中学生物学实验助力学生科学思维的培养初探

孙春燕

摘要 以“探究酵母菌的细胞呼吸方式”一课的实验教学为例，阐述如何在实验课的课堂教学中培养学生的科学思维能力。

关键词 科学思维 实验教学 细胞呼吸

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）提出，培育学生学科核心素养是生物课程设计的宗旨。核心素养中最突出的就是科学思维。著名物理学家劳厄曾说，在学习过程中，发展思维能力比获得知识更为重要。教育给予人们的应是当一切已学知识都被遗忘的时候仍然留在脑海中帮助人们解决问题的那种科学思维能力。在教学中如何培养学生的科学思维呢？生物学实验就是一个很好的载体。生物学物实验是有目的地探索生物现象与生命活动规律，受理性支配，最终寻找科学的答案。因此，实验过程贯穿着科学思维。教师依托教材，借助实验，可以更好地提升学生的思维品质，将科学思维培养落到实处。笔者以“探究酵母菌的细胞呼吸方式”实验教学为例，尝试在实验中培养学生的科学思维。

1教材分析

“探究酵母菌的细胞呼吸方式”是人教版生物教材《必修1.分子与细胞》第五章第三节的教学内容。细胞中的直接能源物质是ATP，而ATP的主要来源正是细胞呼吸。学生在初中已经知道了酵母菌的呼吸作用会产生COs和酒精，但对细胞呼吸是否需要氧气以及不同气体条件下产物是否存在区别并不清楚。学生通过探究实验，既可以实现对的建构，又能培养其科学思维。

笔者确立了以下教学目标：（1）根据现象，提出问题，并设计可行的实验方案，培养创新思维；（2）描述实验现象，分析实验结果，并进行归纳演绎，培养逻辑思维能力；（3）如实描述异常现象，尝试解释并寻求原因，培养批判性思维能力。

2教学过程

2.1情境导入

笔者开展的这节课参加了2017年江苏省优质课评比。由于异地上课，师生之间是陌生的，因此笔者通过组织学生观察、品尝自酿酒，并观看当地民众酿酒的视频，以当地特色酒文化引入课题。

导演张艺谋曾说过这样一段话：“没有多少人能记住整部电影详细的过程，但却能记住某个闪亮的细节。”课堂教学亦是如此，任何一个细节都有可能影响一节成功优质课程的质量。一个有吸引力的视频环境会激发学生最佳水平的刺激，而零距离地接触实物则效果更好。这样的导入大大激发了学生的学习兴趣，有利于探究活动的深入开展。

2.2释疑解惑

（1）学习活动一：三思而后行。

根据观察的现象，教师引导学生对酵母菌的细胞呼吸方式以及产物展开探讨。

教师对学生提出的问题汇总归纳，引导学生对本组所提问题尝试作出假设。借助教师提供的实验器材，各小组交流讨论实验思路。实验器材分为两套：一套是锥形瓶、橡胶塞、直角导管等传统实验器材，另一套由注射器、三通阀等创新器材构成。上课前，各组组长自行选择，任取一套。教师引导学生思考：本实验的自变量是什么？因变量的观测指标是什么？无关变量如何控制？

组1：选用传统器材，计划组装出两组装置，一组通入氧气，另一组不通入氧气。通过直角导管将锥形瓶相连，最后用澄清石灰水检测有无二氧化碳气体产生。

组2：补充介绍控制气体的方法。

组3：选择创新器材。注射器与三通阀连接后，排尽空气，关好阀门，即形成无氧环境。另一组则打开阀门，使用注射器抽取一定量的气体，即形成有氧环境。

对于有氧、无氧条件的控制，教师可以组织学生展开充分讨论，相互评价，取长补短，不断完善。理越辩越明，因此教师在此环节中切忌越俎代疱，更不能急着公布所谓的标准答案，以免影响学生的思维扩展。教师应该循循善诱，引导学生相互交流，使学生以讨论、阐述与质疑等方式实现思维碰撞，从而达到授之以渔，这才是培养学生科学思维的核心。

（2）学习活动二：绝知须躬行。

学生进行实验，教师巡视指导，手机抓拍，并通过“希沃授课助手”同屏显示。学生描述实验现象：注射器装置均产生了气泡，推杆移动明显，在锥形瓶装置的培养液中有气泡冒出。教师提出问题：气泡是二氧化碳吗？各组开始对气泡进行检验。教师补充介绍溴麝香草酚蓝溶液，其检测二氧化碳的灵敏度更高。传统组中有的小组使用直角导管将盛有酵母菌培养液的锥形瓶与澄清石灰水连通，有的选择溴麝香草酚蓝溶液；创新组在三通阀的另一个接口接上盛有澄清石灰水或溴麝香草酚蓝溶液的注射器。

