“模擬生物體維持pH的穩定”實驗改進及教學設計

朱云云

【摘要】文章以“模擬生物體維持pH的穩定”為例，對該模擬實驗的組織實施、實驗儀器及操作、數據記錄與分析方法進行了改進優化，開拓中學生物實驗的思路，以期更高效地完成實驗教學，使核心素養在課堂教學中落實落地。

【關鍵詞】生物教學；模擬生物體維持pH的穩定；實驗改進；教學設計

【中圖分類號】G633.91【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）10—0103—04

“模擬生物體維持pH的穩定”是2019年人教版生物選擇性必修一《穩態與調節》第一章第二節《內環境的穩態》的探究實踐內容[1]。本探究活動采用對比實驗的方法，通過比較自來水、緩沖液和肝勻漿等生物組織在加入酸或堿后pH的變化，定性說明在一定范圍內生物組織勻漿與緩沖液更類似，從而說明生物體pH相對穩定的機制。經筆者觀察，以往的實驗操作常存在以下問題：一是學生常有打碎燒杯或玻璃棒，甚至將鹽酸或氫氧化鈉滴到手上的情況發生；二是學生不能在一節課時間完成實驗操作、結果記錄、繪圖、結果分析等過程。針對以上問題，筆者對實驗試劑儀器、操作記錄、實驗組織與實施進行了改進，以期提高課堂效率，培養核心素養。

一、實驗教學目標

第一，通過化學學科知識交叉，對機體維持pH的機制作出理論推理；通過繪制曲線圖構建“清水、緩沖液、體液對pH變化的調節作用”模型并分析，提升學生的科學思維素養水平。

第二，通過開展“比較清水、緩沖液、體液對pH變化的調節作用”實驗，提高學生的實驗操作能力、準確記錄并處理數據的能力、圖表轉換能力等，提升學生的科學探究素養水平。

第三，通過探究活動以及對內環境維持pH相對穩定的調節機制的理解，構建“機體通過一定的調節機制保持穩態”的大概念，豐富學生對內環境穩態的體驗，為建立“穩態與平衡觀”打下良好基礎。

第四，通過“生氣堿中毒如何急救”“食物酸堿性”等常見情境的了解，“生物體維持pH有一定的限度”等探究結論的解讀，幫助學生形成科學健康的生活態度和飲食習慣。

二、實驗教學過程

（一）創設情境，提出問題，激發興趣

教師播放“生氣堿中毒”視頻，啟發學生認識到“酸堿失衡會導致嚴重后果”，進而從學生已有知識基礎“內環境是細胞與外界環境進行物質交換的媒介”出發，引導學生提出問題：細胞代謝產生的一些酸性或堿性的物質（如劇烈運動時產生的乳酸等）會進入內環境，從外界環境攝入的食物經消化后產生的酸性或堿性物質（如食用醋中的醋酸、堿面中的碳酸鈉）也會進入內環境，這些酸堿性物質進入內環境是否會讓人體健康遭到威脅？機體PH會發生明顯變化嗎？為什么？

設計意圖：學生通過觀看視頻了解機體pH失衡的后果，再以食用醋和堿面創設情境，制造懸疑引發學生強烈的好奇心，提出探究問題，做好探究心理準備。

（二）根據已知，作出假設，科學推理

教師先后補充血漿成分表、不同鹽溶液的酸堿性表、磷酸緩沖液的緩沖機理等資料，引導學生分析血漿中的哪種物質有中和酸堿的能力，并作出合理假設。教師指出假設并非結論，理論分析不能代替實驗研究，引領學生進行探究方案設計。

設計意圖：鹽溶液的酸堿性是人教版化學選擇性必修一第三章第三節《鹽類的水解》一文中的內容，通常學習本節時學生還未學到，學生在分析血漿成分時中和酸堿的物質時，不一定能聯想到無機鹽，故需要教師出示此部分相關內容，也能使學生感受到化學學科在生物學中的應用，通過學科交叉解決生物學中的問題，以期提高教學效率。

（三）依據目的，設計實驗，交流修正

課前布置閱讀課本任務，完成導學案課前預習部分設置的思考題：1.該實驗涉及的實驗材料、器材、試劑有哪些？2.該實驗基本的操作步驟是什么？3.該實驗如何對照？對照組和實驗組是什么？4.該實驗自變量和因變量分別是什么？無關變量有什么要求？

教師帶領學生觀察實驗準備用品，引導學生思考將鹽酸和氫氧化鈉換成白醋和食用堿水的好處，給學生介紹全班各組的生物材料及處理方法。教師通過實驗結果記錄表引導學生分析對照和變量，板書總結強調科學實驗設計的對照原則和單一變量原則。

