高中生物學實驗專題復習的PBL實踐

王 君 胡景瑞 李錦山

(浙江省縉云中學)

一直以來,實驗都是選考復習的重、難點。教師在實驗專題復習的過程中,常將目標定位于掌握教科書實驗的流程以及相關實驗設計能力的提高,復習方式主要是講授和大量練習。學生在教師講解實驗的過程中,只能想象實驗操作和實驗結果,缺乏實驗體驗,很難學以致用,更難發展科學思維和科學探究素養,在選考中失分也較多。在新課標引領下的選考復習中,我們的實驗復習應該指向動手做實驗,并關注實驗內在的知識結構關聯以及學生學科素養能力的發展,這樣才更利于學生整體實驗能力的提升,突破實驗專題復習。

1.PBL教學法簡介

PBL是一套設計學習情境的完整方法,是以問題為導向、以學生為中心的教學教育方式。教學過程從一個亟待解決的問題出發,該問題被稱為驅動問題。把學習的過程放置到復雜、有意義的真實問題情境中,通過學生之間的相互討論、相互合作來解決該問題,最終培養學生自主學習、合作學習、終身學習的能力。其基本流程如圖。將PBL教學法應用于實驗復習,讓學生圍繞問題,以小組合作的方式展開探究,最終解決問題,對擴增課堂復習的容量、提高復習效率和提升學生生物學素養起到事半功倍的作用。

圖 PBL教學流程圖

2.PBL實驗復習實踐案例

下面以“探究環境因素對光合作用的影響”一節的復習為例,介紹高中生物學實驗專題復習的PBL實踐。

2.1 設置情境,提出問題

以人口增長與糧食危機、水稻和玉米等糧食作物的種植為情境,通過調查或網絡檢索獲取的資料,整理出農業生產上提高農作物光合作用強度的措施。在此基礎上提出問題:同是糧食作物,水稻固定低濃度的CO2能力比玉米差,不同CO2濃度對植物的光合作用有怎樣的影響呢?

設計意圖:求知欲的產生是學生認知的先決條件。由資料的收集到真實情境的展示再轉化為生物學科問題,提出本節的核心問題“CO2濃度與光合速率的關系如何”,并引導學生提出“CO2濃度越大光合速率越大”的假設,激發進一步探究的學習興趣。

2.2 制訂方案,合作探究

教師提供實驗材料:水稻綠色葉片,玉米綠色葉片,打孔器,注射器,清水,冰塊,不同濃度的碳酸氫鈉,精密pH試紙,臺燈,40 W燈泡3只,100 W燈泡3只,溫度計,3種顏色玻璃紙各2組,計時器,燒杯等(注意,冰塊、燈泡、玻璃紙等數量有限)。

教師分解核心問題:①如何選擇實驗材料?②如何獲得不同濃度的CO2進行對照實驗?③選擇什么作為指標檢測因變量?

學生實踐過程:自主選擇材料,并設計實驗。教師適時引導,注意組間異質。形成完整實驗設計后,展示并相互評價。

甲組設計的實驗步驟:①在暗處,將臺燈分別裝上100 W燈泡,放在不同的實驗臺上。取 100 mL 燒杯5個,均倒入70 mL不同濃度的碳酸氫鈉溶液,放在距臺燈10 cm的地方,此時不要開燈。②用打孔器將葉片打出直徑為0.5 cm的圓片若干。注意葉片的選擇,葉片的薄厚、顏色、鮮嫩程度要盡可能一致。③將小圓形葉片置于注射器中,拉動注射器,使其吸入清水,再推動活塞,排出殘留空氣。然后用手堵住注射器前部小孔,并緩緩拉動活塞,使小圓形葉片內的氣體逸出。這一動作可重復幾次。④將12片處理好的小圓形葉片,分別放入盛有清水的2個燒杯中,并置于暗處。這時的葉片由于細胞間隙充滿了水,應該全部沉到水底。⑤打開臺燈。⑥室溫以25℃為宜。⑦觀察并記錄同一時間內兩個實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量。

教師追問:①此實驗有哪些注意事項,如打孔、抽氣操作時要注意什么?②如何避免溫度對實驗的影響?③因變量的捕獲有其他方法嗎?

學生回答問題,并梳理實驗流程書寫的模板。

設計意圖:小組合作探究實驗,可以夯實學生的生物學知識,讓學生體會實驗過程,提升其創新思維、創造能力。實驗變量、實驗步驟均需學生自己討論分析合作探究獲得,學生們不必拘泥于現有的實驗操作步驟。這對培養學生的獨立思考能力和創新思維大有裨益。本節復習課中,我們將核心問題分解成問題串,以問題串的形式引領學生,逐步開展實驗,同時實驗結束也以問題串的形式進行細節落實和反思梳理。教學過程重探究、總結與反思,這樣利于基礎的夯實和思維的拓展。引導學生梳理實驗流程,有助于實現“授之以漁”的教學目標。

2.3 交流分享,反饋評價

教師引導學生完成任務:

任務①,討論為什么單位時間內上浮的葉片數量能代表光合速率大小,與甲組實驗變量設置相似,使用40 W燈泡的小組,實驗結果如何,兩組的差異性原因是什么。

任務②,設計實驗結果記錄表,見表1。尋找和自己小組實驗設計相比,符合“單因子”變量的小組,將兩組表格數據繪制成坐標圖,對比分析。整理實驗結果記錄的方式和模板。

表1 不同NaHCO3濃度下單位時間內氣泡冒出數量

任務③,思考生產實踐中,我們如何提高CO2濃度進而影響植物的光合作用?

