巧用教科書實驗,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

孫 方

“細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)生物教科書必修模塊!第六章第一節(jié)“細胞增殖”中安排的一個模擬實驗。目的是通過探究細胞大小與物質(zhì)運輸效率之間的關(guān)系，探討細胞不能無限長大的原因。該實驗看似簡單，其實蘊含了許多培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)資源與契機，亟待開發(fā)和利用。

一、轉(zhuǎn)換新的視角，引發(fā)逆向思維

教科書中該實驗是用含酚酞的瓊脂塊模擬細胞，以NaOH溶液模擬細胞外的營養(yǎng)物質(zhì)，以瓊脂塊中NaOH滲入部分變?yōu)樽霞t色來模擬外界物質(zhì)擴散進細胞。學(xué)生通過該模擬實驗探究細胞大小與物質(zhì)運輸效率之間關(guān)系的過程中，注意力都集中在對瓊脂塊變化的觀察及分析上。然而，學(xué)生觀察到的只是外界營養(yǎng)物質(zhì)向細胞內(nèi)的運輸，是單向運輸，由此得出的實驗結(jié)論并不客觀、全面。教師還要適時引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換觀察的角度，從只觀察瓊脂塊的變化，轉(zhuǎn)向觀察Na0H溶液的變化，并層層設(shè)問：NaOH溶液有無變化?有何變化?這變化意味著什么?讓學(xué)生從另一個角度去觀察、思考和討論，訓(xùn)練學(xué)生的逆向思維。

學(xué)生通過轉(zhuǎn)換觀察視角，發(fā)現(xiàn)無色透明的NaOH溶液變?yōu)樽霞t色，這表明瓊脂塊中酚酞向外滲出，由此得出物質(zhì)運輸具有雙向性的結(jié)論：既有外界營養(yǎng)物質(zhì)向細胞內(nèi)輸入，又有細胞代謝產(chǎn)物的輸出。這使物質(zhì)運輸效率具有了新的含義。

二、創(chuàng)新實驗材料，訓(xùn)練批判思維

創(chuàng)新源于問題，因此要鼓勵學(xué)生對現(xiàn)有的知識不滿足，對已有的結(jié)論不輕信，甚至對教科書中設(shè)置的實驗也敢于大膽質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)問題。教師可以組織學(xué)生對教科書實驗的材料、方法和試劑的選擇等進行評價與分析，找出其中的不足之處，訓(xùn)練學(xué)生的批判思維。如，有的學(xué)生提出教科書中的實驗設(shè)計存在一定的安全隱患：酚酞易引起皮膚過敏，NaOH有腐蝕性，若接觸不慎，會引起皮膚、呼吸道、消化道的嚴重損傷。找到教科書中實驗的缺點，也就找到了革新的目標(biāo)，這就是創(chuàng)造學(xué)上的“缺點列舉法”。為此，學(xué)生們提出了很多解決辦法。他們結(jié)合已有的化學(xué)知識，提出Na₂CO₃無腐蝕性，呈弱堿性，遇酚酞同樣也可產(chǎn)生紫紅色的顏色反應(yīng)，可以考慮用Na₂CO₃替代NaOH，降低實驗過程中的不安全性。此時，教師應(yīng)及時對學(xué)生發(fā)表的評價意見及解決方法表示肯定和鼓勵，學(xué)生敢于質(zhì)疑本身就是創(chuàng)新的個性品質(zhì)。同時，教師應(yīng)抓住時機，引導(dǎo)學(xué)生進一步思考：雖然用Na₂CO₃替代NaOH，解決了NaOH腐蝕性強的問題，但酚酞易引起皮膚過敏的問題仍然沒有解決，能否采用其他實驗材料來進一步改進實驗?學(xué)生的探究興趣又一次被激發(fā)，他們討論熱烈、共同研究，不時閃現(xiàn)思維的火花。最后提出了用含淀粉的瓊脂塊替代含酚酞的瓊脂塊，用含有I₂的KI溶液取代NaOH溶液的改進措施。含有I₂的KI溶液遇淀粉會產(chǎn)生藍色的顏色反應(yīng)，便于實驗觀察和分析，同時，淀粉和含有工2的Ⅺ溶液不存在腐蝕性，安全可靠。這些改進，通過實驗驗證，取得良好的效果，實現(xiàn)了實驗材料的創(chuàng)新。

三、更新研究方法，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

該實驗除讓學(xué)生按照教科書要求，運用常規(guī)的觀察、實驗等研究方法外，還要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會把復(fù)雜的研究對象轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題，經(jīng)過合理簡化后，建立一個能用數(shù)學(xué)方法揭示研究對象規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系式，即構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

教科書中該實驗的目的是探究細胞大小與物質(zhì)運輸效率之間的關(guān)系。實驗中到底什么因素可以反映物質(zhì)運輸?shù)男?，細胞大小與物質(zhì)運輸效率之間存在著怎樣的關(guān)系，是本實驗的重點和難點問題。為了很好地解決這一難點問題，實驗前可以讓學(xué)生分析預(yù)測實驗中可以反映物質(zhì)運輸效率的因素有哪些：是一定時間內(nèi)NaOH擴散進瓊脂塊的深度，是NaOH擴散進瓊脂塊的體積，還是NaOH擴散進瓊脂塊的體積與整個瓊脂塊體積的比值?教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的分析先提出假設(shè)，然后利用實驗中獲得的NaOH擴散進瓊脂塊的深度等測量數(shù)據(jù)，進而根據(jù)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，揭示細胞大小與物質(zhì)運輸效率的關(guān)系。

通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，可以幫助學(xué)生清楚地認識到同一時刻不同體積的瓊脂塊中NaOH擴散深度是一樣的。很顯然，NaOH擴散深度是不能反映物質(zhì)運輸效率的，真正反映物質(zhì)運輸效率的是Na0H擴散進瓊脂塊的體積與整個瓊脂塊體積的比值。細胞體積越小，NaOH擴散進瓊脂塊的體積與整個瓊脂塊體積的比值越大，物質(zhì)運輸效率就越高：細胞體積越大，NaOH擴散進瓊脂塊的體積與整個瓊脂塊體積的比值越小，物質(zhì)運輸效率就越低。再通過邏輯推理，得出細胞不能無限長大的原因。

素質(zhì)教育的重點是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，而素質(zhì)教育目標(biāo)的實現(xiàn)正是通過每一節(jié)課、每一個實驗，點點滴滴培養(yǎng)的長期積累過程。教師可結(jié)合教科書實驗，挖掘更多的資源，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面作更多的嘗試。