“三新”背景下高中生物學實驗優化策略探究

摘 要：優化高中生物學實驗可以從優化實驗材料、實驗試劑、實驗裝置和生成物檢測等方面入手，在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中，可以用杏鮑菇研磨液、酵母菌懸濁液和韭菜研磨液作為生物催化劑，用Y型試管代替錐形瓶作為反應容器，用亞甲基藍檢測是否有氧氣生成，用帶刻度的注射器或相對壓強傳感器測算生成的氣體的體積。

關鍵詞：實驗優化；科學探究；過氧化氫分解；高中生物學

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）32-0061-04

隨著新課程、新教材、新高考的推進，教師在高中生物學教學中不僅要關注學生的知識掌握和能力發展情況，而且要注重培養學生的生物學學科核心素養。2019年教育部發布《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，對實驗教學提出總要求：全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，發展素質教育，努力構建與德智體美勞全面培養的教育體系相適應、與新課程標準要求相統一的實驗教學和評價體系。生物學是一門建立在實驗基礎上的學科，實驗教學是高中生物學教學的重要組成部分，其核心在于讓學生通過實際操作、觀察和分析現象來提高科學思維和科學探究能力。然而在實際教學中，由于教學課時緊張，絕大多數教師采用“講實驗”的方式，很少讓學生親自去做實驗，可見，不少教師的教育觀念落后，急需優化教師對高中生物學實驗的認識。傳統實驗過程往往存在材料準備復雜、實驗現象不夠顯著等問題，不利于學生對實驗本質的深入理解和探究。基于此，本研究從優化實驗材料、實驗試劑、實驗裝置和實驗步驟等方面探究優化實驗效果，激發學生學習興趣和探究熱情的策略。

一、國內外高中生物學實驗研究情況

（一）國內研究現狀

2024年9月14日，在中國知網“主題”中輸入“高中生物學實驗教學”，點擊檢索，共出現604條中文文獻，其中學術期刊文獻153篇，學位論文150篇，會議論文11篇，學術輯刊文獻1篇，特色期刊文獻289篇。這一主題1987年到2005年期間受到的學術關注度較低，年文獻量不超過2篇，2007年至2017年，年文獻量緩慢增加，但年發文量均不超過20篇，2018年文獻量增至41篇，此后年文獻量呈現快速增加的趨勢，可見生物學實驗教學已經逐漸受到關注。通過閱讀這些文獻發現：在理論層面提出建議的較多，對實驗進行不同程度的改進與創新實踐也有，但提出的實驗改進和創新策略都比較零散，很少對教材中的實驗改進與創新進行系統研究。

（二）國外研究現狀

21世紀以來，全球教育發達國家對生物學實驗教學的關注度逐漸提高，美國和日本等發達國家尤為突出。美國更注重培養學生的實驗能力、探究能力和理性思維。在美國教學安排中，實驗課時占總課時的一半以上，實驗類型較齊全，包括微型實驗、調查實驗、數據實驗等。實驗設置在各個章節，教材注重啟發學生自主思考、動手操作，通過討論交流，學生自己得出結論，教材中不會呈現最終的結論，只是給學生打造一個自主探究的空間。

通過分析國內外研究現狀可知，近年國內外對生物學實驗教學重視程度有很大提高。國內實驗教學高度重視理論研究，理論研究取得一定的成就，而實際上學生實驗操作過程中仍存在很多不足，如實驗材料沒有因地制宜、實驗過程不適于當地的學生等；國外實驗教學注重理論與實踐相結合，注重讓學生親自參與實驗的探究過程。因此，教師可以繼續深化高中生物學實驗的優化研究，關注實踐中的問題與挑戰，探索有效的解決方案。

