生物實驗教學：基于疑問，促進理解

摘 要：為達到“理解”這一教學目標，最好的設計應該“以終為始”，從學習結(jié)果（預期目標）開始逆向思考，其基本步驟為：確定預期的學習結(jié)果，尋找合適的評估證據(jù)，安排合理的教學活動。教學“探究植物細胞的吸水和失水”實驗時，嘗試基于學生的疑問，按照基本步驟進行教學設計，以促進學生對教學內(nèi)容的深刻理解。

關(guān)鍵詞：高中生物學；實驗教學；《探究植物細胞的吸水和失水》

美國課程改革專家威金斯和麥克泰倡導“通過設計促進理解”（簡稱“UbD”）的教學設計理念。［1］他們認為，為達到“理解”這一教學目標，最好的設計應該“以終為始”，從學習結(jié)果（預期目標）開始逆向思考，其基本步驟為：確定預期的學習結(jié)果，尋找合適的評估證據(jù)，安排合理的教學活動。［2］

教學人教版高中生物學必修1中的《探究植物細胞的吸水和失水》一課，筆者嘗試基于學生的疑問，按照上述步驟進行教學設計，以促進學生對教學內(nèi)容的深刻理解。

一、 確定預期的學習結(jié)果

學習結(jié)果包括將要學習的知識內(nèi)容以及獲取相關(guān)知識所需要掌握的技能，同時包括獲取知識的相關(guān)過程以及評價指標。

關(guān)于“探究植物細胞吸水和失水”，《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》聚焦的大概念、重要概念、次位概念依次是：細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實現(xiàn)增殖；物質(zhì)通過被動運輸、主動運輸?shù)确绞竭M出細胞，以維持細胞的正常代謝活動；闡明質(zhì)膜具有選擇透過性。［3］解讀課標要求，我們可以確立如下學習結(jié)果：理解滲透作用的原理和質(zhì)壁分離現(xiàn)象發(fā)生的條件；掌握探究實驗的設計思路、控制自變量和無關(guān)變量、觀察和檢測因變量、設置對照組和實驗組、設置重復實驗等科學探究能力。學生需要思考：教材中該實驗的選材是從哪些方面考慮的？選擇不同的實驗材料，能否獲得預期的實驗結(jié)果？選擇不同的實驗試劑，是否會有不同的實驗結(jié)果？在此基礎(chǔ)上，確定本節(jié)課的學習目標：

（1） 舉例說明日常生活中植物細胞吸水和失水的現(xiàn)象，從而通過直觀感受理解滲透作用的原理；

（2） 通過探究實驗，進一步掌握自變量、無關(guān)變量的科學控制方法，掌握因變量的觀察和檢測，掌握設置實驗對照組和重復實驗，并能很好地將本次實驗的方法和技能遷移應用于其他探究活動；

（3） 基于對教材實驗的重新改進和設計，認同科學探究既要繼承前人的科學成果，也要勇于提出質(zhì)疑并富有創(chuàng)新精神，不斷探索。

二、 尋找合適的評估證據(jù)

評價學習目標的達成度，一般以評價學生的探究行為為主要形式，具體包括語言表達的精準程度、實驗設計的邏輯性、實驗操作的規(guī)范性、數(shù)據(jù)收集及分析的合理性、學習活動的參與度、評估與反思的深度等。為檢測預期學習結(jié)果，教師需要思考多種評估方法以收集證據(jù)。

本節(jié)課，使用了多種評估方法，具體如下：

1. 提問。具體表現(xiàn)和證據(jù)為：（1） 水分進出植物細胞是否屬于滲透作用？（2） 原生質(zhì)層與半透膜的比較（異同）。

2. 觀察。具體表現(xiàn)和證據(jù)為：分組完成相應的實驗內(nèi)容，并通過實驗現(xiàn)象分析比較實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論。

3. 表現(xiàn)性任務。具體表現(xiàn)和證據(jù)為：（1） 運用所學的滲透現(xiàn)象的理論知識合理解釋植物細胞吸水和失水，并歸納質(zhì)壁分離發(fā)生的條件；（2） 將本實驗的實驗方法遷移至其他探究活動；（3） 小組合作，將本組實驗結(jié)果通過實驗報告分享交流。

4. 其他。具體表現(xiàn)和證據(jù)為：（1） 正確完成課后習題；（2） 撰寫實驗觀察報告。

三、 安排合理的教學活動

根據(jù)制定的學習目標和評估證據(jù)，明確學生應該掌握的知識和技能后，接下來就需要抓住核心問題，設計相應的學習活動。其間，我們必須思考幾個關(guān)鍵問題：學生要有效地開展學習并獲得預期的學習結(jié)果，需要哪些知識（事實、概念、原理等）和技能（過程、步驟、策略等）？哪些活動可以使學生獲得所需的知識和技能？根據(jù)表現(xiàn)性目標，需要教授哪些內(nèi)容，指導學生做什么，以及如何用最恰當?shù)姆绞介_展教學？要完成這些目標，哪些材料和資源是最合適的？

