創(chuàng)新教學設(shè)計優(yōu)化生物實驗教學

【摘要】本文認為中學生物課程中設(shè)置學生實驗的基本目標是使學生在科學探究活動中理解生物學的基本觀點、提高自身的科學探究能力等，提出教師可以在理解課標要求和教材編寫意圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校實驗條件和學生能力，創(chuàng)新教學設(shè)計，優(yōu)化實驗教學等教學建議。

【關(guān)鍵詞】生物 實驗教學 創(chuàng)新 優(yōu)化

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）07A-0029-03

中學生物學課程在學生核心素養(yǎng)發(fā)展方面的基本價值，是讓學生形成基本的生命觀和生物學基本觀點，培養(yǎng)學生的理性思維、探究能力和社會責任。中學生物課程中所設(shè)置的學生實驗，能促使學生在科學探究活動中深刻理解生物學的基本觀點，提高自身的科學探究能力等，達到提升學生核心素養(yǎng)的最終目的。

人教版教材中的教師演示實驗和學生分組實驗，大多明確地闡述了實驗的基本要素，如實驗原理、實驗材料和實驗步驟等。有的教師為了更便捷地完成實驗教學，往往將學生做實驗變成聽教師講實驗或看實驗視頻，此為灌輸式實驗課;有的實驗課上，學生靠模仿教師寫好的實驗步驟完成實驗，此為缺乏思維訓練的活動式實驗課。學生在這兩種實驗課中，由于不理解實驗原理和實驗步驟，實驗操作不規(guī)范，對實驗現(xiàn)象也缺乏關(guān)注和思考。這兩種實驗課對學生的實驗操作能力和實驗思維能力的提高是不利的。教師如何根據(jù)實驗教學目標創(chuàng)造性地使用教材資源以提高實驗課堂教學的有效性？筆者認為，教師可以在理解課標要求和教材編寫意圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校實驗條件和學生能力，創(chuàng)新教學設(shè)計，優(yōu)化實驗教學。

一、引導學生通過小組合作的形式設(shè)計和實施實驗

例如人教版八年級實驗《酒精對心率的影響》，本實驗的教學目標是使用95%濃度的酒精配置不同濃度的酒精作用于水蚤，通過記錄水蚤的心跳實驗數(shù)據(jù)，分析說明酗酒對人體健康的危害。本實驗是探究實驗，教材沒有明確如何設(shè)計對照組，也沒有明確的實驗步驟，學生又缺乏影響心率因素的相關(guān)知識，所以實驗設(shè)計中如何設(shè)計對照組，是學生學習的難點。由于教學的難度較大，許多教師采用演示實驗或觀看教學視頻的方式完成該實驗的教學，導致實驗教學的有效性較低。

教師應(yīng)根據(jù)教學目標設(shè)計教學活動，改變教學方式以提高學生自主學習的積極性，促使學生改變被動的學習方式，提高實驗課堂教學的有效性。教師可在課前引導實驗小組查詢相關(guān)資料，引導各實驗小組在了解影響心率的因素后，提出本組的實驗假設(shè)，再根據(jù)實驗假設(shè)設(shè)計實驗探究的方案。在課堂上，各小組輪流展示、分享各自的探究方案，師生共同討論完善，如某小組提出的方案為：在觀測實驗對象處于正常狀態(tài)的心率后，由低到高分別滴加不同濃度的酒精，然后再觀測其心率變化并記錄。有學生對此提出異議：此方案同一只實驗對象在不同濃度酒精中的心率變化，會受到上一次低濃度酒精的影響，因而會不準確。該小組同時提出本組方案：同時用不同的實驗對象在不同濃度的酒精中進行實驗，將觀測所得數(shù)據(jù)進行對比分析。針對此方案，前一個小組馬上指出每個實驗對象情況不一，容易出現(xiàn)誤差。還有小組提出：只用一只實驗對象，每隔一段時間滴加不同濃度酒精，達到一定時間后再進行觀測，對比正常狀態(tài)時的數(shù)據(jù)。其他組指出：時間太長，不能馬上反饋數(shù)據(jù)。其他小組也根據(jù)自己的設(shè)計提出改進意見。最終，學生達成一致，即每組用不同的實驗對象在不同濃度的酒精中進行實驗，這樣全班實驗共形成兩種對照組，一種是各小組內(nèi)的清水與一定濃度的酒精的對照組，另一種是不同小組不同濃度酒精的對照組;以全班所有小組的實驗數(shù)據(jù)作為本實驗的結(jié)果，通過分析班級大數(shù)據(jù)獲得結(jié)論。

學生通過參與實驗設(shè)計，理解了如何根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計對照組、如何處理單一變量和控制無關(guān)變量的干擾。實驗設(shè)計完成后，學生就會積極討論如何做實驗了。這樣的實驗課，學生動手實驗的積極性比在教師的指令下模仿實驗更高，學生通過觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及結(jié)果的交流與討論，提高了科學探究能力，還學會了團隊合作。此外，也可以把教材設(shè)置的教師演示實驗設(shè)計成學生探究實驗，提高實驗教學的有效性。

