“三新”背景下生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

一、“三新”呼喚學(xué)生自主探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“三新\"是指\"新高考、新課程、新教材”，是教育改革的重要組成部分，推動(dòng)教育改革的深入發(fā)展，進(jìn)而提升教育質(zhì)量。新時(shí)代要求教學(xué)需關(guān)注學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要陣地。從近10年高考題型演變來看，旨在考查學(xué)生科學(xué)探究能力的實(shí)驗(yàn)類題自分值占比穩(wěn)定上升，這類題目充分考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解能力、對(duì)關(guān)鍵信息的獲取能力，目的在于改變教師機(jī)械講解實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力。這也進(jìn)一步說明了“三新\"背景下加強(qiáng)學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)的必要性，尤其是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾浴?/p>

自主探究式實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生親力親為，從實(shí)驗(yàn)構(gòu)思、操作實(shí)施、細(xì)致觀察到結(jié)果記錄與分析，每一步都需學(xué)生全身心投入與深人思考。這種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)不僅加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)知識(shí)的理解與掌握，也在無形中培育他們的科學(xué)探究能力，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。因此，筆者在教學(xué)過程中要注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)其科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，以真正落實(shí)“三新\"改革的目標(biāo)，為學(xué)生的全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、案例講述學(xué)生自主探究的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

為了探究如何落實(shí)“三新\"背景下實(shí)驗(yàn)課的新目標(biāo)，筆者以“探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式\"實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)這節(jié)課指出，教師要組織好觀察、實(shí)驗(yàn)等探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，幫助學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生領(lǐng)悟到科學(xué)研究的方法并習(xí)得相關(guān)的操作技能。因此，筆者設(shè)計(jì)了探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式的教學(xué)流程，如圖1所示。

核心任務(wù)：科學(xué)解釋發(fā)面過程中面團(tuán)產(chǎn)生氣孔和酒精的原因生活情境 觀察通氣發(fā)酵面團(tuán)和密封發(fā)酵面團(tuán)表面特征與氣味的1提出問題 為什么密封發(fā)酵的面團(tuán)會(huì)產(chǎn)生酒精？為什么通氣發(fā)酵的面團(tuán)比密封發(fā)酵的面團(tuán)氣孔數(shù)量多？ 通氣發(fā)酵 密封發(fā)酵作出假設(shè) 酵母菌在無氧條件下呼吸會(huì)產(chǎn)生酒精，在有氧條件下呼吸會(huì)產(chǎn)生更多的CO【活動(dòng)1】關(guān)注實(shí)驗(yàn)?zāi)康模伎枷铝袉栴}，小組合作確定實(shí)驗(yàn)的總體思路。1.本實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量分別是什么，需要控制哪些無關(guān)變量？設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 2.本實(shí)驗(yàn)如何設(shè)置對(duì)照，如何控制自變量、檢測因變量？【活動(dòng)2】在科學(xué)方法的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和方法步驟，利用給出的材料用具搭建實(shí)驗(yàn)裝置，說明實(shí)驗(yàn)步驟，并根據(jù)“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量規(guī)”對(duì)本組和其他小組的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)施實(shí)驗(yàn) 按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案，用已有實(shí)驗(yàn)材料實(shí)施實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果與遇到的問題。↓分析結(jié)果得出結(jié)論 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論表達(dá)交流 各小組分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)論，交流遇到的問題和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)

（二）學(xué)生遇到的困難與筆者引導(dǎo)

