创新高中生物实验教学 落实科学探究素养培养

河北省保定市第一中学(071000) 龚军辉

1 前言

生物学是一门实验性很强的学科，因材施教、因地制宜地创新高中生物实验教学，对于更好地开展学生的探究性学习、落实科学探究素养培养具有重大的现实意义。中华人民共和国教育部颁布的《普通高中生物学课程标准(2017年版)》明确指出，生物学课程要求学生主动地参与学习，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中习得生物学知识，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践能力。

“科学探究”素养是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。学生应在探究过程中，逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力；在探究过程中，乐于并善于进行团队合作，勇于创新。

实验教学创新不仅注重知识层面的学习，更强调合作与交流、审辩思维、整合创新能力的培养提升，能在解决具体问题情境中应用多种学习技能。实验教学创新主要集中在实验材料的选择、操作流程和实验设计原理等层面上，能给予学生启迪及多种思维的训练，拓宽实验设计思路，开阔眼界并培养创新性思维能力，最终落实在科学探究素养的培养上。

“尝试制作真核细胞的三维结构模型”和“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”两个实验对于培养学生模型建构能力和科学探究素养具有重要意义，但是在实际的教学中，由于各种原因导致这两个实验不能正常开展。笔者以这两个实验为例，创新实验教学，落实科学探究素养的培养，以供各位教师参考。

2 “尝试制作真核细胞的三维结构模型”实验创新

2.1 教材分析

理解模型、领悟模型方法和建构模型是高中生物学课程标准的重要内容之一，著名的DNA双螺旋结构模型即为经典之作。“尝试制作真核细胞的三维结构模型”是“细胞的基本结构”中安排的一堂活动课，也是学生在高一生物课程学习中的第一个物理模型建构活动。目前，在教学实践过程中，安排该活动的教师不多，主要原因是：一方面教师认为此内容教学任务重，模型建构活动费时费力；另一方面是因为学生人数多，难以较好地组织开展活动。因此，探讨如何能够在有限的时间里有效地组织真核细胞的模型构建活动，充分发挥模型构建活动的价值，是本教学设计的重中之重。

2.2 学情分析

学生对真核细胞的结构和功能已经有所了解，但在光学显微镜下，大部分细胞结构观察不到，学生缺乏感性认识，不能很好地理解细胞是一个有机的整体，各部分结构相互联系和协调。本活动的开展，能让学生掌握模型建构的方法，认知细胞基本结构和细胞器的具体结构，探讨细胞各结构的功能，认识细胞结构与功能相适应的特点。

2.3 教学目标

2.3.1 知识目标

能更好地构建核心概念，即细胞作为最基本的生命系统，有细胞膜作为边界将细胞与外界隔离，细胞内部的各种结构协调配合，使细胞具有各种各样的功能。

2.3.2 能力目标

运用所学知识，设计并制作真核细胞的三维结构模型，体验模型建构的方法，对细胞结构的认识从感性上升到理性。

2.3.3 情感态度与价值观目标

体验生物学研究的一些重要的方法，体验小组合作学习的快乐。

2.4 教学设计思路

教学设计思路如图1所示。

图1 教学设计思路

2.5 教学过程

2.5.1 前期材料准备

将学生分组，8人一组，选出组长，以自愿结合为前提，教师适当给予帮助和调整。在寻找、选择材料时，指导学生将课本知识与实际生活相联系，充分发挥其想象力，积极有效地参与活动。要求所选材料安全、可操作性强、物美价廉。

2.5.2 新课导入

以物理模型、概念模型和数学模型这3种常见的模型实例展开，分析模型特点，概括总结模型概念，引出构建真核细胞三维结构的物理模型。

2.5.3 小组讨论设计标准

教师展示上一届学生制作的真核细胞的三维结构模型，让学生进行讨论、评价，并尝试回答问题：“你能看出该模型是哪一种真核细胞，判断的标准是什么，能否识别模型中各细胞的结构，该模型比较成功的地方是什么，还有哪些地方需要完善？”

经学生讨论、教师点评后，形成真核细胞三维结构模型建构的评价标准，并进行了赋分(见表1)，用于指导本次活动的实施。

表1 真核细胞三维结构模型评价表

2.5.4 小组合作制作模型

按照建构的评价标准，小组成员相互合作进行模型建构。在制作过程中，教师在课堂上巡视，观察各小组的制作进程、小组成员之间的合作协调情况。

2.5.5 小组间互评及优秀模型展示与点评

模型建构结束后，由小组长进行客观公正的评分，统计得分结果，并请优秀作品的制作代表进行自我评价。

2.5.6 活动总结

由学生相互讨论后，自我反思活动的收获并进行展示，实现本次活动情感态度与价值观的目标。

2.6 教学反思

笔者对本实验开展的整个过程及效果进行了反思，主要有以下几个方面。

(1)学生的想象力很丰富，废包装盒、绿豆、橡皮泥、面团，甚至石榴籽都可以作为构建细胞模型的材料。学生准备材料的过程其实也是对细胞各部分结构和功能进行深入理解的过程。