關(guān)于“探究植物細胞的吸水和失水”實驗”，學生普遍存在這樣三點疑問：（1） 植物細胞的質(zhì)壁分離實驗的選材除了教材中的紫色洋蔥鱗片葉外，是否有其他材料替代？（2） 實驗試劑除了質(zhì)量分數(shù)為30%的蔗糖溶液外，能否選擇其他試劑？（3） 植物細胞的原生質(zhì)層相當于半透膜，如何直觀化？這些疑問就是學生需要理解之處。據(jù)此，本節(jié)課設計了如下學習活動：（1） 探究植物細胞沒有明顯液泡是否發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象；（2） 探究教材中選擇的蔗糖溶液濃度為0.3 g/mL的理由；（3） 探究是否可以用0.05 g/mLNaCl溶液替代0.3 g/mL蔗糖溶液。

（一） 探究植物細胞沒有明顯液泡是否發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象

分別選擇紫色的洋蔥鱗片葉外表皮和黑藻葉片細胞（其他實驗條件不變）進行實驗。具體結(jié)果見表1。

從取材方面考慮，黑藻可以直接取材，不用撕取，節(jié)省了時間。從觀察效果角度來看，由于黑藻細胞較小，整個實驗觀察都必須在高倍顯微鏡下進行，能幫助學生鞏固顯微鏡的使用。從實驗過程角度來看，學生通過觀察黑藻葉片細胞葉綠體的形態(tài)和位置，提出猜想（黑藻的液泡是無色的），并且通過后期文獻考證，驗證了這一猜想。

（二） 探究教材中選擇的蔗糖溶液濃度為0.3 g/mL的理由

分別配制不同質(zhì)量分數(shù)的蔗糖溶液（0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL、0.4 g/mL、0.5 g/mL）進行實驗。具體結(jié)果見表2。

可以看到在不同濃度的蔗糖溶液中，紫色洋蔥外表皮發(fā)生質(zhì)壁分離和清水復原的時間有所不同。其中，0.2g/mL、0.3g/mL、0.4g/mL這三個濃度都能使細胞發(fā)生質(zhì)壁分離和清水復原現(xiàn)象；而根據(jù)時間長短，最合適的濃度為0.3g/mL、0.4g/mL。通過本次實驗，學生考證了教材選擇0.3g/mL的蔗糖溶液是有依據(jù)的，也證明了科學實驗講究實踐檢驗。學生還從實際操作中總結(jié)出，滴加蔗糖這一步驟是在載物臺上進行的，而蔗糖本身具有一定的黏度，在操作過程中要注意滴加量的問題，以免污染鏡頭。

（三） 探究是否可以用0.05g/mL NaCl溶液替代0.3g/mL蔗糖溶液

分別選擇0.3g/mL蔗糖溶液和0.05g/mL NaCl進行實驗。具體結(jié)果見表3。

可以看到：紫色的洋蔥外表皮細胞在0.05g/mLNaCl溶液中能發(fā)生質(zhì)壁分離并能自動復原。本實驗中選擇0.05g/mLNaCl溶液，是學生通過文獻查閱發(fā)現(xiàn)的。而通過實際操作，學生發(fā)現(xiàn)，該濃度下發(fā)生質(zhì)壁分離和復原的時間較長。因此，學生在本實驗的基礎(chǔ)上進一步提出，完成紫色洋蔥外表皮細胞在不同濃度的NaCl溶液中質(zhì)壁分離和復原現(xiàn)象的探究實驗。這也很好地體現(xiàn)了通過本次實驗，學生在掌握探究實驗基本知識和技能的同時，完成了知識的遷移。這是在理解的基礎(chǔ)上進一步的深度學習。

本冊教材中的探究實驗很多，而面向的高一學生普遍還沒有很好的實驗習慣和實驗素養(yǎng)，因此，“探究植物細胞吸水和失水”實驗特別具有科學探究的實踐意義。而本節(jié)課設計的體驗活動，是立足學生的疑問生成的。這3組實驗內(nèi)容可操作性強，學生可以按照各自感興趣的內(nèi)容自由組合。這是一種內(nèi)驅(qū)力促動下的科學探究，能夠讓學生自主找到需要的答案，并在此基礎(chǔ)上深入探究實驗內(nèi)容，同時還能將所學方法遷移，體驗科學家的思考。

參考文獻：

［1］［2］ 格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰.理解為先模式——單元教學設計指南（一）［M］.盛群力，沈祖蕓，柳豐，等譯.福州：福建教育出版社，2018：7，18.

［3］ 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：13.