生物學深度實驗教學設計

江蘇省常州市北郊初級中學(213002) 邰玉韋

深度學習強調(diào)學生全身心投入、經(jīng)歷深刻思維探索過程、獲得深度生命體驗。在主動加工、深度理解的基礎上，學習者能夠批判性地學習新知識，并將它們?nèi)谌朐械恼J知結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過高層次思維過程，靈活運用所學知識和能力[1]。深度實驗教學是基于深刻理解實驗原理、思想、方法、內(nèi)在價值的基礎上，指向?qū)W科關鍵能力及學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的實驗教學方式。筆者從實驗情境創(chuàng)新、實驗內(nèi)容重組、實驗技術創(chuàng)新三方面，給出深度實驗設計案例。

1 實驗情境創(chuàng)新，激發(fā)思維碰撞，促進深度參與

生物學是一門以觀察和實驗為導向的學科，借助“趣味實驗”情境的創(chuàng)設，融合真實性情境問題，可以激活學生的形象思維，促進學生思考現(xiàn)象背后的本質(zhì)，提升生物課堂教學的魅力[2]。

例如在“探索生命的方法”一節(jié)教學中，教材中提供了“蚯蚓在什么樣的物體上爬得快”的探究實驗內(nèi)容，并提供了玻璃板和硬紙板等實驗器材，設計的意圖是讓學生體驗一次完整的探究過程，并感悟和理解科學探究的一般方法。 在探究過程中通過對蚯蚓在硬紙板上和玻璃板上兩種運動狀態(tài)的對照觀察，幫助學生理解實驗變量的含義，并初步學會設計對照實驗、控制單一變量和重復實驗等具體方法。但該探究實驗的設計具有一定的局限性，單一變量比較難控制，如蚯蚓的活動狀態(tài)、硬紙板的粗糙度和干濕情況的選擇，觀察指標“速度”的判斷、蚯蚓運動路程的計算等實施起來有一定的難度，造成探究結(jié)果呈現(xiàn)不穩(wěn)定性。筆者就這一節(jié)實驗教學開設了多次公開課，嘗試著進行了3次實驗優(yōu)化創(chuàng)新，都收到較好的課堂實踐效果。

(1)第1次創(chuàng)新：保留探究“蚯蚓在什么樣的物體上爬得快”的實驗內(nèi)容，將實驗器材進行了優(yōu)化改進，A組提供了黑色粗糙磨砂紙，并保持一定濕度，模擬蚯蚓生活的自然土壤環(huán)境；B組提供了大小、厚度一樣的黑色硬卡紙，并保持與A組基本相同的濕度。

(2)第2次創(chuàng)新：設計實驗“蚯蚓對清水和洗潔精稀釋液不同的刺激會產(chǎn)生怎樣的反應”代替了原實驗內(nèi)容，嘗試并感悟科學探究的一般方法，并能通過此實驗探究的方法分析解決生活中的實際問題，如洗潔精的使用安全問題，增強愛護小動物的意識和情感，培養(yǎng)合作精神和科學探究的方法等。

(3)第3次優(yōu)化創(chuàng)新：保留“蚯蚓在什么樣的物體上爬得快”的實驗探究內(nèi)容，將實驗器材和實驗方法進行了優(yōu)化改進。A組提供了有機玻璃板與邊長為1 cm的正方形A4方格紙；B組提供了有機玻璃板、磨砂貼膜與邊長為1 cm的正方形A4方格紙，從定性實驗逐漸走向半定量實驗，并提供了一種新的判斷蚯蚓運動狀態(tài)快慢的觀察指標(視角)，幫助學生學會設置對照實驗，確定單一變量和重復實驗的方法，有效解決本節(jié)課的重點和難點。

上述3次實驗探究情境的創(chuàng)新設計，既關注了學生的興趣、學習接受能力，又為學生提供了真實的生活情境和事實來支撐概念的形成，激發(fā)學生的思維碰撞，促進學生深度參與。在教師的適當鼓勵和有效引導下，學生感受到體驗的快樂和成功的喜悅，促進了學生興趣的養(yǎng)成和維持以及個性的發(fā)展。

