“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實驗改進及教學(xué)設(shè)計

朱云云

【摘要】文章以“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”為例，對該模擬實驗的組織實施、實驗儀器及操作、數(shù)據(jù)記錄與分析方法進行了改進優(yōu)化，開拓中學(xué)生物實驗的思路，以期更高效地完成實驗教學(xué)，使核心素養(yǎng)在課堂教學(xué)中落實落地。

【關(guān)鍵詞】生物教學(xué)；模擬生物體維持pH的穩(wěn)定；實驗改進；教學(xué)設(shè)計

【中圖分類號】G633.91【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）10—0103—04

“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”是2019年人教版生物選擇性必修一《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第一章第二節(jié)《內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)》的探究實踐內(nèi)容[1]。本探究活動采用對比實驗的方法，通過比較自來水、緩沖液和肝勻漿等生物組織在加入酸或堿后pH的變化，定性說明在一定范圍內(nèi)生物組織勻漿與緩沖液更類似，從而說明生物體pH相對穩(wěn)定的機制。經(jīng)筆者觀察，以往的實驗操作常存在以下問題：一是學(xué)生常有打碎燒杯或玻璃棒，甚至將鹽酸或氫氧化鈉滴到手上的情況發(fā)生；二是學(xué)生不能在一節(jié)課時間完成實驗操作、結(jié)果記錄、繪圖、結(jié)果分析等過程。針對以上問題，筆者對實驗試劑儀器、操作記錄、實驗組織與實施進行了改進，以期提高課堂效率，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

一、實驗教學(xué)目標(biāo)

第一，通過化學(xué)學(xué)科知識交叉，對機體維持pH的機制作出理論推理；通過繪制曲線圖構(gòu)建“清水、緩沖液、體液對pH變化的調(diào)節(jié)作用”模型并分析，提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)水平。

第二，通過開展“比較清水、緩沖液、體液對pH變化的調(diào)節(jié)作用”實驗，提高學(xué)生的實驗操作能力、準(zhǔn)確記錄并處理數(shù)據(jù)的能力、圖表轉(zhuǎn)換能力等，提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)水平。

第三，通過探究活動以及對內(nèi)環(huán)境維持pH相對穩(wěn)定的調(diào)節(jié)機制的理解，構(gòu)建“機體通過一定的調(diào)節(jié)機制保持穩(wěn)態(tài)”的大概念，豐富學(xué)生對內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的體驗，為建立“穩(wěn)態(tài)與平衡觀”打下良好基礎(chǔ)。

第四，通過“生氣堿中毒如何急救”“食物酸堿性”等常見情境的了解，“生物體維持pH有一定的限度”等探究結(jié)論的解讀，幫助學(xué)生形成科學(xué)健康的生活態(tài)度和飲食習(xí)慣。

二、實驗教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，激發(fā)興趣

教師播放“生氣堿中毒”視頻，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識到“酸堿失衡會導(dǎo)致嚴(yán)重后果”，進而從學(xué)生已有知識基礎(chǔ)“內(nèi)環(huán)境是細(xì)胞與外界環(huán)境進行物質(zhì)交換的媒介”出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題：細(xì)胞代謝產(chǎn)生的一些酸性或堿性的物質(zhì)（如劇烈運動時產(chǎn)生的乳酸等）會進入內(nèi)環(huán)境，從外界環(huán)境攝入的食物經(jīng)消化后產(chǎn)生的酸性或堿性物質(zhì)（如食用醋中的醋酸、堿面中的碳酸鈉）也會進入內(nèi)環(huán)境，這些酸堿性物質(zhì)進入內(nèi)環(huán)境是否會讓人體健康遭到威脅？機體PH會發(fā)生明顯變化嗎？為什么？

設(shè)計意圖：學(xué)生通過觀看視頻了解機體pH失衡的后果，再以食用醋和堿面創(chuàng)設(shè)情境，制造懸疑引發(fā)學(xué)生強烈的好奇心，提出探究問題，做好探究心理準(zhǔn)備。

（二）根據(jù)已知，作出假設(shè)，科學(xué)推理

教師先后補充血漿成分表、不同鹽溶液的酸堿性表、磷酸緩沖液的緩沖機理等資料，引導(dǎo)學(xué)生分析血漿中的哪種物質(zhì)有中和酸堿的能力，并作出合理假設(shè)。教師指出假設(shè)并非結(jié)論，理論分析不能代替實驗研究，引領(lǐng)學(xué)生進行探究方案設(shè)計。