實驗改進； 1.材料改進：將有腐蝕性的強酸HCl溶液與強堿NaOH溶液換成白醋與食用堿水，可提高實驗安全性，同時實際情況中生物體接觸強酸強堿的概率很小，但接觸食用堿和醋的概率很大，改進后更符合實際情況，貼近本節探究題目。經預實驗，本實驗選擇的白醋濃度為35g/L，食用堿濃度為16g/L。2.儀器改進：將燒杯改為試管，試管所需液體量少，可節省實驗材料；玻璃棒改為塑料吸管，塑料吸管價格便宜、不易碎，可實現混勻和蘸吸液體測pH的作用；每支試管配一支塑料吸管，節省洗玻璃棒和燒杯的時間，減少發生打碎儀器的可能。每組準備三色記號筆，方便學生在A3紙上繪圖，用于后續結果分析。

設計意圖：課前預習有助于學生對實驗內容做到心中有數，可提高課堂教學效率，保證在有限的課堂時間內完成實驗探究。教師通過介紹各組的實驗材料，幫助學生進一步理解題目“模擬”和“生物體”的含義。學生通過觀察實驗用品，快速熟悉實驗、領悟操作，提高實驗效率。教師通過強調實驗對照原則和單一變量原則，幫助學生鞏固實驗設計三原則，提高學生的實驗設計能力，提升科學探究素養。

（四）實驗操作，記錄數據，處理數據

教師明確各組學生分工，并進行現場實驗演示，強調注意事項。教師要注意演示以下內容：1.測pH的方法，提醒學生每次一滴，不要多；2.滴酸或堿時注意控制滴數，滴時吸管垂直懸空，不要碰到試管壁和吸管壁，混勻時輕輕吹吸以免液體溢出；3.及時記錄數據，粘貼pH試紙時按順序緊湊粘貼，方便直觀觀察顏色變化；4.繪圖要邊記錄數據邊描點。

實驗過程中教師隨時關注學生實驗進展，及時糾正指導。同時，教師及時發現實驗操作較快、繪圖較快的小組，安排該組收集其他組數據，繪制包含所有生物材料的匯總圖，以便后續進行綜合比較分析。

實驗改進：1.操作改進：省去學生量取液體這一步，由實驗老師提前準備，分裝好液體；將玻璃棒攪拌混勻液體的方式改為塑料吸管吹吸混勻；將每5滴測pH改為每3滴測pH，提高實驗效率。2.組織實施改進：（1）根據以往經驗，本實驗耗時較長，故需重視小組合作的作用以期提高實驗效率。按照班級人數一般為45人左右，分成9組，每組5人，2人分別負責滴酸或滴堿，2人分別負責記錄和粘貼pH試紙，1人負責收集數據并繪圖。（2）9組中設置3組豬肝勻漿平行實驗，3組雞血清平行實驗，引導學生理解平行實驗的意義；另為豐富探究材料，以及從反面說明平行實驗的意義，再設置3組雞肝、雞蛋清、土豆勻漿的實驗，并引導學生從不同生物、同一生物不同部位、動植物材料等不同角度比較各種生物維持pH的能力。3.記錄和繪圖改進：（1）將測后pH試紙按照順序粘貼在實驗報告上，以便更直觀地比較顏色變化梯度，感受不同材料調節pH穩定的能力不同。（2）采用A3紙張、不同顏色記號筆繪圖，繪制完成后粘貼到黑板相應位置，可供全班共同觀察比較分析，便于師生評價各組實驗結果。

設計意圖：筆者考慮到學生量取液體并清洗更換燒杯這一操作簡單且耗時，優化為由實驗老師提前準備分裝，以節省課堂實驗時間。小組成員的明確分工可提高教學效率，培養學生合作完成實驗的能力。通過記錄數值并按順序粘貼pH試紙，學生不僅可利用數據定量分析，也可利用pH試紙顏色變化趨勢定性觀察建立更直觀的印象。各組利用記號筆和A3紙張繪圖后，可將本組所繪制曲線圖粘貼在黑板上供全班觀察對比分析，此做法可充分利用課堂生成的教學資源，展開實驗結果的分析，同時也是評價學生實驗的好做法。

（五）結果分析，得出結論，總結概括

學生實驗完成后，觀察黑板上粘貼的9幅曲線圖，思考并討論以下4個問題：1.材料完全相同的三組，所得結果是否完全一樣，為什么？哪些組的實驗結果更可靠？2.就加入酸或堿后pH的變化來說，生物組織更像自來水還是更像緩沖液？為什么？3.請根據模擬實驗的結果，嘗試對機體維持pH穩定的機制進行解釋。4.通過觀察分析曲線圖，你還能得出什么結論？師生共同探討以上問題，進行結果分析。