學生討論,回答問題,圖形轉換,并整理實驗結果記錄方式和模板。

設計意圖:實驗復習中,要關注學生對實驗原理的分析、對實驗結果的記錄,也要引導學生注重實驗原理和結果在生活實踐中的應用。雖然學生實驗的自變量是CO2濃度,但因變量的測量手段并不唯一,學生選擇的植物種類、光照強度、光質也是不同的,這樣就存在了組間異質,小組間進行相互對照時,學生可以根據實驗變量的差異,借助生生評價和師生點評,發現問題,相互促進,發展批判性思維,同時深入理解實驗變量之間的聯系,得到更多的結論。三個不同層次任務的設計主要是圍繞科學探究素養展開的,見表2,旨在通過任務的完成聚焦科學探究素養的考查,提升答題能力。

表2 分析與討論題的科學探究素養和答題要求

2.4 總結延伸,回歸本質

整理各組的自變量設置,因變量檢測和無關變量控制方法,結合各組的實驗結果,與實驗假設和目的對比,總結本節實驗得到的結論,形成實驗報告。為了深入探討多因素對作物光合作用的影響,課后進行延伸實驗,4～5人小組自主設計探究還有哪些環境因素對光合速率有影響,它們之間有怎樣的聯系?如何進行多因素影響的實驗?

設計意圖:PBL教學能在很大程度上提高學生的學習能力,具體體現在“勤于設計,勤于觀察,勤于記錄,勤于分析,勤于總結”五個方面。本節最后的總結和延伸,通過梳理變量,引導學生透過實驗本質掌握研究事物的方法,形成實驗報告。

3.反思與建議

第一,從復習目的來看,實驗專題復習過程要立足學生核心素養的發展。實驗專題復習仍要著眼于“做”,讓學生真正的動手操作,才能有效落實復習目標。PBL教學倡導學生對實驗項目進行自主設計,使得學生能夠在實踐活動當中充分發揮創造性思維,同時讓他們分析解決問題的能力和實踐動手的能力也得到很大程度的提高,進而達到素質教育的目的。學生在做中學,在實驗中成長,形成正確的求知觀、探索觀、科學的態度觀。

第二,從復習手段來看,實驗專題復習應該有完整的體系。比如,每個實驗復習時,合理使用PBL教學流程范式,將要梳理的零散知識點穿插于實驗流程或在討論題中進行討論,這樣利于復習線索的把握“學有所依”和基礎知識的夯實。

表3 實驗專題復習的PBL實驗教學流程表

第三,從復習效果來看,實驗專題復習要能提升學生的解題能力。根據近年來的選考題分析,浙江實驗題考查是基于情境開展實驗的設計,可以考查實驗結果的記錄、結論的獲得、實驗原理的分析等。而這些方面都可以利用PBL教學法進行反復練習。復習時,我們可以利用現成的教學資源,引導學生發現可探究的問題。如在“葉綠素的提取和分離實驗”中,課本給出實驗材料是菠菜葉片,根據時令的不同,可選擇枯黃葉、莧菜葉等材料代替。學生在選擇不同實驗材料的過程中,能夠領會到實驗選擇的多樣性,實驗結果結論的可變性,實驗本身的多層次、多角度,從而能夠更好地去分析與歸納實驗。實驗步驟也可以拓展和創新,如“制作根尖細胞有絲分裂臨時裝片”實驗中的漂洗步驟去除,調整染色液濃度等,再引導學生分組實驗,對比分析實驗現象,得出實驗結論,進而加深學生對于實驗流程和實驗變量的理解,提升解題能力。

使用PBL教學流程進行實驗專題設計,要求師生均具有一定的實驗素養基礎。比如,情境的設置要合理,問題的提出要具有一定的探究意義,要符合“最近發展區”理論。又如,教師需要深入思考應該提供哪些實驗材料,如何提升小組合作與分工的有效性,如何設置指向高階思維發展的、有梯度的任務,如何確定適合的、新穎的拓展延伸實驗新方向等問題。

總之,實驗的考查是對學生生物學素養的考查,也是對學生運用實驗探究物質及其變化的本質和科學規律能力的考查,是生物學核心素養發展的重要體現。教學實驗復習的過程中,要落實學生的生物學素養的發展,就需要教師轉變實驗復習課的教學理念,運用更合適的教學方式,制造更多的動手機會,使用更豐富的教學評價方法,以提升復習效率,發展學生的生物學素養。