2 實驗內(nèi)容重組，架構(gòu)邏輯體系，促進深度理解

《義務教育生物學課程標準(2011年版)》強調(diào)：圍繞著生物學重要概念來組織并開展教學活動，能有效地提高教學效益，促進學生對知識的深入理解。教師可以結(jié)合學校和學生的實際，精選恰當、豐富的實驗內(nèi)容，在整體架構(gòu)實驗內(nèi)容體系的基礎上，對實驗教學進行富有創(chuàng)造性的重組設計，并注重選擇學生理解生物學概念所必需的實驗原理、實驗思想、實驗方法和實驗技能等，促進學生對生物學重要概念的理解和應用，以及對科學過程的理解，培養(yǎng)學生生物學核心素養(yǎng)。

例如在“人體的消化與吸收”一節(jié)教學中，教師需要幫助學生形成重要概念：“說出小腸是消化的主要器官的結(jié)構(gòu)特點”。在傳統(tǒng)教學中，針對口腔對淀粉、糖類和蛋白質(zhì)三大營養(yǎng)成分的消化，大多數(shù)教師會選擇開展“淀粉在口腔中的化學性消化”這個實驗。通過細細咀嚼饅頭味道的體驗，或用實驗器材模擬饅頭在口腔中的變化，并通過觀察饅頭咀嚼物滴加碘液后發(fā)生的顏色變化，最后證明口腔的唾液淀粉酶能促進淀粉分解成麥芽糖，口腔具有初步消化淀粉的作用。但以上實驗并沒有證據(jù)說明口腔能不能消化脂肪和蛋白質(zhì)成分。為了進一步解釋口腔、胃和小腸對淀粉、糖類和蛋白質(zhì)的消化所發(fā)揮的作用，多數(shù)教師還會選用模型建構(gòu)(見圖1)的方法幫助學生進行比較歸納和分析推理，得出結(jié)論：口腔具有初步消化淀粉的作用；胃具有初步消化蛋白質(zhì)的作用；小腸具有消化淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪的作用。這樣的活動僅僅停留在讓學生記住一些生物學事實，沒有為學生提供具有代表性的證據(jù)來為學生的概念形成提供支撐，也沒有從消化器官的結(jié)構(gòu)特點，如含有消化液的種類多少與不同等角度去建立概念，學生沒有形成結(jié)構(gòu)與功能相適應的生命觀念。當然，也有優(yōu)秀的生物教師進行了實驗內(nèi)容重組，開展了如下系列實驗活動。

(1)實驗1:利用口腔中的唾液分別開展消化淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪的實驗活動，然后用生物學方法去檢驗消化后的物質(zhì)成分變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有淀粉成分被分解了，蛋白質(zhì)和脂肪沒有被分解，說明口腔只能初步消化淀粉。

(2)實驗2:利用人工模擬胃液分別開展消化淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪的實驗活動，再用生物學方法去檢驗消化后的物質(zhì)成分變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)被初步分解了，淀粉和脂肪并沒有被分解，說明胃只能初步消化蛋白質(zhì)。

(3)實驗3:利用人工模擬腸液分別開展消化淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪的實驗活動，再用生物學方法去檢驗消化后的物質(zhì)成分變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪都被分解了，說明小腸能夠消化分解蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪，小腸是主要的消化器官。

圖1 人體主要消化器官消化物質(zhì)所發(fā)揮的作用模型建構(gòu)

再如在“人體的消化與吸收”一節(jié)教學中，教師還需要幫助學生形成重要概念：“說出小腸是吸收的主要器官的結(jié)構(gòu)特點”。在傳統(tǒng)教學中，如果僅僅通過表1的歸類總結(jié)，并不能收到良好的教學效果，學生很難真正從消化器官的結(jié)構(gòu)特點(如小腸內(nèi)表面有皺襞和絨毛，小腸絨毛內(nèi)有豐富的毛細血管等)的視角去感受和體驗，不能真正建立科學的概念。一位生物教師進行了如下實驗創(chuàng)新設計：