設(shè)計意圖：鹽溶液的酸堿性是人教版化學(xué)選擇性必修一第三章第三節(jié)《鹽類的水解》一文中的內(nèi)容，通常學(xué)習(xí)本節(jié)時學(xué)生還未學(xué)到，學(xué)生在分析血漿成分時中和酸堿的物質(zhì)時，不一定能聯(lián)想到無機鹽，故需要教師出示此部分相關(guān)內(nèi)容，也能使學(xué)生感受到化學(xué)學(xué)科在生物學(xué)中的應(yīng)用，通過學(xué)科交叉解決生物學(xué)中的問題，以期提高教學(xué)效率。

（三）依據(jù)目的，設(shè)計實驗，交流修正

課前布置閱讀課本任務(wù)，完成導(dǎo)學(xué)案課前預(yù)習(xí)部分設(shè)置的思考題：1.該實驗涉及的實驗材料、器材、試劑有哪些？2.該實驗基本的操作步驟是什么？3.該實驗如何對照？對照組和實驗組是什么？4.該實驗自變量和因變量分別是什么？無關(guān)變量有什么要求？

教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察實驗準(zhǔn)備用品，引導(dǎo)學(xué)生思考將鹽酸和氫氧化鈉換成白醋和食用堿水的好處，給學(xué)生介紹全班各組的生物材料及處理方法。教師通過實驗結(jié)果記錄表引導(dǎo)學(xué)生分析對照和變量，板書總結(jié)強調(diào)科學(xué)實驗設(shè)計的對照原則和單一變量原則。

實驗改進； 1.材料改進：將有腐蝕性的強酸HCl溶液與強堿NaOH溶液換成白醋與食用堿水，可提高實驗安全性，同時實際情況中生物體接觸強酸強堿的概率很小，但接觸食用堿和醋的概率很大，改進后更符合實際情況，貼近本節(jié)探究題目。經(jīng)預(yù)實驗，本實驗選擇的白醋濃度為35g/L，食用堿濃度為16g/L。2.儀器改進：將燒杯改為試管，試管所需液體量少，可節(jié)省實驗材料；玻璃棒改為塑料吸管，塑料吸管價格便宜、不易碎，可實現(xiàn)混勻和蘸吸液體測pH的作用；每支試管配一支塑料吸管，節(jié)省洗玻璃棒和燒杯的時間，減少發(fā)生打碎儀器的可能。每組準(zhǔn)備三色記號筆，方便學(xué)生在A3紙上繪圖，用于后續(xù)結(jié)果分析。

設(shè)計意圖：課前預(yù)習(xí)有助于學(xué)生對實驗內(nèi)容做到心中有數(shù)，可提高課堂教學(xué)效率，保證在有限的課堂時間內(nèi)完成實驗探究。教師通過介紹各組的實驗材料，幫助學(xué)生進一步理解題目“模擬”和“生物體”的含義。學(xué)生通過觀察實驗用品，快速熟悉實驗、領(lǐng)悟操作，提高實驗效率。教師通過強調(diào)實驗對照原則和單一變量原則，幫助學(xué)生鞏固實驗設(shè)計三原則，提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力，提升科學(xué)探究素養(yǎng)。

（四）實驗操作，記錄數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)

教師明確各組學(xué)生分工，并進行現(xiàn)場實驗演示，強調(diào)注意事項。教師要注意演示以下內(nèi)容：1.測pH的方法，提醒學(xué)生每次一滴，不要多；2.滴酸或堿時注意控制滴數(shù)，滴時吸管垂直懸空，不要碰到試管壁和吸管壁，混勻時輕輕吹吸以免液體溢出；3.及時記錄數(shù)據(jù)，粘貼pH試紙時按順序緊湊粘貼，方便直觀觀察顏色變化；4.繪圖要邊記錄數(shù)據(jù)邊描點。

實驗過程中教師隨時關(guān)注學(xué)生實驗進展，及時糾正指導(dǎo)。同時，教師及時發(fā)現(xiàn)實驗操作較快、繪圖較快的小組，安排該組收集其他組數(shù)據(jù)，繪制包含所有生物材料的匯總圖，以便后續(xù)進行綜合比較分析。