設計意圖：通過問題1，幫助學生理解平行實驗的意義，引導學生觀察比較3個重復組的結果，估計實驗結果的可靠性。通過問題2，引導學生比較本實驗所用的三類材料維持pH的能力，分析生物材料與緩沖液相似的原因，并辯證性分析生物材料并不完全與緩沖液接近的原因，提升學生的批判性思維。通過問題3，概括回答本節課提出的探究問題，補充機體維持pH穩定的另一機制，通過調節生理活動維持pH，培養學生全面思考問題的能力。通過問題4，綜合訓練學生的識圖能力、學生的發散思維和科學思維。通過比較不同組的實驗，學生會比較容易得出“不同生物維持pH的能力不同”，教師引導學生比較不同物質維持pH的能力，發現雞血清和豬肝勻漿、雞肝勻漿三種動物材料維持pH的能力最強，最接近緩沖液。個別學生通過觀察曲線的趨勢，發現隨著加入酸或堿的增多，生物材料pH的變化越來越明顯，學生得出“生物體維持pH是有一定的限度”這個結論，教師予以肯定，并且首尾呼應，提醒學生要保持良好心態，健康飲食，才能擁有一個健康的身體，貫穿生命健康教育。教師通過引導學生觀察對比雞的三組實驗結果，得出“相同生物不同部位不同器官維持pH的能力不同”這一結論，拓寬了學生觀察圖像的思路。如果學生得出其他結論，只要合理，教師均應及時評價，予以肯定。

（六）總結實驗，評價學生，課后實踐

教師評價學生探究實驗達標情況，布置課后書面作業和實踐作業。實踐作業如下：教師在黑枸杞水中加酸、堿后展示顏色變化，提出“花青素在不同pH值會顯示不同的顏色”這一結論，請學生課后應用此原理，探究不同的生物材料是否有維持pH穩定的能力。

設計意圖：該項實踐作業靈感來源于《居家學習環境下“模擬生物體維持pH的穩定”實驗的創新》[2]《“模擬生物體維持pH的穩定”線上實驗教學設計與實施》[3]等文章，筆者認為該實踐作業材料易得（黑枸杞、紫薯、桑葚、火龍果等），顏色變化明顯，難度較小，趣味性強，適合作為家庭實踐作業，以激發學生探究的興趣，培養學生學習生物學的熱情。

三、實驗教學反思

該模擬實驗應按照探究實驗的一般思路設計，將課堂重點放在實驗操作和結果分析上，提升學生科學探究能力，落實核心素養：學生對模型和原型的理解、曲線圖的繪制與分析均訓練了其模型與建模思維；學生對提出的問題利用學科交叉知識進行推理論證后作出假設，通過科學實踐對假設進行驗證都是在實證意識的引領下開展的論證與實證過程，體現了尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度。科學探究是科學實踐的重要部分，有助于學生理解科學本質，構建大概念，學生通過分析實驗變量、進行實驗操作、交流實驗結果提升了實驗設計、實驗操作、分工合作與交流的能力；該模擬實驗用“生物體”做題目，還可以探究植物維持pH穩定的情況，拓寬了研究思路，利于學生建立更廣泛的穩態與平衡觀[4]。

本實驗改進優化的出發點有三個，一是模擬實驗中原型與模型要接近，二是實驗操作要安全，三是基于實際情況更具可行性提高課堂效率。筆者將強酸強堿換成弱酸弱堿，改進了實驗儀器，減少了清洗更換玻璃儀器的頻率，對實驗小組與分工進行設計規劃，對實驗結果的記錄與分析進行了優化改進。改進后更節省實驗材料，利于安全開展實驗，提高實驗教學的有效性。改進后的結果顯示在生物材料中加酸或堿后pH變化趨勢介于水和緩沖液之間，更偏向于緩沖液，符合實驗預期。同時，教師引導學生對實驗結果進行多角度多維度的分析，提高了學生分析實驗數據的能力，提升了學生的科學探究素養。

參考文獻

[1]朱正威，趙占良.生物學選擇性必修1[M].北京：人民教育出版社，2020：07-08.

[2]李琳.居家學習環境下“模擬生物體維持pH的穩定”實驗的創新[J].生物學教學，2021（04）：51-52.

[3]劉雨婷，謝珣.“模擬生物體維持pH的穩定”線上實驗教學設計與實施[J].生物學教學，2023（04）：61-63.

[4]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）[M].北京：人民教育出版社，2020.

編輯：張昀