學(xué)生不知從何處下手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)此，筆者引導(dǎo)學(xué)生對(duì)一些支架性問題進(jìn)行思考：（1）本實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量分別是什么，需要控制哪些無關(guān)變量？（2）本實(shí)驗(yàn)如何設(shè)置對(duì)照，如何控制自變量、檢測因變量？ （3）怎樣保證酵母菌在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持高活性？在引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)這三個(gè)問題進(jìn)行小組內(nèi)討論交流后，大部分小組都能明確整體的實(shí)驗(yàn)思路，后續(xù)筆者鼓勵(lì)學(xué)生分享自己小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，并及時(shí)給予反饋和認(rèn)可。學(xué)生在交流討論中逐漸提高了分析問題與解決問題的能力，有助于后續(xù)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)踐能力相對(duì)欠缺，尤其是實(shí)驗(yàn)裝置的搭建、實(shí)驗(yàn)流程的進(jìn)行不夠順利。（1）很多學(xué)生不會(huì)使用高壓蒸汽滅菌鍋等儀器設(shè)備。針對(duì)這一問題，筆者給予了學(xué)生清晰的指導(dǎo)及示范操作，并詳細(xì)講解每一個(gè)步驟的自的及注意事項(xiàng)，由此讓學(xué)生產(chǎn)生對(duì)儀器及操作事項(xiàng)的直觀了解，在后續(xù)操作過程中大家表現(xiàn)良好。（2）部分學(xué)生在搭建實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)忘記了課本所學(xué)知識(shí)，如在安裝導(dǎo)管時(shí)采用了短進(jìn)長出的策略。針對(duì)這一情況，筆者引導(dǎo)學(xué)生回憶理論授課內(nèi)容，最終大家根據(jù)所學(xué)的知識(shí)解決了問題，并對(duì)課本內(nèi)容有了更深入的理解。（3）大部分小組搭建的裝置沒有解決無氧組錐形瓶內(nèi)上方有氧氣存在的問題。對(duì)此，筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組合作交流，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，讓他們嘗試自己解決問題。學(xué)生經(jīng)思考討論后得出了解決辦法：采用石蠟液封隔絕氧氣，保證酵母菌培養(yǎng)液處于無氧環(huán)境中。對(duì)學(xué)生操作情況的實(shí)時(shí)關(guān)注和基于實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的適時(shí)引導(dǎo)，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣。

部分學(xué)生面對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，第一反應(yīng)是等待教師給予幫助而非自行思考，缺乏自主解決的動(dòng)力和思路。針對(duì)這一情況，筆者首先向?qū)W生提供情緒支持，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到遇到問題不可怕，重要的是如何面對(duì)并解決它，人本主義教育理論強(qiáng)調(diào)，教師在幫助學(xué)生解決問題時(shí)，應(yīng)關(guān)注學(xué)生的心理感受，尊重他們的個(gè)體差異，并提供適合他們的幫助；其次，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的具體步驟及對(duì)應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行回憶與思考，找出問題所在；最后，在遇到難度較大的問題時(shí)，建議大家進(jìn)行小組及小組間討論，共同尋找解決策略。

針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，部分同學(xué)缺乏敏銳捕捉的能力。例如，部分小組采用了溴麝香草酚藍(lán)水溶液檢驗(yàn)二氧化碳生成的實(shí)驗(yàn)思路，原理是溴麝香草酚藍(lán)水溶液作為酸堿指示劑，它因酸堿度產(chǎn)生顏色變化，溴麝香草酚藍(lán)水溶液的檢測范圍為pH6.0（黃） （藍(lán)）。水溶液在中性條件下，經(jīng)溴麝香草酚藍(lán)檢測呈淡藍(lán)色，溶有二氧化碳后，隨碳酸生成量的增加，溶液 p H 不斷下降，顯色結(jié)果由淡藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，最后固定為黃色。但在描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，部分小組忽略了顯色過程中綠色的過渡期，認(rèn)為溴麝香草酚藍(lán)水溶液直接由藍(lán)變黃。針對(duì)這一情況，筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組間交流，探討大家對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述不同的原因，并總結(jié)出現(xiàn)這一情況的原理。在進(jìn)行討論后，學(xué)生們對(duì)于實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性、重復(fù)實(shí)驗(yàn)的必要性以及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象敏銳捕捉的必要性有了更深入的理解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟黄ヅ洹Ｌ幚韺?shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，部分學(xué)生僅關(guān)注對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述，沒有嘗試去獲得和實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嘁恢碌慕Y(jié)論。例如，在酵母菌細(xì)胞呼吸的實(shí)驗(yàn)中，有小組僅僅關(guān)注了無氧條件下有二氧化碳和酒精產(chǎn)生，有氧條件下有二氧化碳產(chǎn)生這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并沒有關(guān)注到實(shí)驗(yàn)本身的研究目的。針對(duì)這一情況，筆者引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)的自的是探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式，實(shí)驗(yàn)的結(jié)論需要與探究的問題相匹配，學(xué)生最終得出酵母菌既能進(jìn)行有氧呼吸也能進(jìn)行無氧呼吸的結(jié)論。