学生进一步描述实验现象。教师组织学生对实验现象进行对照、剖析、归纳，同时结合教材装置，分析各个小组的优缺点。

由于学生刚刚体验了实验，因此对于教材中“间歇充气50 min，培养8～10 h”纷纷表示太麻烦，时间太久，无法当堂课观察到实验现象。而创新组根据注射器推杆的移动距离进行定量分析则是另一大优势。在使用注射器時，并没有使用输液管和止水夹来形成密闭环境。课前预实验中，笔者发现如果操作不细心，输液管中残留的酵母菌培养液易随气体一并流入鉴定溶液中，从而对颜色变化造成干扰，同时直角导管与橡胶塞的连通也消耗了不少时间。因此，笔者选用了医用三通阀和螺纹口注射器（图1）。创新组比传统组实验操作更便捷，实验效果更明显。

根据教材中有氧条件的控制方法，学生在操作时往往不能很好地控制橡皮球的通气速度，使空气中的二氧化碳未经氢氧化钠溶液充分吸收，从而影响实验结果。鉴于纯氧的制备并不是本实验的目的，因此，实验中提供事先制备的纯氧既缩短实验时间又增大了培养液中的溶解氧浓度。氧气是借助医用制氧机制取的，储存于输液袋中，需要时用注射器抽取所需体积的氧气即可。这样简化了实验操作，也使实验现象更明显。

本实验还需要检测的酒精。教师介绍检测方法，学生进行酒精检测并描述实验现象。操作后，各小组纷纷表示两支试管颜色均发生了颜色变化。

教师提出问题：理论上有氧呼吸装置中应该没有灰绿色现象，为什么实验结果不能说明？并留给学生足够的时间展开分析、讨论，进行激烈的思维碰撞。

学生1：氧气太少，酵母菌消耗完氧气后又进行了无氧呼吸。

学生2：可能氧气与酵母菌培养液没有充分接触导致酵母菌进行了无氧呼吸。

学生3：可能实验中设定的温度适宜酵母菌进行无氧呼吸，也许需要重新寻找合适的保温温度。

……

教师补充：酒精遇到酸性重铬酸钾呈现灰绿色，但不表示只有酒精会有这种反应。像葡萄糖这类还原糖也可以和酸性溶液中的重铬酸钾发生此颜色反应。综合以上，如何改进酒精检测的方法呢？

學生结合化学知识提出酒精气化、闻气味或者把葡萄糖溶液消耗完再进行检测。教师可以用摇床振荡培养24 h的酵母菌培养液进行检测，帮助学生理解教材中培养时间为“8～10 h”。而注射器这套装置虽然用量少，现象明显，但若长时间培养注射器推杆会从注射筒掉出。教师可以鼓励学生课后继续探究，有没有更合适的探究实验装置搭建。

有氧呼吸装置中的培养液进行酒精检测也变成了灰绿色，这一现象与理论不相符。在实验教学中，由于各种原因，有时会出现与预期不相符的实验现象。针对异常现象，如果教师不进行正确引导，往往会给学生带来认知困惑，影响教学效果。在本节课中，笔者没有回避异常现象，而是鼓励学生质疑与分析，进一步优化实验方案，提出改进措施，有利于学生批判性思维的培养。

新课标倡导教师“用教材教”而不是简单的“教教材”。在教学活动中，教师应创造性地使用教材，结合实际条件以及学生的操作技能，选取更适合本校师生的实验方法，使高中生物实验更有实效。本节课上，笔者引导学生对两套装置进行分析，使学生的思维更趋理性。课后有学生还给出了其他建议。教师只有集思广益，博采众长，才能使探究活动更深入，并将课堂教学延伸到课后。

3感悟建构

通过前面的实验及分析，学生对细胞呼吸有了进一步认识，从而修订细胞呼吸的概念，并建构如图2所示的知识框架图。

新课标认为，学生在学习过程中应该学会运用归纳与概括、演绎与推理等方法，探讨、阐释生命现象及规律。归纳概括是在知识间建立联系，实现对知识的再建构。学生要在原有知识的基础上，通过探究性实验，进一步完善其知识结构体系。

4反思

4.1情境教学与课堂的融入

以江阴黑酒、老白酒这些地方特色的非物质文化作为情境贯穿整节课。通过适宜的情境教学，激发学生的学习热情，体现了新课标“理论与实际相结合”的理念，从而使学生“知其然”，更“知其所以然”。传统文化与生物课堂教学的融合有利于弘扬了传统文化，但限于笔者的传统文化底蕴并不深厚，因此，教学中传统文化的渗透还显粗浅，有待进一步研究。

4.2实验教学的重要性

“善观察者，可以见常人所未见；不善观察者，入宝山而空手归。”实验可以培养学生的观察能力和实事求是的科学态度。教师对异常现象的不回避更使学生领悟到科学研究的严谨性。理性而谨慎的思维可以让师生更好地独立思考，不人云亦云。

4.3课程设计的利弊分析

本节课的设计还存在不足这处，如酵母菌的细胞呼吸产物除了酒精、二氧化碳外，还有其他物质吗？有机物氧化分解后释放的能量如何检测？……这些只能由学生课后再次通过探究实验来完成。