二、高中生物學實驗優化措施

（一）實驗材料及試劑創新

生物學實驗對材料和試劑的要求是易于獲取、價格低廉和實驗現象明顯等。對實驗材料的創新可以從學生實驗過程中發現的問題入手，對照多種實驗材料選出更合適的，這樣可以大大簡化實驗操作，提高實驗成功率。實驗材料可以從本地材料或常見材料中篩選，比如“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，可以用新鮮豬肝作為催化劑，也可以選用杏鮑菇、酵母菌和韭菜等作為生物催化劑。在實驗過程中，學生發現新鮮肝臟不僅不易保存，而且具有較強的腥味，還導致反應速度過快，他們往往難以接受新鮮豬肝的這些缺點，可見新鮮豬肝并不是用于開展此實驗的最佳材料。于是，教師引導學生探尋更合適的實驗材料，選擇了杏鮑菇、酵母菌和韭菜等作為生物催化劑并對比實驗效果。這些材料不僅易獲取、價格低廉，而且實驗現象明顯，反應速度較為適中，可以作為本實驗的理想材料。杏鮑菇研磨液、酵母菌懸濁液和韭菜研磨液在催化過氧化氫分解時，均能產生明顯的氣泡，這為學生觀察和記錄實驗現象提供了極大的便利［1］。此外，此類生物催化劑的使用還解決了肝臟保存難、腥味重、反應速率過快等問題，其中酵母菌懸濁液還有不需要研磨等優點，提高了實驗的安全性和衛生條件。

由此可以總結出創新實驗材料及試劑的三個注意事項。第一，關注材料是否滿足本實驗的需要。比如在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中要找到富含過氧化氫酶的材料；還原糖檢測實驗需要材料沒有顏色或接近白色；質壁分離實驗需要材料有中央大液泡；觀察葉綠體及細胞質流動實驗需要用到葫蘆蘚等。第二，實驗材料要本土化。比如在做植物根尖有絲分裂實驗時，選擇的材料是洋蔥，但是南方的學生對洋蔥并不是特別熟悉，洋蔥從北方運輸到南方時一般使用了植物生長調節劑延緩生根和發芽，所以準備該實驗時要等一段時間洋蔥才能長出根來，為突破這一痛點，可以用南方的蒜代替洋蔥開展該實驗。第三，關注實驗對環境和人的影響。比如用豬肝研磨液開展“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗有比較重的腥味，操作者往往難以接受；“提取葉綠體中的色素”的實驗中，舊教材用丙酮提取色素，雖然丙酮提取的效果比無水乙醇的好，但丙酮有毒，從實驗安全性的角度來說，用無水乙醇替代丙酮更佳。

（二）實驗裝置的創新

化學實驗裝置一般包括反應裝置、收集裝置、檢測裝置等。生物學實驗裝置的要求跟化學的非常相似，高中階段需要的實驗裝置應具有簡單、可控性強、使實驗現象明顯、經濟實惠等特點。

1.反應裝置的創新

選擇的反應裝置應既經濟實惠又有利于實驗進行，達到實驗嚴謹和便于觀察結果的效果。教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”這一實驗只是在試管中進行，試管口是敞開的，產生的氣體會很快丟失；用豬肝研磨液作催化劑導致反應速度過快，來不及用帶火星的木條檢測生成物；加入試劑需要時間，很難保證反應能夠同時進行。用水管固定夾固定幾支Y型試管作為實驗裝置進行實驗，在Y型試管兩側分別加入過氧化氫溶液和生物催化劑，實驗時只需將Y型試管傾斜就可以同時將溶液混合，即可使各組實驗同步進行，較好地控制了無關變量，學生也可以清晰地對比各組氣泡生成速率的變化，更直觀地理解催化反應。

2.檢測裝置的創新

在實驗中，需要檢測的物質可能是氣體，也可能是液體或固體。在化學實驗中檢測氣體，一般是將待測氣體導出后在導管口進行檢測，或者用集氣瓶收集后再進行檢測；檢測液體時，一般用滴管或試管取出少量待測液體進行檢測，留下的作為備用或對照，一般在待測液體中加入某種試劑，發生一些特殊的化學反應可以產生特定的顏色；檢測固體時，一般用藥匙取出少量待測固體，加入某種試劑，發生一些特殊的化學反應可以產生特定的顏色等。下面以氧氣的檢測為例，介紹兩種檢測氧氣的創新方法——氣體導出法和顯色法。