（三）學(xué)生在探究過程中的新發(fā)現(xiàn)

酵母菌用溫水活化后活性增強(qiáng)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，部分小組直接將未活化的干酵母加人葡萄糖溶液中，導(dǎo)致最終的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)現(xiàn)象并不明顯。為了深人了解實(shí)驗(yàn)不理想的原因，筆者在實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段引導(dǎo)各小組對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行細(xì)致的反思。經(jīng)過分析，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)原來酵母菌在沒有水分的情況下會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，未能充分活化的酵母菌細(xì)胞呼吸速率慢，因此在加入葡萄糖溶液之前，需要將干酵母放在溫水中進(jìn)行活化。

無氧呼吸裝置中氧氣清除的方法。在連接實(shí)驗(yàn)裝置的過程中，有同學(xué)敏銳地指出，無氧呼吸的裝置中酵母菌培養(yǎng)液及錐形瓶內(nèi)上部存在的氧氣可能會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。面對(duì)這一問題，筆者迅速引導(dǎo)學(xué)生依托已有的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行深入的思考與討論。經(jīng)過一番探討，學(xué)生確定了一個(gè)有效的實(shí)驗(yàn)思路：通過煮沸的方式除去溶解氧。因此，實(shí)驗(yàn)前采用高壓蒸汽滅菌鍋對(duì)葡萄糖溶液進(jìn)行滅菌，這一步驟不僅能成功去除溶解氧，還能有效清除可能存在的雜菌。對(duì)于錐形瓶內(nèi)上部氧氣的處理問題，筆者進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)，鼓勵(lì)他們提出具有創(chuàng)新性的解決方案。經(jīng)過充分的思考與交流，不同小組分別提出了油封和蠟封的實(shí)驗(yàn)方案，以確保實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密性與準(zhǔn)確性。

平衡有氧呼吸與無氧呼吸裝置的攪拌速率的方法。當(dāng)比較無氧條件和有氧條件下二氧化碳的產(chǎn)生量時(shí)，某小組提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在著一個(gè)潛在問題：有氧組通過氣泵泵氣，不僅提供了氧氣，還使得酵母菌培養(yǎng)液得到了充分的攪拌。然而，無氧組由于缺乏泵氣裝置，且在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體量較少，導(dǎo)致裝置內(nèi)的酵母菌培養(yǎng)液未能得到充分的攪拌。這一差異意味著兩組實(shí)驗(yàn)之間存在一個(gè)不可忽視的無關(guān)變量，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。為了消除這一潛在的干擾因素，筆者引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了優(yōu)化：在無氧組的裝置中加入磁珠，并利用磁力攪拌器對(duì)酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行持續(xù)而充分的攪拌。這樣一來，兩組實(shí)驗(yàn)中的攪拌條件變得一致。通過這一改進(jìn)，學(xué)生能夠準(zhǔn)確地比較無氧條件和有氧條件下二氧化碳的產(chǎn)生量，便于后續(xù)的研究和分析。

酸性重鉻酸鉀溶液的濃度與顏色的關(guān)系。在進(jìn)行酒精的定性檢測時(shí)，需要使用酸性重鉻酸鉀溶液。在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行溶液配制的過程中，部分小組觀察到高濃度重鉻酸鉀的酸性溶液呈現(xiàn)橙紅色，而非課本描述中的橙黃色。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了學(xué)生的好奇心，有學(xué)生開始懷疑課本的準(zhǔn)確性。面對(duì)學(xué)生的疑問，筆者并未急于給出答案，而是引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)完成溶液的完整配制過程。在將高濃度溶液逐漸稀釋的過程中，學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)，隨著溶液的稀釋，其顏色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎n本中描述的橙黃色。通過這一實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生對(duì)該現(xiàn)象的產(chǎn)生有了更細(xì)致的理解，還學(xué)會(huì)了在面對(duì)問題時(shí)保持開放和質(zhì)疑的態(tài)度，通過實(shí)踐操作來尋找答案。