表1 人體主要的消化器官吸收營養(yǎng)成分歸類總結(jié)

為每個學習小組提供實物豬胃、豬小腸和豬大腸以及相應的實驗器材，通過合作方式完成3個學習任務。①用手指撫摸胃、小腸、大腸的內(nèi)表面；②將胃、小腸、大腸放入盛有清水的培養(yǎng)皿中，借助放大鏡或用肉眼仔細觀察其內(nèi)表面；③討論并完成表2。通過實驗觀察和對比分析，學生理解了小腸是吸收的主要器官的結(jié)構(gòu)特點，這樣的教學效果是難忘的，因為學生親自體驗過了，經(jīng)歷了深度的實踐。

表2 人體主要的消化器官結(jié)構(gòu)特點

3 實驗技術創(chuàng)新，重視模型建構(gòu)，解決實際問題

《義務教育生物學課程標準(2011年版)》在“教學建議”中強調(diào)：關注重要概念的學習，需要加強和完善生物學實驗教學，力爭實驗設計多樣化和創(chuàng)新化，可以采用生物材料設計實驗，也可以設計模擬性實驗，尤其是難懂的、抽象的概念知識在現(xiàn)有條件下又無法完成的觀察現(xiàn)象，還可以在實驗教學中適當引入現(xiàn)代化信息技術?；陬惐葘嶒灮驍?shù)據(jù)分析推理，通過建構(gòu)概念模型，促進學生對重要概念的深度理解和應用，提升學生的綜合分析、邏輯推理等思維能力，培養(yǎng)學生思維的靈活性和有效溝通能力。

例如在“綠色植物的蒸騰作用”一節(jié)教學中，教師需幫助學生形成重要概念：“在蒸騰作用中，水變成水蒸氣時，會吸收周圍的熱量，從而降低植物葉片表面的溫度，避免因強烈陽光的照射而灼傷葉片?！眰鹘y(tǒng)教學中，許多教師常通過類比實驗或比喻的方式幫助學生理解這一概念，如：①在手背上涂擦酒精，并利用其揮發(fā)性讓學生體驗到手背瞬間有涼絲絲的感覺；②用生活中的“燒水”現(xiàn)象來解釋，把一壺冷水燒開的過程需要從外界吸收大量的熱量；③用生活俗語“大樹底下好乘涼”進行隱喻等。這樣的教學方式，雖然學生在一定程度上理解了概念，但還沒有深入到概念的事實與本質(zhì)，理解深度不夠，并沒有給學生留下深刻的印象，沒有真正解決教學中的實際問題和難點(即蒸騰作用對葉片表面溫度的影響)。一位教師利用信息技術進行了實驗創(chuàng)新，效果很好。選用的實驗器材為朗威DISLab6.5數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器(2個)、綠蘿、光源等。實驗步驟：①連接計算機、數(shù)據(jù)采集器和溫度傳感器；打開計算機中的實驗軟件，點擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動識別所接入的傳感器，顯示當前環(huán)境溫度；②使用透明膠將溫度傳感器的探針1和探針2分別粘在新鮮植物葉片和被燙過葉片的背面，計算機會顯示當前葉片表面溫度；③最后，將兩組植物放在較強光下進行2～3 h的暴曬，或打開燈源，使環(huán)境溫度升高。觀察測得的數(shù)據(jù)或生成的圖像，發(fā)現(xiàn)新鮮的植物葉片因進行了蒸騰作用，其連接的探針顯示的溫度明顯低于被燙過的葉片。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行結(jié)果對比分析，學生更容易直觀理解“綠色植物的蒸騰作用可以降低植物葉片表面的溫度”概念。

總之，生物學教育不應該傳授給學生一些支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，教師應當慎重選擇一些重要的生物學觀念，指向真正解決學生的實際問題，并通過實驗活動或?qū)嵺`活動的創(chuàng)新設計，幫助學生理解與整合學科內(nèi)部知識的聯(lián)系。