實驗改進：1.操作改進：省去學(xué)生量取液體這一步，由實驗老師提前準(zhǔn)備，分裝好液體；將玻璃棒攪拌混勻液體的方式改為塑料吸管吹吸混勻；將每5滴測pH改為每3滴測pH，提高實驗效率。2.組織實施改進：（1）根據(jù)以往經(jīng)驗，本實驗耗時較長，故需重視小組合作的作用以期提高實驗效率。按照班級人數(shù)一般為45人左右，分成9組，每組5人，2人分別負(fù)責(zé)滴酸或滴堿，2人分別負(fù)責(zé)記錄和粘貼pH試紙，1人負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并繪圖。（2）9組中設(shè)置3組豬肝勻漿平行實驗，3組雞血清平行實驗，引導(dǎo)學(xué)生理解平行實驗的意義；另為豐富探究材料，以及從反面說明平行實驗的意義，再設(shè)置3組雞肝、雞蛋清、土豆勻漿的實驗，并引導(dǎo)學(xué)生從不同生物、同一生物不同部位、動植物材料等不同角度比較各種生物維持pH的能力。3.記錄和繪圖改進：（1）將測后pH試紙按照順序粘貼在實驗報告上，以便更直觀地比較顏色變化梯度，感受不同材料調(diào)節(jié)pH穩(wěn)定的能力不同。（2）采用A3紙張、不同顏色記號筆繪圖，繪制完成后粘貼到黑板相應(yīng)位置，可供全班共同觀察比較分析，便于師生評價各組實驗結(jié)果。

設(shè)計意圖：筆者考慮到學(xué)生量取液體并清洗更換燒杯這一操作簡單且耗時，優(yōu)化為由實驗老師提前準(zhǔn)備分裝，以節(jié)省課堂實驗時間。小組成員的明確分工可提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生合作完成實驗的能力。通過記錄數(shù)值并按順序粘貼pH試紙，學(xué)生不僅可利用數(shù)據(jù)定量分析，也可利用pH試紙顏色變化趨勢定性觀察建立更直觀的印象。各組利用記號筆和A3紙張繪圖后，可將本組所繪制曲線圖粘貼在黑板上供全班觀察對比分析，此做法可充分利用課堂生成的教學(xué)資源，展開實驗結(jié)果的分析，同時也是評價學(xué)生實驗的好做法。

（五）結(jié)果分析，得出結(jié)論，總結(jié)概括

學(xué)生實驗完成后，觀察黑板上粘貼的9幅曲線圖，思考并討論以下4個問題：1.材料完全相同的三組，所得結(jié)果是否完全一樣，為什么？哪些組的實驗結(jié)果更可靠？2.就加入酸或堿后pH的變化來說，生物組織更像自來水還是更像緩沖液？為什么？3.請根據(jù)模擬實驗的結(jié)果，嘗試對機體維持pH穩(wěn)定的機制進行解釋。4.通過觀察分析曲線圖，你還能得出什么結(jié)論？師生共同探討以上問題，進行結(jié)果分析。

設(shè)計意圖：通過問題1，幫助學(xué)生理解平行實驗的意義，引導(dǎo)學(xué)生觀察比較3個重復(fù)組的結(jié)果，估計實驗結(jié)果的可靠性。通過問題2，引導(dǎo)學(xué)生比較本實驗所用的三類材料維持pH的能力，分析生物材料與緩沖液相似的原因，并辯證性分析生物材料并不完全與緩沖液接近的原因，提升學(xué)生的批判性思維。通過問題3，概括回答本節(jié)課提出的探究問題，補充機體維持pH穩(wěn)定的另一機制，通過調(diào)節(jié)生理活動維持pH，培養(yǎng)學(xué)生全面思考問題的能力。通過問題4，綜合訓(xùn)練學(xué)生的識圖能力、學(xué)生的發(fā)散思維和科學(xué)思維。通過比較不同組的實驗，學(xué)生會比較容易得出“不同生物維持pH的能力不同”，教師引導(dǎo)學(xué)生比較不同物質(zhì)維持pH的能力，發(fā)現(xiàn)雞血清和豬肝勻漿、雞肝勻漿三種動物材料維持pH的能力最強，最接近緩沖液。個別學(xué)生通過觀察曲線的趨勢，發(fā)現(xiàn)隨著加入酸或堿的增多，生物材料pH的變化越來越明顯，學(xué)生得出“生物體維持pH是有一定的限度”這個結(jié)論，教師予以肯定，并且首尾呼應(yīng)，提醒學(xué)生要保持良好心態(tài)，健康飲食，才能擁有一個健康的身體，貫穿生命健康教育。教師通過引導(dǎo)學(xué)生觀察對比雞的三組實驗結(jié)果，得出“相同生物不同部位不同器官維持pH的能力不同”這一結(jié)論，拓寬了學(xué)生觀察圖像的思路。如果學(xué)生得出其他結(jié)論，只要合理，教師均應(yīng)及時評價，予以肯定。

