实验创新与素养发展——对中学生物学实验优化与改革的思考

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实验创新与素养发展
对中学生物学实验优化与改革的思考
文许桂芬吕国裕
当前，国际经济、文化、科技快速发展，使得未来世界变得无法确定、不可预知。

如何让学生适应未来的世界？北美洲、欧洲和亚洲国家都提出了培养学生的核心素养，各国普遍强调未来人才核心素养包括“4C”，即创新能力(Creativity)、批判性思维(Critical Thinking)、沟通能力(Communica­tion)、合作能力(Collaboration)。

新时代需要有理想、有本领、有担当的创新应用型人才，这给基础教育工作者提出了新的挑战，也提供了新的机遇。

在中学生物学教育体系中，实验和实践教学内容对学生学科能力的培养起着举足轻重的作用。

实践是动手和动脑的过程，也是解决实际问题的过程。

教师对学生创新意识、创新思维和应用能力的培养，需要依托创新性实验类课程的设计、改进和实施。

一、以项目导向、任务驱动法创新实验教学模式
“项目导向、任务驱动”是将项目实施与任务驱动相结合，以提高学生实践创新能力为基础的培养方法。

教师将实验主题、学生特点(年龄、学识、能力)、素养发展需求紧密结合，拟定项目任务，以项目为导向。

通过任务驱动，学生讨论确定项目任务所需相关知识并进行自主学习，以达到明确项目总体要求、实施重点难点的目标；通过讨论，学生自主制订项目实施方案，展开项目实施及问题分析、项目成果总结与讨论等。

教师将培养目标融入任务中，引导学生对实施的任务进行分析讨论，促使学生在任务动机的驱动下分析问题、解决问题，并最终完成项目任务，从而不断增强学生的实践创新能力。

这是对“由验证性实验改为探究性实验”的实验设计方案的创新后的再创新，能更有效地提高学生独立思考的能力和解决问题的能力。

克伯屈首次提出了项目式学习(PBL)的概念，它是一种以学生为中心设计和执行项目的教学方法，主要由内容、活动、情境和结果四大要素构成。

它强调以学生为中心，强调小组合作学习，要求学生对现实生活中的真实性问题进行探究。

教师可对现有教材的实验教学方法进行创新以项目导向、任务驱动法开展实验教学，提出一项任务，提供可选择的仪器设备，让学生回忆相关基础知识，设计实验思路和具体的实验步骤。

通常PBL操作程序分为选定项目、制订计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价等六个步骤(黄明燕，赵建华)。

案例1：光合作用的影响因素。

项目主题：
探究影响植物光合速率的因素。

任务：
设计一系列的实验来确定温度和光照强度是如何影响菠菜光合作用速率，并构建一个概念模型解释为什么这些环境因素会以这种方式影响光合速率。

活动探究：
(1)实验材料。

在探究过程中你可能用到以下实验材料(可由学生拟定)：菠菜叶、250ml锥形瓶、二氧化碳或氧气传感器、传感器接口、烧杯(600ml或更大)、温度计或测温器、加热器、冰块、环夹和夹具、探照灯、40W灯泡、60W灯泡、100W灯泡、护目镜和围裙。

