基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探究

摘要：高中生物課程的核心組成之一是生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)生物學(xué)大概念，提高學(xué)生生物核心素養(yǎng)，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力的重要途徑。本文以植物細(xì)胞失水和吸水實(shí)驗(yàn)為例，探究生物學(xué)科核心素養(yǎng)理念指引下實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力、動(dòng)手能力，提升學(xué)科素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)科魅力，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué) 探究能力 主體性 立德樹人 生命教育

一、設(shè)計(jì)意圖

人教版高中生物學(xué)課程設(shè)計(jì)的基本理念是以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，內(nèi)容聚焦大概念，教學(xué)過程中重視實(shí)踐過程，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中生物課程的核心組成之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能幫助學(xué)生更好地理解生物學(xué)大概念，增強(qiáng)學(xué)生生物核心素養(yǎng)，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)學(xué)習(xí)向能力提升轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。本文基于對(duì)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的理解、中學(xué)生物教學(xué)實(shí)際以及高中生認(rèn)知水平的充分考量，提出高中學(xué)生要具備實(shí)驗(yàn)探究能力，即在對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐后，能夠?qū)ο嚓P(guān)生物學(xué)問題進(jìn)行科學(xué)研究，如提出有價(jià)值的問題、分析問題、根據(jù)已有知識(shí)做出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論或做出解釋。通過對(duì)近些年高考試題的研究，我們發(fā)現(xiàn)高考對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查在不斷創(chuàng)新，考查形式更是靈活多樣，所涉及的題型大致可以歸納為三類：一是教材實(shí)驗(yàn)，主要是考查書本實(shí)驗(yàn)的基本原理、方法步驟、實(shí)驗(yàn)方案的修訂能力；二是以實(shí)驗(yàn)為背景的試題，主要是考查相關(guān)知識(shí)、科學(xué)思維以及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析能力；三是相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)、分析、評(píng)價(jià)，是對(duì)學(xué)生更高層次的考查。如2017年全國(guó)卷Ⅰ第29題，考查學(xué)生利用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法——放射性同位素標(biāo)記法探究一種新出現(xiàn)的病毒。還有2019年全國(guó)卷Ⅰ要求學(xué)生簡(jiǎn)要寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

因此，本文以高中生物學(xué)的第一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)“植物細(xì)胞失水和吸水”為背景，探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，讓學(xué)生真正成為實(shí)驗(yàn)課的主體，激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心，充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，從而提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)科魅力，落實(shí)學(xué)科育人價(jià)值。

二、問卷調(diào)查，了解學(xué)情

要想設(shè)計(jì)出符合學(xué)生發(fā)展需要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，首先要了解學(xué)生。于是我們學(xué)科組利用問卷星進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查活動(dòng)，在全校400名學(xué)生中隨機(jī)選取68名同學(xué)進(jìn)行“高中生物實(shí)驗(yàn)問卷調(diào)查”，調(diào)查結(jié)果顯示：有98.53%的同學(xué)對(duì)生物實(shí)驗(yàn)課很感興趣，并且非常期待走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室親自做實(shí)驗(yàn)；有72.06%的同學(xué)了解探究實(shí)驗(yàn)的一般步驟，100%的同學(xué)愿意積極參加實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，79.41%同學(xué)傾向于在實(shí)驗(yàn)課上自主探究，不拘泥于教材實(shí)驗(yàn)。基于學(xué)情分析，我們深刻體會(huì)到生物實(shí)驗(yàn)課一定要拋棄“講實(shí)驗(yàn)”，而要真正“做實(shí)驗(yàn)”。

三、設(shè)置情境，主動(dòng)探究

教材中選擇洋蔥外表皮作為實(shí)驗(yàn)材料，因其含有紫色的中央大液泡，便于觀察。學(xué)生質(zhì)疑：沒有紫色液泡的內(nèi)表皮是否有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？為了很好地解決這個(gè)問題，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)內(nèi)表皮進(jìn)行探究。因植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特殊性，無論是吸水或是失水，細(xì)胞的體積基本不變，但植物組織的變化就很明顯。相關(guān)題型的考查也經(jīng)常出現(xiàn)，有過考查馬鈴薯塊莖失水后是變軟還是變硬的習(xí)題。這對(duì)于沒有生活經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生很難理解。生物學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，為了使學(xué)生對(duì)這一現(xiàn)象有更清晰直觀的認(rèn)知，更是為了增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，筆者在課本原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了“蔥花”實(shí)驗(yàn)，利用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的美感來提升學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)的興趣。

