基于學科核心素養的實驗教學改進和設計

摘 要：本文以教材實驗“菊花的組織培養”為基礎，探究一種新型的小麥開放式組織培養實驗方案，依據科學探究實驗的一般流程展開，逐步引導學生提出問題、設計實驗、實施實驗、分析結果、得出結論，旨在教學過程中培養學生的生物學學科核心素養。

關鍵詞：核心素養；植物組織培養；實驗探究

文章編號：1003-7586（2024）11-0046-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 教材分析及設計思路

“菊花的組織培養”實驗是

人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修3·生物技術與工程》（以下簡稱“教材”）第2章第1節的一個重要實驗，是植物學領域的基礎實驗課題之一。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：為幫助學生達成對大概念“細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產品”的理解，應利用植物組織培養技術培育菊花或其他植物幼苗并進行栽培。但據筆者調查，只有極少數的高中開展該實驗，主要原因是教材實驗對實驗設備和實驗場所要求較高，多數高中不具備開展實驗的硬性條件。

本課題以小麥為實驗材料，探究一種新型的開放式植物組織培養實驗方案，主要聚焦抑菌劑的選擇。

開放式植物組織培養技術是指向培養基中加入抑菌劑以達到滅菌目的，代替高壓蒸汽滅菌，并在開放環境中接種材料而無須使用超凈工作臺等大型實驗儀器的一種技術手段。^［1］本課題采用在實驗室培養的10日齡小麥幼苗作為外植體，選用山梨酸鉀、百菌清或次氯酸鈉溶液作為抑菌劑。學生在完成植物組織培養實驗操作的同時，通過小組實驗結果對比，選擇出一種種類和濃度合適的抑菌劑。本課題為探究性實驗，教師能夠通過小組實驗為學生探究性科學思維的培養打下良好基礎，學生能夠通過合作式學習培養自身團隊協作、動手操作和實驗探究能力。改進后的實驗簡化了操作步驟、降低了環境要求，可在普通高中內進行推廣，從而幫助學生深入了解植物組織培養的實驗流程及注意事項，為其對植物細胞工程知識的學習提供感性認識。

2 教學目標

（1）掌握植物組織培養技術的基本原理和實驗流程，理解植物細胞的全能性，培養學生的生命觀念。

（2）通過查閱資料選擇不同的抑菌劑，對原有實驗進行改進，培養創造性思維、探究性思維及批判性思維等科學思維能力。

（3）通過規劃實驗流程，培養自主探究能力；通過小組分工合作，領悟合作、交流討論等科學探究方法。

（4）面對社會熱點話題中與生物技術相關的問題，能夠基于所學知識提出自己的觀點和建議；體會科學研究的艱辛和成功的樂趣，初步養成求實、創新及勇于探究的科學精神和態度。

3 實驗方法創新點

3.1 實驗用具

本實驗采用一次性塑料杯和保鮮膜代替植物組織培養瓶，在減少成本的同時降低了植物組織培養實驗的操作門檻，使用日常工具即可完成實驗。

3.2 滅菌方法

教材實驗選擇高壓蒸汽滅菌鍋對培養基進行滅菌，所用器材昂貴且耗時較長，提高了實驗的開展難度。本實驗采用向培養基中加入抑菌劑的方法，能解決多數高中因器材不足而無法開展實驗的問題。

3.3 操作環境

教材實驗選擇超凈工作臺作為實驗場所，多數高中并沒有配備這類大型實驗儀器。本實驗采用在開放環境中噴灑酒精并在酒精燈火焰附近進行操作的方法，為實驗提供相對無菌的環境。

3.4 外植體處理

教材實驗外植體需在次氯酸鈉溶液中浸泡30 min。本實驗采用實驗室中培養的10日齡小麥幼苗作為外植體，在次氯酸鈉溶液中浸泡5 min，即可滿足實驗所需條件。筆者通過縮短浸泡時間，保證實驗探究操作能夠在一節課時內完成，從而提高教學效率。

4 教學過程

4.1 復習引入

教師基于上節課理論知識的學習，提出問題：“植物組織培養的操作過程包括哪幾個方面？”并引導學生以流程圖的形式記錄在實驗設計單上。

設計意圖： 學生通過復習

上節課的理論知識及實驗操作要點，為本節課程的實驗操作奠定基礎。

4.2 提出問題

教師結合流程圖，提出疑問：在沒有高壓蒸汽滅菌鍋和超凈工作臺的情況下，能否正常完成實驗？由學生代表介紹開放式植物組織培養技術的概念和原理后，教師引導學生積極思考以下兩個問題：①開放式植物組織培養實驗成功的關鍵操作之一在于外植體的選擇和消毒，以減少細菌等雜菌污染的可能性，為達到該目的，外植體的選擇有什么更好的方案？②抑菌劑的種類和濃度是實驗成功的另一個關鍵因素，對于不同的外植體，怎樣選擇抑菌劑和濃度？教師通過PPT展示幾類常用的抑菌劑（如山梨酸鉀、百菌清和次氯酸鈉溶液等），并要求學生以小組為單位，根據不同抑菌劑的特性，設計一個探究性課題，對適用于小麥開放式植物組織培養實驗的抑菌劑種類和濃度進行探究。