二、師生共同探究提高課堂實驗效率的方法

實驗課只有40分鐘時間，除了實驗前的討論學習，留給學生動手實驗的時間非常少，這就限制了學生重復(fù)實驗的次數(shù)，降低了實驗完成的可能性，許多學生還沒有看到預(yù)設(shè)的實驗結(jié)果就到下課時間了。有效控制實驗的影響因素，可以縮短學生動手操作的時間，提高課堂實驗的效率，從而提高實驗課堂教學的有效性;因地制宜地改進教材提供的實驗材料、實驗試劑、實驗裝置、實驗反應(yīng)條件，可以提高學生實驗的效率。

（一）實驗材料的創(chuàng)新

教材提供的實驗材料往往受到地域、氣候的影響，難以獲取進而影響實驗的開展。教師應(yīng)根據(jù)本地的特點，尋找適合的、價格適宜的實驗材料。

例如人教版八年級實驗《酒精對心率的影響》。教材建議用水蚤作為觀察材料，城市水質(zhì)日益被破壞，還有季節(jié)等因素導致難以獲取水蚤;需要使用顯微鏡觀察水蚤的心跳，但是制作裝片過于繁瑣，而且水蚤不易固定在視野中，心率也較快，學生在計數(shù)時極易出現(xiàn)誤差，甚至無法獲得實驗數(shù)據(jù)。有的教師嘗試用觀察小魚呼吸頻率代替心率，還有用觀察蝸牛的心率代替觀察水蚤的心率，但測量效果和科學性都不理想。琵琶清道夫原產(chǎn)地在巴西和委內(nèi)瑞拉，后傳入我國，目前是我國南方較常見的一種底棲小型魚類，個體大小正好適合放置于培養(yǎng)皿中，它會吸附在培養(yǎng)皿的玻璃上，其胸腹部扁平且接近透明，心臟的位置及其活動一目了然，可用肉眼直接進行觀察。琵琶清道夫獲得渠道多，其價格為幾元錢一只，容易養(yǎng)殖，可以在不同班級間重復(fù)使用。實驗結(jié)束后應(yīng)將清道夫放置于水族箱中凈化水質(zhì)，避免對自然水域造成不良影響。

（二）實驗試劑的創(chuàng)新

教材提供的實驗試劑有的不明確是何種物質(zhì)，有的實驗效果不佳，教師可根據(jù)教學的需要，選擇效果更佳的試劑種類，或是靈活調(diào)整試劑的濃度等，以提高對照實驗的效果。

例如人教版高一實驗《植物細胞的吸水和失水》。在這個實驗中，教材的建議是將紫色洋蔥鱗片葉放置在0.3g/ml的蔗糖溶液中，通過觀察洋蔥外表皮鱗片葉細胞紫色的液泡的大小變化來觀察成熟植物細胞滲透失水而發(fā)生質(zhì)壁分離的現(xiàn)象，從而理解原生質(zhì)層具有選擇透過性。而細胞壁是全透性的，水分子和溶解在水里的物質(zhì)都能夠自由通過。按照教材提供的試劑（0.3g/ml的蔗糖溶液）和方法（將洋蔥外表皮鱗片置于試劑中），只能證明水分子是可以出入原生質(zhì)層的物質(zhì)，即原生質(zhì)層是選擇透過性膜，不能同時證明細胞壁具有全透性，而原生質(zhì)層具有選擇透過性。經(jīng)研究得知，紅墨水中含有多種水溶性大分子，如果將無色透明的洋蔥內(nèi)表皮鱗片葉浸入0.3g/ml的蔗糖與紅墨水的混合溶液中，可以觀察到紅色混合液體不斷地浸入原生質(zhì)層和細胞壁之間的空隙中（在細胞內(nèi)的面積越來越多），接著滴加清水，則會看到紅色混合液體不斷地離開細胞（在細胞內(nèi)的面積越來越少），經(jīng)過改進，在B、C方案中觀察中細胞失水時，在顯微鏡下可以觀察到細胞壁和原生質(zhì)層中之間充滿了紅色的蔗糖溶液，這一現(xiàn)象直接證明了細胞壁的全透性，更加有利于學生得出“成熟植物細胞的原生質(zhì)層充當半透膜”這一正確結(jié)論，使學生更好地理解這一生物學核心概念。

（三）實驗裝置的改進

教材提供的實驗裝置往往只考慮簡單易行，忽略是否存在影響實驗數(shù)據(jù)準確性的因素，為了提高實驗的科學性和嚴謹性，教師應(yīng)在經(jīng)濟可行的前提下，對實驗裝置進行改良，消除與實驗有關(guān)的影響因素。

例如人教版七年級實驗《測定食物中的能量》。教材提供的參考實驗裝置（如圖2）存在兩大缺點，一是由于酒精燈的火容易被風吹滅、錐形瓶無蓋、石棉網(wǎng)吸收大量熱量等原因使食物燃燒時熱量散失嚴重，直接導致能量測量產(chǎn)生較大的誤差;二是不利于重復(fù)測量，因為食物燃燒完后，石棉網(wǎng)吸收的熱量使溫度計繼續(xù)緩慢上升，每次實驗持續(xù)比較長的時間，所以間隔較長時間才能重復(fù)測定。