(2)梳理基础知识。

学生回忆已学的绿色植物通过光合作用制造糖类的相关知识。

植物利用光合作用产生的糖类维持自身的生长，产生更多的叶子，使根茎更茁壮。

植物增长的质量主要是从空气中获得的，然而光合作用的过程并不是一直在发生，何时发生取决于许多环境因素。

例如，植物需要水、二氧化碳和光能来进行光合作用。

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植物必须从周围环境中获得这些资源。

光合作用的过程会因为环境的条件而减慢或加速。

在这个探究实验中，你需要探究两种不同的环境条件如何影响植物植物光合作用速率。

之后，请你构建一个概念模:型来解释原因遥
（3）活动准备。

构建模型的第一步是要设计并进行一系列实验来确定温度和光强是如何影响光合速率。

因此需要一种计算光合速率的方法。

光合速率可以根据下面计算公式，通过测量在一段时间内二氧化碳的消耗量或氧气的产生量来计算。

光合作用速率=CO2或O2的变化量/时间。

为了测量菠菜在一段时间内消耗了多少二氧化碳（或产生了多少氧气），需要将5片新鲜菠菜叶子放入一个250ml的烧瓶中，然后将其与二氧化碳或氧气传感器相连。

随后，在一个600ml（或更大）的烧杯中装满水，将装有菠菜的烧瓶置于其中进行水浴（见图1）,或者把水浴装置放在烧瓶和光源之间，使其保持一个恒定的温度。

图1探究光合作用影响因素装置
接下来需要考虑收集什么类型的数据、如何收集和分析数据。

教师提供以下问题帮助学生确定如何收集数据：将用什么作为控制（比较）条件？如何控制自变量？（提示：为了探究温度对光合速率的影响，需要确定如何改变烧瓶内的温度。

为了探究光强对光合速率的影响，可以使用不同瓦数的灯泡）如何确保你的数据的有效性（如何减少误差）？如何跟踪你收集的数据？如何组织数据？
教师提供以下问题帮助学生确定如何分析数据：如何确定控制的条件与自变量之间的区别？需要进行什么类型的计算？可以创建哪种类型的图表来理解数据？
教师总结：一旦完成了一系列的实验，你的团队需要构建一个解释模型。

你的模型需要解释“为什么这两个环境因素会影响光合作用的速率”，以及“在光合作用过程的亚显微层面发生了什么”。

活动评价：
围绕项目的每个环节提出质疑和改进意见，思考“概念模型”作品的合理性。

在探究光合作用影响因素上拓展出新的实验思路。

二，通过素材创新拓展实验教学内容
教师除了对教材中提供的必做实验以及经典实验进行优化外，还可以对教材中原有的实验结果或实验教学内容等进行拓展，以开拓学生的视野，提高学生探究能力，发展学生科学思维。

实验任务改进：对于教材中一些结论性语句，我们不妨将之设置成需探究的问题，提出任务设计实验，发展学生发散性思维。

案例2：探究植物细胞壁的全透性和原生质层的选择透过性。

任务：
探究细胞壁是否具有全透性、原生质层是否具有选择透过性。

探究原理：
胭脂红是一种常见且常用的水溶性使用色素，其分子式是C2c H11N2Na3O10S3，溶于水呈鲜红色。

选择无色透明的植物组织作为实验材料，用红色的胭脂红溶液作为外界溶液，当质壁分离时，原生质层与细胞壁的间隙是红色的遥液泡体积虽然呈不同程度的缩小，但始终是无色的，也就说明了胭脂红分子能进入细胞壁但不能进入原生质层，由此就直接证明了细胞壁具有全透性，原生质层具有选择透过性。

探究方案：
选取无色的植物组织（如洋葱的内表皮）作为实验材料，将蔗糖溶液更换为0.1g/mL的胭脂红溶液，其余实验步骤与“探究1探究植物细胞的吸水和失水”相同。

实验内容拓展：我们可以对教材中的实验内容进行拓展，将之变为探究性任务，引导学生独立思考、合作完成探究方案。

案例3：探究食物来源的类型与酵母细胞呼吸速率的关系。

任务：
探究食物来源的类型如何影响酵母细胞呼吸的速率。

探究原理：
设计一个控制实验，以确定食物来源的类型如何影响酵母细胞呼吸速率。

要做到这一点，您将需要使用CO2或02气体传感器，如图2所示，以确定酵母是否以不同的速率产生悦韵2（或使用韵2）以响应食物来源的变化。

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图2CO2传感器
探究方案：
提供给酵母不同的食物类型，如葡萄糖、蔗
糖、红糖、乳糖、鸡蛋清、淀粉等，其余步骤与
“探究酵母菌的细胞呼吸方式”相同。