（1）氣體導出法

在高中生物學教材中，檢測氣體的實驗較少，主要以過氧化氫分解實驗中的氧氣檢測和探究酵母菌細胞呼吸方式實驗中的二氧化碳檢測為代表。用衛生香檢測氧氣時，水一旦接觸就會導致衛生香熄滅，所以課題組對實驗裝置進行了改進（如圖2、圖3所示）：在錐形瓶上安裝一支滴管和一個導管，用導管將氣體導出再進行檢測；還可以用Y型試管替代錐形瓶，用一個架子同時夾住幾支Y型試管，然后傾斜Y型試管將溶液混合，這樣可以直觀對比不同材料滴入過氧化氫溶液后產生氧氣的情況，既滿足組內每名學生都參與實驗的要求，又可以比較每名學生的實驗結果。改進后的裝置既可以避免因試管口太大產生的氧氣丟失過快，導致衛生香熄滅，又可以使多組實驗同時參與檢測，讓反應同時進行，增加實驗可信度。

（2）顯色法

高中生物學實驗中用顯色法檢測物質的實驗很多，如還原糖、蛋白質和DNA的鑒定等，都需要加入特定試劑，發生反應產生特定的顏色。在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中檢測生成的氧氣時，取一個250 mL的錐形瓶，向里面加入100 mL蒸餾水、2 g氫氧化鈉粉末、3 g葡萄糖、5滴0.2%亞甲基藍溶液，配置成亞甲基藍檢測液。因為亞甲基藍在堿性的條件下容易被葡萄糖還原為亞甲基白，這時溶液呈無色，通入氧氣后，亞甲基白可以被氧氣氧化成亞甲基藍，這時溶液呈藍色，根據溶液是否從無色變為藍色即可判斷是否有氧氣生成［2］。

3.將定性檢測拓展為定量測量

高中生物學實驗中，很多都是定性實驗，比如檢測還原糖、脂肪、蛋白質等實驗，教材只是要求學生檢測有沒有某種特定的物質，沒有要求測出該物質具體的含量。學生也可以通過反應物顏色的深淺來判斷某種物質的含量，但是這樣的判斷是不準確的。教師可以將定性檢測實驗拓展為定量測定實驗，以此增強學生的實驗能力，開拓學生的視野。例如，可以利用注射器等帶刻度的儀器測量氣體的具體體積，還可以利用一些先進的儀器直接測量某一物質的含量。下面以“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中測量生成的氧氣為例，介紹兩種實驗創新方法。

（1）用注射器測量氣體的體積

注射器標有刻度，可以直接讀出體積，因而可以利用注射器測定氣體或液體的體積。在“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗中測定生成的氧氣的體積時，可以分別在幾只10 mL注射器中加入1 mL不同材料的研磨液作為催化劑，在幾只60 mL注射器中加入4 mL 質量分數為30%的過氧化氫溶液，用三通旋塞將60 mL和10 mL注射器連接制成實驗裝置（如圖3所示）。將小注射器中的研磨液同時推入大注射器中，可以直接根據注射器的刻度測量出生成的氣體的體積。改進后的實驗裝置能夠直接通過刻度讀出生成物的體積，可直接觀察實驗過程與結果，形成對照，讓學生體會定性檢測與定量測量的異同。

（2）相對壓強傳感器法

測量氣體的體積，可以利用傳感器：氣體的體積增加，在定容容器中的壓力就增大，根據壓力的變化可以測算出氣體的體積。用水管固定夾固定幾支Y型試管，連接相對壓強傳感器、數據采集器以及電腦上對應軟件（如圖4所示）。氧氣產生導致的壓力變化圖像反映過氧化氫的分解速率，電腦上的軟件可以精確實時記錄實驗數據，并生成數學曲線，使微觀現象直觀呈現［3］。