設計意圖：教師引導學生介紹開放式組織培養的相關知識，既能鍛煉學生的表達能力，又能激發其參加課堂活動的主動性和積極性。通過問題探討，學生能夠體會到實驗操作中各個環節的不同價值，在完成書本內容學習的同時，做到勤于思考、善于創新。

4.3 設計方案

教師講解實驗探究流程的注意事項，引導小組結合課前的預實驗結果合作完成實驗方案表（見表1）。教師展示具有代表性的實驗方案，并進行講解和指導。教師匯總班級同學實驗方案，按照實驗方案將學生分為3個大組，每個大組分成3個小組。3個大組分別探究山梨酸鉀、百菌清和次氯酸鈉溶液3種不同抑菌劑在小麥開放式組織培養中的抑菌效果，大組內的3個小組分別探究不同濃度的同種抑菌劑對抑菌效果的影響。每個小組進行3組平行實驗，以減小實驗誤差。

設計意圖：學生通過合作設計實驗方案，體會到實驗設計中的單一變量原則和空白對照原則，并在設計和修正實驗設計的過程中，培養應用邏輯、比較、分析、歸納等科學思維解決生物學問題的能力。

4.4 動手操作

教師在課前配制好

MS液體培養基和不同濃度的抑菌劑，并置于60℃水浴鍋中恒溫保存。小組成員分工協作向液體培養基中加入不同種類及不同濃度的抑菌劑，并完成液體培養基的分裝、處理外植體、接種外植體等操作。教師在巡視的過程中及時指出并糾正學生的不規范操作。操作結束后，學生將塑料瓶置于明亮的窗口附近培養，室內溫度維持在18～22℃。

設計意圖：學生通過實施實驗方案，在實驗過程中體會實驗的具體操作及注意事項，培養動手能力和團隊協作能力。

4.5 交流反思

小組成員每隔2 d觀察記錄一次實驗外植體的生長情況，及時處理污染苗。連續觀察20 d后，各小組匯總實驗數據，得出實驗結果。每個大組選擇一位代表使用匯總表對本組實驗結果進行展示（見表2）。學生通過對實驗結果進行對比分析及總結歸納，最終得出選擇濃度為1％的次氯酸鈉溶液作為本實驗的抑菌劑效果最佳。在學生得出實驗結論的同時，教師還需對學生在實驗過程中產生的新問題進行補充，如：①本實驗的因變量是否僅為培養基的污染情況？②若要獲得完整的愈傷組織，在此實驗基礎上還應做何改進？③水杉是我國特有的國家一級保護野生植物，結合該實驗，是否能為水杉的繁育提供建議？教師將上述問題作為課后探究問題，引導感興趣的學生在課后查閱資料并尋找答案。

設計意圖：學生通過親身參與實驗的設計、實施、分析等流程，體會科學實驗的探究過程和方法。教師拋出問題，引導學生用科學思維解決問題，培養學生的科學思維。學生通過解決課后探究問題，進一步發展生物學學科核心素養中的科學探究和社會責任。

4.6 評價與反思

交流結束后學生填寫實驗評價量表（見表3），在評價中獲得有效的反饋信息，反思自己的表現。

設計意圖：教師遵循“學業評價促發展”的新課標基本理念，圍繞生物學學科核心素養，制訂本實驗評價量表。學生可以通過評價量表中的自我評價、小組互評及教師評價，認識自我、反思自我，并建立一定的自信。教師可以通過評價量表有效了解學生的核心素養發展情況，并以此為基礎反思自己在教學活動設計及教學過程中的問題，實現對教學過程的多元評價。

5 教學反思

本節課程以教材中“菊花的組織培養”實驗為基礎，通過查閱資料、問題引導、小組合作等方式對教材中的實驗方案進行了優化，探究了一種新型的小麥開放式組織培養實驗方案。與傳統植物組織培養流程相比，該實驗方案擺脫了實驗儀器的限制，具有高效率、易操作、成本低的優點，能夠在普通高中開展和普及。

本課題通過探究式教學，為學生提供了探究、自主、合作式相結合的學習機會。通過科學分組、合理分工，學生能夠高效完成實驗方案的設計、實驗操作的實施及實驗結果的分析等探究活動。本課題依據科學探究實驗的一般流程開展，學生在自主探究的過程中學會解決問題的方法，在獲得成就感的同時發展了科學思維和科學探究等生物學學科核心素養。但本實驗較難在一節課程時間內完成，且外植體的生長耗時較長，組織難度較大，后續仍需繼續優化實驗方案，以提升課堂教學效果。

參考文獻

［1］周亞輝. 植物組培新方法——開放式組織培養研究概況［J］. 中國園藝文摘，2018，34（6）：57-59.