实验思路创新：同一个探究实验，其实验设计
思路不尽相同，自变量的设置与因变量的检测均可
有不同的方法。

实验设计思路的变化也是创新的一
个途径。

案例4：自制装置探究酵母菌细胞呼吸的方式。

任务：
探究酵母菌细胞呼吸的方式。

探究原理：
酵母菌是单细胞真菌，属于兼性厌氧菌，有氧
呼吸产生H2O和CO2，无氧呼吸产生C2H5OH和
CO2o氯化铁催化H2O2分解产生H2O和02,能为酵
母菌有氧呼吸提供氧气。

探究方案：
采用密闭性强的注射器代替锥形瓶进行实验。

有氧呼吸测定装置中（图3），利用氯化铁催化过氧
化氢分解为酵母菌有氧呼吸提供氧气，保证酵母菌
进行有氧呼吸。

无氧呼吸装置中（图4）,用装有等
量酵母菌的注射器作为反应装置，通过推拉注射
器，排尽空气，保证酵母菌进行无氧呼吸。

一段时
间后，同时采用酸性重铬酸钾溶液对两种条件下的
酵母菌溶液进行酒精的检测，用二氧化碳传感器与
数据采集器对酵母菌有氧呼吸与无氧呼吸过程中产
生的二氧化碳含量进彳亍检测与数据采集，用DISLab8.0
软件对数据进行分析。

（余雅华老师）
图3有氧呼吸测定装置it：I|
二
亏山—
图4无氧呼吸测定装置
三、建立生物园地，打造创新实验室
如今，学生生活在繁华都市，远离繁忙的农业
生产，这可谓学习经历的一大缺憾。

学校可以专门
开辟生物园地，如室外农耕实践区，室内组培实验
室，室内生物产品梦工厂，让学生在多样的实践活
动中丰富自己的学识与阅历。

让书本知识与绿色实
践活动结合，让课堂教学与生产实践相结合，让教
育回归生活，让学生回归自然、热爱自然，由此萌
生保护自然的强烈责任感，此举教育意义重大。

案例5：建立室外生物园地----农耕实践区。

在农耕实践区，研究性学习小组成员可以种植
水稻、西红柿、黄瓜和辣椒等，平时照看观察果蔬
的生长情况，收获季节可以亲口品尝自己种下的新
鲜绿色果蔬。

农耕实践区1：插秧体验耕种的艰辛。

学
生可试着耕种一小块地，在教师指导下，翻地、播
种、灌溉、插秧。

体验插秧：用手指保护根系，一
次只分四或五根秧苗插入；要将根插进土，否则秧
苗会漂起来；不要插太深，否则不利于幼苗生长；
持续管理秧苗长势，期待丰收。

提供给学生用于试
验耕作的地不用太大，因为重点不在于试验耕作的
收获多少，而在于引导学生体会粮食的来之不易。

农耕实践区2:采摘黄体验收获的快乐。

在教师指导下，学生运作、记录并收集经验。

4月
上旬，买黄瓜秧苗种植。

10天后插架，插架距离黄
瓜根部8~10cm即可。

绑蔓，用“8”字法将茎蔓
绑在架子上。

整理和掐尖，主蔓结瓜后要去掉所有
的侧枝，当茎超过架头时要及时掐尖，促进下部瓜
的生长。

黄瓜喜水，生长初期要及时浇水，水要浇
透。

5月份之后一周浇一次水。

全程使用饼肥和鸡
粪，不喷洒农药，两个月后，可收获真正有机黄
瓜。

学生看到自己的劳动有了回报，内心的喜悦将
油然而生。

中学生物实验教学是生物学教学领域的重要组
成部分，目前仍存在许多不足，其主要原因有：实
验课时少、教师对实验教学研究不够深入、教师的
实验教学策略未跟进课标要求等。

教师通过优化实
验教学模式，改革实验教学方法，设计创新性实
验，组建研究性学习小组，合理整合课外资源等改
革路径，将高阶思维引入生物实验课，引导学生充
分专注于实验课堂，可实现高效生物实验教学。

（作者单位系厦门第一中学、厦门海沧实验
中学）F
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