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，都是實(shí)驗(yàn)教師提前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)材料、試劑、儀器等，教師“教實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生們“學(xué)試驗(yàn)”或者只做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。為了提升實(shí)驗(yàn)課的趣味性，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升其動(dòng)手能力，本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的材料洋蔥、大蔥、蘿卜、萵苣、土豆以及配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%、50%的蔗糖溶液，全部交給學(xué)生自己準(zhǔn)備。這樣一開始就讓學(xué)生參與進(jìn)來，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。教師還要要求學(xué)生自主復(fù)習(xí)課本中相關(guān)理論知識(shí)，如成熟植物細(xì)胞質(zhì)壁分離的內(nèi)因和外因、探究實(shí)驗(yàn)的一般步驟等，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠順利進(jìn)行創(chuàng)造有利條件。

四、實(shí)驗(yàn)課堂，開放有趣

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師先介紹實(shí)驗(yàn)原理、步驟、注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，甚至實(shí)驗(yàn)誤差都提前分析好等。學(xué)生按照規(guī)范的步驟進(jìn)行，不容許出錯(cuò)。老師欣賞的是按部就班、墨守成規(guī)的學(xué)生，學(xué)生成了不思考的機(jī)械操作者。很多時(shí)候，教師更是把探究實(shí)驗(yàn)做成了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，忽視了學(xué)生創(chuàng)新思想和行為的培養(yǎng)。這種教學(xué)模式?jīng)]有給學(xué)生思考的空間和余地，抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和思考的獨(dú)立性，久而久之，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的熱情就會(huì)消失，甚至?xí)X得生物知識(shí)的學(xué)習(xí)也枯燥乏味。而生物學(xué)科核心素養(yǎng)理念要求教師引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)思維，并獲得科學(xué)探究的能力。為了達(dá)成這一目標(biāo)，我們從問題情境出發(fā)，讓學(xué)生在問題情境中生疑、解惑，促進(jìn)學(xué)習(xí)，這樣才能使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂趣。例如，在植物細(xì)胞失水和吸水（質(zhì)壁分離）實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生按教材建議選擇紫色洋蔥鱗莖外表皮作為質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)的材料，現(xiàn)象明顯。但是在操作的過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)：外表皮難以撕取，易出現(xiàn)多層細(xì)胞、色素流失等問題，影響觀察效果。學(xué)生質(zhì)疑：高中生物教師用書中認(rèn)為新鮮的紫色洋蔥鱗莖外表皮是該實(shí)驗(yàn)較為理想的材料，而教材中沒有用其他材料進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探究，是不是其他材料就不合適？是否有其他材料可以替代？教師引導(dǎo)學(xué)生：在生物實(shí)驗(yàn)材料的選擇上要本著低成本、無污染、來源廣的原則。學(xué)生結(jié)合已有的科學(xué)文化知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)，提出問題：用沒有紫色液泡的內(nèi)表皮就真的觀察不到質(zhì)壁分離現(xiàn)象嗎？在求知欲的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生們將實(shí)驗(yàn)材料改為內(nèi)表皮，并通過適當(dāng)降低顯微鏡的亮度，清晰地觀察到了原生質(zhì)層與細(xì)胞壁分離及復(fù)原現(xiàn)象，而且材料非常容易撕取和制片。

教師繼續(xù)引導(dǎo)思考：能否通過改變實(shí)驗(yàn)試劑讓內(nèi)表皮也呈現(xiàn)顏色？很多同學(xué)想到在蔗糖溶液中加入紅墨水，預(yù)測(cè)能看到細(xì)胞壁和原生質(zhì)層之間是紅色的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了實(shí)驗(yàn)假設(shè)的合理性。

問題引領(lǐng)：質(zhì)壁分離現(xiàn)象發(fā)生的外因是細(xì)胞所處的外界溶液的濃度大于細(xì)胞液的濃度，而教材中用的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液，用其他濃度的溶液是否會(huì)發(fā)生該現(xiàn)象呢？學(xué)生利用提前配置的不同濃度的蔗糖溶液再次實(shí)驗(yàn)，自主分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液，細(xì)胞失水現(xiàn)象在1分鐘左右就可以呈現(xiàn)出來，且不易消失。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的蔗糖溶液，要5分鐘后才能看到原生質(zhì)層與細(xì)胞壁逐漸分離且沒有用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液現(xiàn)象明顯。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的蔗糖溶液，則失水太快，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察。由此可見，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液更適合做該實(shí)驗(yàn)。