（六）總結(jié)實驗，評價學(xué)生，課后實踐

教師評價學(xué)生探究實驗達(dá)標(biāo)情況，布置課后書面作業(yè)和實踐作業(yè)。實踐作業(yè)如下：教師在黑枸杞水中加酸、堿后展示顏色變化，提出“花青素在不同pH值會顯示不同的顏色”這一結(jié)論，請學(xué)生課后應(yīng)用此原理，探究不同的生物材料是否有維持pH穩(wěn)定的能力。

設(shè)計意圖：該項實踐作業(yè)靈感來源于《居家學(xué)習(xí)環(huán)境下“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實驗的創(chuàng)新》[2]《“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”線上實驗教學(xué)設(shè)計與實施》[3]等文章，筆者認(rèn)為該實踐作業(yè)材料易得（黑枸杞、紫薯、桑葚、火龍果等），顏色變化明顯，難度較小，趣味性強，適合作為家庭實踐作業(yè)，以激發(fā)學(xué)生探究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的熱情。

三、實驗教學(xué)反思

該模擬實驗應(yīng)按照探究實驗的一般思路設(shè)計，將課堂重點放在實驗操作和結(jié)果分析上，提升學(xué)生科學(xué)探究能力，落實核心素養(yǎng)：學(xué)生對模型和原型的理解、曲線圖的繪制與分析均訓(xùn)練了其模型與建模思維；學(xué)生對提出的問題利用學(xué)科交叉知識進行推理論證后作出假設(shè)，通過科學(xué)實踐對假設(shè)進行驗證都是在實證意識的引領(lǐng)下開展的論證與實證過程，體現(xiàn)了尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度。科學(xué)探究是科學(xué)實踐的重要部分，有助于學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，構(gòu)建大概念，學(xué)生通過分析實驗變量、進行實驗操作、交流實驗結(jié)果提升了實驗設(shè)計、實驗操作、分工合作與交流的能力；該模擬實驗用“生物體”做題目，還可以探究植物維持pH穩(wěn)定的情況，拓寬了研究思路，利于學(xué)生建立更廣泛的穩(wěn)態(tài)與平衡觀[4]。

本實驗改進優(yōu)化的出發(fā)點有三個，一是模擬實驗中原型與模型要接近，二是實驗操作要安全，三是基于實際情況更具可行性提高課堂效率。筆者將強酸強堿換成弱酸弱堿，改進了實驗儀器，減少了清洗更換玻璃儀器的頻率，對實驗小組與分工進行設(shè)計規(guī)劃，對實驗結(jié)果的記錄與分析進行了優(yōu)化改進。改進后更節(jié)省實驗材料，利于安全開展實驗，提高實驗教學(xué)的有效性。改進后的結(jié)果顯示在生物材料中加酸或堿后pH變化趨勢介于水和緩沖液之間，更偏向于緩沖液，符合實驗預(yù)期。同時，教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進行多角度多維度的分析，提高了學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)的能力，提升了學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱正威，趙占良.生物學(xué)選擇性必修1[M].北京：人民教育出版社，2020：07-08.

[2]李琳.居家學(xué)習(xí)環(huán)境下“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實驗的創(chuàng)新[J].生物學(xué)教學(xué)，2021（04）：51-52.

[3]劉雨婷，謝珣.“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”線上實驗教學(xué)設(shè)計與實施[J].生物學(xué)教學(xué)，2023（04）：61-63.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

編輯：張昀