xì)胞，這也會(huì)發(fā)生看不到細(xì)胞核的情況。基于此，教師可與學(xué)生共同嘗試?yán)玫镀o助獲得洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮，先劃取邊長1cm 的正三角形內(nèi)表皮，將其取下后平鋪在滴有清水的載玻片上，取出解剖針在表皮上輕輕壓幾下，將氣泡排出。

通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，有效預(yù)防了在觀察植物細(xì)胞過程中氣泡、染色、表皮處理不當(dāng)?shù)痊F(xiàn)象對(duì)學(xué)生視野的干擾，使學(xué)生的觀察更直觀、更清晰，準(zhǔn)確地總結(jié)出洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特征，達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，優(yōu)化學(xué)生的探究體驗(yàn)。

（二）“觀察雞蛋結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

“觀察雞蛋結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)是設(shè)置在濟(jì)南版八年級(jí)上冊(cè)“鳥的生殖和發(fā)育”一課的分組實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要材料為生雞蛋，要求學(xué)生剝開雞蛋的一部分外殼，觀察卵殼、卵殼膜、氣室等結(jié)構(gòu)，繼而分析雞的生殖與發(fā)育方式。但按照教材所示實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行操作時(shí)，出現(xiàn)以下問題：

一是用解剖剪將鈍端蛋殼敲出裂紋后，利用鑷子將蛋殼取出，先對(duì)卵殼與外層卵殼膜進(jìn)行觀察，結(jié)束后再利用解剖剪將卵殼膜去除，以便觀察到內(nèi)部氣室。但學(xué)生在處理卵殼時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)不小心刺破卵殼膜的情況，導(dǎo)致卵白流出，使雞蛋內(nèi)外卵殼膜黏在一起，難以清晰地觀察氣室。

二是將雞蛋內(nèi)容物流入培養(yǎng)皿后，經(jīng)常因淺白色棉絮狀系帶過于渾濁影響學(xué)生觀察，甚至導(dǎo)致有些時(shí)候觀察不到系帶。因此，對(duì)于文字所描述的系帶的作用學(xué)生很難理解。同時(shí)，也有一些蛋的胚盤被壓在下面，需要先將卵黃翻過來再觀察，但常因操作不當(dāng)而戳破蛋黃，蛋黃一旦損壞將無法進(jìn)行后續(xù)觀察。因此有些學(xué)生因害怕?lián)p壞蛋黃而不敢操作。

三是蛋沒有明顯的卵黃膜，影響觀察。

針對(duì)以上問題，教師可采取以下改進(jìn)策略，優(yōu)化學(xué)生探究條件，使實(shí)驗(yàn)切實(shí)發(fā)揮輔助學(xué)生理解、提煉知識(shí)，掌握重要概念、培養(yǎng)核心能力等作用。

第一步，取雞蛋后不急于剖開卵殼，先通過放大鏡觀察卵殼表面光滑與否，并改敲擊鈍端為敲擊中部，輕敲出裂紋后，利用剪刀端部整齊的修整卵殼與卵殼膜，形成長約4cm、寬約3cm 的橢圓形缺口。與鈍端設(shè)置缺口相比，范圍有所擴(kuò)大，更方便觀察雞卵內(nèi)部結(jié)構(gòu)。允許學(xué)生采用無針頭的注射器將卵白吸出少許，放置在培養(yǎng)皿內(nèi)觀察，避免出現(xiàn)卵白漏出情況，同時(shí)方便學(xué)生清晰地觀察卵黃懸浮在雞卵中央的位置。為避免胚盤朝下需要翻轉(zhuǎn)問題，可以借助LED小電筒輔助觀察，透過光線看到位于卵黃兩側(cè)的系帶以及白色胚盤。

第二步，需要翻轉(zhuǎn)卵黃時(shí)，可利用玻璃棒輕輕撥動(dòng)，甚至可以與同學(xué)配合嘗試翻轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)無論轉(zhuǎn)動(dòng)還是翻轉(zhuǎn)，卵黃仍然處于中央位置。

第三步，實(shí)驗(yàn)中改直尖解剖剪為彎尖解剖剪，在與卵黃兩端有一定距離的位置剪斷系帶，利用玻璃棒隨意撥動(dòng)，觀察卵黃可以停留在雞卵內(nèi)的任何位置上，從而使學(xué)生理解系帶對(duì)卵黃的支撐作用。

第四步，在缺口位置，用力掰開卵殼，使其一分為二，盡量避免氣室部分遭到破壞。將卵黃卵白分別取出，放置在培養(yǎng)皿內(nèi)等待觀察。先觀察卵殼鈍端，用清水處理含有鈍端的部分，觀察其上面存在約一角硬幣大小氣泡，并用手觸碰，感覺到氣泡內(nèi)真正有氣存在，從而直觀了解氣室。利用鑷子將氣室的卵殼膜取下，再將其敲碎，觀察碎片上還有一層與蛋殼內(nèi)部緊密結(jié)合的卵殼膜，由此可以判斷氣室位置有兩層卵殼膜，兩者處于分離狀態(tài)，故出現(xiàn)了氣室。

第五步，用鑷子將培養(yǎng)皿中卵黃結(jié)構(gòu)戳破，使卵黃流出，觀察收縮后的卵黃膜，為白色且有褶皺。等待卵黃全部流出后，用鑷子輕輕挑起卵黃膜，轉(zhuǎn)移到清水中，將其徹底清洗干凈，發(fā)現(xiàn)卵黃膜是白色的、薄薄的。

經(jīng)過改進(jìn)，較好地改善了實(shí)驗(yàn)方法的不足，解決了實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)的問題，減少了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中的干擾因素，使其感受到生物探究的樂趣，積累了豐富的探究經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)其探究能力的發(fā)展。

三、結(jié)語

綜上所述，初中生物實(shí)驗(yàn)的增設(shè)與改進(jìn)能夠有效處理教材實(shí)驗(yàn)存在的問題，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)上的缺陷，為學(xué)生創(chuàng)造合理且良好的探究基礎(chǔ)，提高實(shí)驗(yàn)探究效果。從實(shí)際效果可以看出，增設(shè)與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)生物知識(shí)的理解更加深刻，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也更有說服力，提高了實(shí)驗(yàn)操作與理論知識(shí)的一致性。因此，初中生物教師應(yīng)關(guān)注學(xué)科實(shí)驗(yàn)問題，對(duì)于不合理、不恰當(dāng)?shù)囊呻y實(shí)驗(yàn)或缺少實(shí)驗(yàn)的部分及時(shí)做出分析，采用增設(shè)與改進(jìn)手段進(jìn)行合理調(diào)整，使生物學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的特點(diǎn)呈現(xiàn)出來，真正發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生探究能力方面的作用。