圖3改進后的實驗裝置顯著的優(yōu)點是：第一，取材方便、制作容易、安裝簡單。廢品站有大量的易拉罐，將易拉罐切成兩截，一半當鍋裝水，一半當灶，鍋往灶上一放即可。第二，大大減少熱量的無關(guān)散失，實驗現(xiàn)象非常明顯，實驗時間大大縮短。因為鋁罐可直接加熱，灶可擋風，灶內(nèi)墊的鋁箔紙是反射熱源的好材料。第三，溫度計能固定不碰壁。泡沫蓋將溫度計固定，而溫度計上的橡皮筋能調(diào)節(jié)溫度計浸在水中的深度。

（四）實驗反應(yīng)時間的控制

對于實驗條件，教材常常沒有給出明確的說明，教師只能根據(jù)現(xiàn)有的條件對實驗方法給予改進，教師應(yīng)引導學生在遵循基本的原則和要求的前提下，探究實驗反應(yīng)的各個環(huán)節(jié)所需的最佳條件。

例如人教版高二選修一必做實驗《腐乳的制作》。該實驗的能力目標要求學生體驗腐乳制作的實驗操作流程，探索培養(yǎng)毛霉的溫度和時間，探索鹽及香辛料的用量，尋找避免雜菌污染的方法。但是教材中只是給出了基礎(chǔ)知識和實驗設(shè)計以及操作提示的簡略框架，實驗雖然簡單，但是由于影響因素較多，所以在實際操作過程中很容易失敗。本實驗的時間跨度非常長（約50天），分為前期發(fā)酵和后期發(fā)酵兩部分，屬于典型的長周期實驗。如何改進實驗，控制實驗的影響因素，有效縮短發(fā)酵所需的時間，是本實驗的教學重點和難點。經(jīng)過多次探究，筆者發(fā)現(xiàn)引導學生從以下幾個方面對本實驗進行改進效果較好：購買毛霉菌種代替自然菌種，提前一天按質(zhì)量比例（菌種∶涼開水=1∶50）配制好毛霉菌液，然后將切好的塊狀豆腐浸潤其中完成接種，確保實驗初期就有足夠多的毛霉;在裝壇后的腐乳湯中加入一定量的蛋白酶制劑使腐乳后期發(fā)酵由40天左右縮短到15天左右;用封口膜密封代替紗布覆蓋，由于毛霉菌生長受濕度影響大，可使用保鮮膜代替單層紗布覆蓋，否則易因豆腐失水過多導致毛霉生長不旺;在腐乳制作過程中容易發(fā)生細菌、大腸桿菌等雜菌污染，為保證實驗正常進行，實驗前用75%的酒精對實驗裝置和所用物品進行消毒，盡量做到排除雜菌干擾。

三、利用信息技術(shù)，優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)處理方法

在學生實驗結(jié)束后，各實驗小組根據(jù)本組的數(shù)據(jù)分析得出實驗結(jié)論。由于實驗時間較短，實驗小組重復(fù)實驗的次數(shù)少，甚至有的小組只能做一次實驗，只有一個實驗數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)少，則實驗結(jié)果往往具有偶然性，實驗結(jié)論就會產(chǎn)生偏差。如果將全班的數(shù)據(jù)一起整合分析，就會得出基于大數(shù)據(jù)處理下的比較科學的結(jié)論。例如在人教版八年級實驗《酒精對清道夫心率的影響》中，由于學生分成多個實驗小組分別完成不同濃度的酒精對一只琵琶清道夫心率的影響實驗，僅依靠一個實驗小組的實驗數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)誤差或不可比性，而通過云平臺（平板電腦），學生可以在課堂實驗后上傳本組實驗數(shù)據(jù)，與其他組數(shù)據(jù)匯總，生成全班的大數(shù)據(jù)，在學生對數(shù)據(jù)進行分析、討論時更全面地呈現(xiàn)實驗結(jié)果，幫助學生更快、更好地得出相應(yīng)的結(jié)論。學校沒有云平臺條件的，也可設(shè)計統(tǒng)計表格（利用黑板或課件），將全班各小組的數(shù)據(jù)進行匯總，整合成全班的大數(shù)據(jù)，保證實驗設(shè)計的科學性。

生物學是一門自然科學，實驗教學是生物學課程中非常重要的一部分，是提高學生核心素養(yǎng)的重要途徑。對教材設(shè)計的實驗進行改進創(chuàng)新，對教師來說是一個很大的挑戰(zhàn)。有利于培養(yǎng)和提高學生生物學科素養(yǎng)的創(chuàng)新教學設(shè)計才有實施的價值，教師只有在理解課標、理解生物學實驗教學在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)中的價值之后，才能形成有利于本校實驗教學的創(chuàng)新設(shè)計。

作者簡介：曾哲（1971— ），女，廣西玉林人，中學高級教師，教育碩士，南寧師范大學碩士研究生導師，國家二級心理咨詢師，南寧市生物學科帶頭人，研究方向：中學生物教學與評價。

（責編 劉小瑗）