學生也可以利用上面兩種裝置完成酵母菌實驗中的無氧呼吸實驗，測量出酵母菌無氧呼吸時產生的二氧化碳的體積；還可以用它們來探究環境因素對植物光合作用影響，測量產生的氧氣的體積。

對實驗裝置及檢測方法創新要注意以下三個方面。一是因地制宜。不同學校實驗設備配置不同，采用的方法也可以不同：學校儀器配置情況一般的，可以利用現成的儀器或適當采購一些儀器進行改進；學校設備配置較好的可以利用更先進的儀器進行組裝，測出更加精確的實驗結果。二是變廢為寶。很多儀器可以利用廢棄的物品替代，比如在做探究環境因素影響光合作用實驗時，可以利用廢棄的紙箱或鐵箱等作為實驗裝置，這樣既能節約成本又能保護環境。三是與時俱進。條件好的學校可以采用先進的儀器，如測二氧化碳可以直接用二氧化碳傳感器連接電腦。高中生物教學可以與信息技術整合，以實現數字化教學的創新。比如NOBOOK模擬實驗室是較適合在高中生物學實驗開展虛擬實驗的工具，它的圖像模擬得跟真的幾乎一樣，只需要在電腦上安裝該軟件，學生就可以在電腦上直接模擬實驗的全部過程。

（三）實驗結果分析與解釋的創新

在實驗教學中，實驗結果分析與解釋是培養學生科學思維的重要環節。由于不少學校的設備不齊全或資金不夠，很多實驗只能開展為定性實驗，很少有定量實驗。而借助創新后的實驗，學生不僅可以定性觀察到新物質的產生，還可以借助量化分析進一步理解實驗現象。在本研究中，使用注射器收集氧氣并分析讀數，使得學生可以將實驗現象與數據分析結合，深入理解酶的催化效率，直觀地了解不同催化劑對過氧化氫分解速率的影響。在實驗過程中，學生記錄每次實驗中注射器內氧氣體積的變化，通過對比不同催化劑作用下的氧氣生成量，分析出哪種催化劑的催化效果最佳［4］。例如，在一次實驗中，學生發現使用酵母菌懸濁液的催化效果最明顯，產生的氧氣體積最大，借助分析此類數據，學生可以得出酵母菌作為生物催化劑具有較高的催化效率這一結論。

三、反思與展望

本研究通過科學探究的方法，改進了過氧化氫分解實驗，顯著提升了實驗教學的效果。通過采用新型生物催化劑和改進實驗裝置，不僅克服了傳統實驗的不足，還為學生提供了更直觀的學習體驗，也為其他生物學實驗教學提供了新的思路，具有重要的實踐意義和社會價值。

高中生物學實驗改進與創新不僅可以提高學生的學習興趣，還可以培養學生的科學思維和探究能力，同時有利于提高教師的理論知識和探究能力，發揮教學相長的作用。借助改進和創新的實驗設計，教師可以更有效地引導學生進行自主探究，提升學生的科學素養和實踐能力［5］。教師可以進一步探索更多創新的實驗方法，為學生提供更加豐富的學習體驗。

參考文獻

［1］馮雪婷，王飛，龔大潔.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗研究綜述［J］.中學課程資源，2023，19（03）：75-78.

［2］李妞妞，楊其，霍靜.檢測“過氧化氫分解產物”的實驗改進［J］.教育與裝備研究，2017，33（07）：79-81.

［3］張云，林凡.對利用DIS壓強傳感器開展實驗探究的商榷：“比較過氧化氫在不同條件下的分解”探討［J］.中學生物教學，2023（19）：64-67.

［4］馬建才，攔生發，馬小明.“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗的創新改進［J］.教育與裝備研究，2019，35（12）：27-28.

［5］王永麗.通過探究實驗發展學生學科核心素養：以“過氧化氫在不同條件下的分解”為例［J］.生物學教學，2023，48（01）：51-53.

注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度電教裝備研究專項課題“‘四新’背景下高中生物實驗教學改進的實踐研究”（2023ZJY739）的研究成果。

（責編 劉小瑗）