教師要注意引導(dǎo)學(xué)生分析這一結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用，如，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究植物細(xì)胞液的濃度；分析當(dāng)植物細(xì)胞不再失水時(shí)或者不再吸水時(shí)，細(xì)胞液濃度與外界溶液濃度的關(guān)系；動(dòng)物細(xì)胞吸水和失水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，細(xì)胞質(zhì)濃度與外界溶液濃度的關(guān)系。從而促使學(xué)生將從實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)習(xí)的知識(shí)和總結(jié)的規(guī)律用于解決生物學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

五、拓展實(shí)驗(yàn)，精彩繼續(xù)

為了進(jìn)一步提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考：植物細(xì)胞吸水和失水后，細(xì)胞體積的變化不易觀察到，如何利用材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將這一微觀現(xiàn)象直觀化？提示學(xué)生將大蔥切成段，并將蔥段的一端剖成數(shù)瓣，分別放在清水和不同濃度的蔗糖溶液中。30分鐘后，學(xué)生驚喜地發(fā)現(xiàn)：在清水中大蔥開出美麗的“花”；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的蔗糖溶液中大蔥“開花”現(xiàn)象也較明顯；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的蔗糖溶液中大蔥“開花”現(xiàn)象不明顯；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液中大蔥不但沒有開花，反而有明顯的皺縮現(xiàn)象，用手觸摸“花瓣”，感覺非常柔軟。學(xué)生很容易感知植物細(xì)胞因吸水而堅(jiān)挺，因失水而皺縮柔軟。通過這一實(shí)驗(yàn)，學(xué)生獲得生物學(xué)知識(shí)的直觀體驗(yàn)。

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)花瓣彎曲的角度做定量分析，也可以培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，大蔥在20%蔗糖溶液中彎曲角度不明顯，在30%蔗糖溶液中幾乎不彎曲，說明大蔥組織的等滲溶液的范圍應(yīng)該為20%蔗糖溶液和30%蔗糖溶液。通過這種方法，可以判斷植物吸水和失水的濃度范圍，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，做到合理施肥、合理灌溉。

最后的驚喜是，兩位同學(xué)利用土豆條和萵苣條，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同植物吸水和失水現(xiàn)象的區(qū)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)萵苣的失水現(xiàn)象不如土豆明顯，為之后開展植物細(xì)胞吸水和失水實(shí)驗(yàn)的選材提供依據(jù)。

六、總結(jié)評(píng)價(jià)，促進(jìn)發(fā)展

這是一節(jié)內(nèi)容豐富、不拘泥于傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)課，是一節(jié)開放式的實(shí)驗(yàn)課。課堂中，教師首先更新教學(xué)思想，不為追求教學(xué)進(jìn)度而采取灌輸式教學(xué)，也不采用手把手教學(xué)，而是不斷啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生提出有價(jià)值的問題，以問題為導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)整節(jié)課有條不紊地進(jìn)行。在核心素養(yǎng)的背景下，教師要放手讓學(xué)生自主探究，鼓勵(lì)學(xué)生之間交流合作，給予學(xué)生更多實(shí)踐操作的機(jī)會(huì)，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候給予指導(dǎo)和肯定，使學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到充分發(fā)揮，真正成為實(shí)驗(yàn)課堂的主體。在教材原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師有意地增加了實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，使課堂更加飽滿、有厚度。在本節(jié)課的最后，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和結(jié)果分析，說明學(xué)生已經(jīng)具備成為生物實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新者的潛質(zhì)。最后，本節(jié)實(shí)驗(yàn)課，課堂氛圍活躍，過程流暢緊湊，給學(xué)生帶來良好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。讓學(xué)生自主掌握實(shí)驗(yàn)過程及相關(guān)實(shí)驗(yàn)思想，深入觀察和定量分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，促使學(xué)生真正意義上感受生物實(shí)驗(yàn)的樂趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)高中生物的興趣，充分體現(xiàn)生物實(shí)驗(yàn)在知識(shí)傳授和技能訓(xùn)練之間的橋梁作用。有效地開展高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還能夠引導(dǎo)學(xué)生探索生物的奧秘，樹立正確的生命觀，培養(yǎng)其實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，真正落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

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責(zé)任編輯：黃大燦