巧用教科书实验,培养学生的创新能力

孙 方

“细胞大小与物质运输的关系”是普通高中课程标准生物教科书必修模块!第六章第一节“细胞增殖”中安排的一个模拟实验。目的是通过探究细胞大小与物质运输效率之间的关系，探讨细胞不能无限长大的原因。该实验看似简单，其实蕴含了许多培养学生创新能力的教学资源与契机，亟待开发和利用。

一、转换新的视角，引发逆向思维

教科书中该实验是用含酚酞的琼脂块模拟细胞，以NaOH溶液模拟细胞外的营养物质，以琼脂块中NaOH渗入部分变为紫红色来模拟外界物质扩散进细胞。学生通过该模拟实验探究细胞大小与物质运输效率之间关系的过程中，注意力都集中在对琼脂块变化的观察及分析上。然而，学生观察到的只是外界营养物质向细胞内的运输，是单向运输，由此得出的实验结论并不客观、全面。教师还要适时引导学生转换观察的角度，从只观察琼脂块的变化，转向观察Na0H溶液的变化，并层层设问：NaOH溶液有无变化?有何变化?这变化意味着什么?让学生从另一个角度去观察、思考和讨论，训练学生的逆向思维。

学生通过转换观察视角，发现无色透明的NaOH溶液变为紫红色，这表明琼脂块中酚酞向外渗出，由此得出物质运输具有双向性的结论：既有外界营养物质向细胞内输入，又有细胞代谢产物的输出。这使物质运输效率具有了新的含义。

二、创新实验材料，训练批判思维

创新源于问题，因此要鼓励学生对现有的知识不满足，对已有的结论不轻信，甚至对教科书中设置的实验也敢于大胆质疑，发现问题。教师可以组织学生对教科书实验的材料、方法和试剂的选择等进行评价与分析，找出其中的不足之处，训练学生的批判思维。如，有的学生提出教科书中的实验设计存在一定的安全隐患：酚酞易引起皮肤过敏，NaOH有腐蚀性，若接触不慎，会引起皮肤、呼吸道、消化道的严重损伤。找到教科书中实验的缺点，也就找到了革新的目标，这就是创造学上的“缺点列举法”。为此，学生们提出了很多解决办法。他们结合已有的化学知识，提出Na₂CO₃无腐蚀性，呈弱碱性，遇酚酞同样也可产生紫红色的颜色反应，可以考虑用Na₂CO₃替代NaOH，降低实验过程中的不安全性。此时，教师应及时对学生发表的评价意见及解决方法表示肯定和鼓励，学生敢于质疑本身就是创新的个性品质。同时，教师应抓住时机，引导学生进一步思考：虽然用Na₂CO₃替代NaOH，解决了NaOH腐蚀性强的问题，但酚酞易引起皮肤过敏的问题仍然没有解决，能否采用其他实验材料来进一步改进实验?学生的探究兴趣又一次被激发，他们讨论热烈、共同研究，不时闪现思维的火花。最后提出了用含淀粉的琼脂块替代含酚酞的琼脂块，用含有I₂的KI溶液取代NaOH溶液的改进措施。含有I₂的KI溶液遇淀粉会产生蓝色的颜色反应，便于实验观察和分析，同时，淀粉和含有工2的Ⅺ溶液不存在腐蚀性，安全可靠。这些改进，通过实验验证，取得良好的效果，实现了实验材料的创新。

三、更新研究方法，构建数学模型

该实验除让学生按照教科书要求，运用常规的观察、实验等研究方法外，还要引导学生学会把复杂的研究对象转变为数学问题，经过合理简化后，建立一个能用数学方法揭示研究对象规律的数学关系式，即构建数学模型。

教科书中该实验的目的是探究细胞大小与物质运输效率之间的关系。实验中到底什么因素可以反映物质运输的效率，细胞大小与物质运输效率之间存在着怎样的关系，是本实验的重点和难点问题。为了很好地解决这一难点问题，实验前可以让学生分析预测实验中可以反映物质运输效率的因素有哪些：是一定时间内NaOH扩散进琼脂块的深度，是NaOH扩散进琼脂块的体积，还是NaOH扩散进琼脂块的体积与整个琼脂块体积的比值?教师引导学生根据自己的分析先提出假设，然后利用实验中获得的NaOH扩散进琼脂块的深度等测量数据，进而根据数据构建数学模型，揭示细胞大小与物质运输效率的关系。

通过构建数学模型，可以帮助学生清楚地认识到同一时刻不同体积的琼脂块中NaOH扩散深度是一样的。很显然，NaOH扩散深度是不能反映物质运输效率的，真正反映物质运输效率的是Na0H扩散进琼脂块的体积与整个琼脂块体积的比值。细胞体积越小，NaOH扩散进琼脂块的体积与整个琼脂块体积的比值越大，物质运输效率就越高：细胞体积越大，NaOH扩散进琼脂块的体积与整个琼脂块体积的比值越小，物质运输效率就越低。再通过逻辑推理，得出细胞不能无限长大的原因。

素质教育的重点是培养学生的创新精神和实践能力，而素质教育目标的实现正是通过每一节课、每一个实验，点点滴滴培养的长期积累过程。教师可结合教科书实验，挖掘更多的资源，在培养学生创新能力方面作更多的尝试。