葡萄糖能使酸性重鉻酸鉀溶液變成灰綠色干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在進(jìn)行結(jié)果檢測時(shí)，部分小組觀察到自己實(shí)驗(yàn)組中“通氣發(fā)酵\"組酵母菌培養(yǎng)液能夠使酸性重鉻酸鉀溶液呈現(xiàn)灰綠色，并據(jù)此現(xiàn)象推導(dǎo)出“有氧呼吸在部分情況下同樣能產(chǎn)生酒精”的結(jié)論，然而，這一結(jié)論并未得到所有小組的認(rèn)可。筆者向?qū)W生展示利用酸性重鉻酸鉀檢測酒精的具體原理。經(jīng)過分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)重鉻酸鉀具有強(qiáng)氧化性，酸性條件下能將乙醇氧化，然而，他們發(fā)現(xiàn)這一反應(yīng)并非特異性地針對(duì)乙醇，而是能與所有與醇羥基相連的 α -碳原子上含有氫原子的醇發(fā)生反應(yīng)。因此，他們推測酵母菌培養(yǎng)液中可能還含有未完全反應(yīng)的葡萄糖，這種葡萄糖同樣具有還原性，能夠引發(fā)酸性重鉻酸鉀溶液變色。之后進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定現(xiàn)象產(chǎn)生的原因?yàn)椋瑢?shí)驗(yàn)組中殘留的葡萄糖是還原性物質(zhì)。同時(shí)，這次經(jīng)歷也教會(huì)了他們在科學(xué)研究中要保持謹(jǐn)慎和開放的態(tài)度，勇于面對(duì)問題和解決問題。

檢測酒精時(shí)需將酵母菌培養(yǎng)液過濾。在進(jìn)行結(jié)果檢測的過程中，部分小組觀察到培養(yǎng)液的透明度非常低，導(dǎo)致在加入重鉻酸鉀溶液進(jìn)行顯色時(shí)現(xiàn)象較不明顯。針對(duì)這一觀察結(jié)果，有同學(xué)提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)思路：首先進(jìn)行過濾操作，使溶液變得澄清透明，然后進(jìn)行檢測。在筆者的悉心指導(dǎo)下，小組成員迅速搭建好了過濾裝置，并成功地對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行了過濾處理。經(jīng)過這一步驟后，他們獲得了更加清晰、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和教學(xué)效果

經(jīng)過小組合作探究及筆者的引導(dǎo)，學(xué)生成功地檢測到了酵母菌在有氧條件下生成大量的二氧化碳，在無氧條件下生成少量二氧化碳和酒精，所以酵母菌在有氧條件和無氧條件下都能進(jìn)行呼吸。學(xué)生們不僅得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還掌握了實(shí)驗(yàn)原理和操作方法，學(xué)會(huì)了如何分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出結(jié)論并進(jìn)行交流和討論，充分發(fā)揮了教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的作用，同時(shí)這也有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、小組合作精神和科學(xué)探究精神。

三、總結(jié)與反思

本文對(duì)“三新\"背景下真實(shí)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性結(jié)合酵母菌細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步探索，通過具體分析，深入闡述了實(shí)驗(yàn)課程在挖掘生物學(xué)現(xiàn)象、揭示學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中普遍遇到的問題以及筆者引導(dǎo)策略等方面的獨(dú)特價(jià)值。實(shí)驗(yàn)課程能夠顯著提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，加深學(xué)生對(duì)生物學(xué)原理的理解和掌握。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提升“三新\"背景下要求的學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、必備的品格和關(guān)鍵的能力方面的重要作用。但后續(xù)仍需進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)類型、增加案例以及考慮學(xué)校和地區(qū)差異等。未來的研究可以圍繞這些方面展開更加深入和全面的探討，以推動(dòng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用。

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責(zé)任編輯：唐丹丹