(2)课堂活动比教师单纯讲授知识的效果好。在教学实践中，往往是教师直接简单描述模型的概念，以达到学生在考试中会答题为目的，而忽视了学生在活动过程中对模型概念更深刻的认识。通过掌握和体验模型建构的方法，有助于学生生物学科的学习。

(3)模型建构的意义：学生完成真核细胞三维结构模型的制作、评价、展示和交流等一系列活动后，在收获模型成就感的同时，实现了对细胞基本结构——细胞器，抽象与具体的辩证统一认识，树立了细胞结构的完整性和结构与功能相适应的基本观念。学生只有亲身参与了制作和评价过程，才能掌握模型建构的方法，提升实验技能，提高科学素养。

(4)活动教学建议：在真核细胞三维结构模型的制作工程中，建议用一课时完成模型的制作和评价，教师可适当进行课堂活动的课下延伸。比如可以将各班在课堂活动中评出的创意作品收集后，进一步在全校展示，激发学生学习生物的兴趣。

3 “探究培养液中酵母菌种群数量的变化”实验创新

3.1 教材分析

“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”实验是“种群数量变化”一节中的探究性实验。教材中对于该实验只有一个原则性的、较为笼统的介绍，没有具体的实验操作步骤。另外实验操作涉及到微生物的接种和培养、血球计数板、显微镜的使用等较为复杂的操作，对学生而言，要在规定的时间内完成实验难度大、要求高，而且本实验周期较长，可操作性不强。但本实验的开展也具有其重要意义：不仅有利于渗透新课程的教学理念，让学生熟悉探究活动的一般过程，培养学生探究、设计和评价实验的能力，而且在对本探究课题的结果分析中，引导学生建构数学模型，培养学生透过现象揭示事物本质的规律。

3.2 遇到的困难及解决方法

在开展实验教学的过程中，笔者遇到了很多困难，结合本校实际情况，尝试了许多解决方法。现将所遇到的困难和采取的解决方法汇总如下。

3.2.1 实验过程中的杂菌污染

因实验条件和学生操作水平的限制，实验过程中的杂菌污染是一个十分严峻的问题。为尽可能解决这一问题，笔者采用5%的医用葡萄糖注射液作为培养液，解决了培养基的灭菌问题，并在培养液中加入了少量的抗生素，避免实验操作中可能出现的细菌污染对酵母菌生长的影响。

3.2.2 血球计数板的使用

血球计数板的使用是本实验的又一大难点，若放在实验课上讲解和练习操作，便无法达成教学目标。为此，笔者将血球计数板的使用进行前置学习，即实验操作的前3天将血球计数板的简介和使用方法下发给学生，使其熟悉血球计数板的使用方法。在学生进行实验操作时，集中讲解使用注意事项并让学生练习，这样既节约了上课时间保证教学任务顺利完成，又增强了教学效果和学习效率。

3.2.3 时间与教学任务的矛盾

本实验周期为7天，每天都需要在同一时间进入实验室操作，而高中生的学习任务重，课余时间少。于是笔者将本实验改进为每组只操作一次即可，既减少操作次数、节约学生时间而又最大限度地保证了实验的顺利完成，使得开展本实验教学的门槛大大降低。具体做法如下：将学生分为7组，实验课前的第7天、第6天……第1天分别有一组同学进入实验室进行酵母菌的接种操作和学习血球计数板的使用方法，这样到实验课时便得到培养了1～7天的酵母菌溶液，再加上接种时每组测定的初始值，这样便可得到8组数据用于数学模型的建构。需要注意的是，每组实验中所加入的干酵母粉和培养液的体积都是一致的。

3.2.4 计数的准确性

由于酵母菌体积微小且数量庞大，学生取样的一致性和血球计数板的使用都可能出现问题。为最大限度保证酵母菌数量计数的准确性，笔者采用每组只负责本组实验的计数，且每生计数一次。若组内所得数据差距较大就要分析原因并重新计数，最终取组内每位同学所得数据的平均数。这样操作在节约时间的同时锻炼了学生的计数能力，提高了数据的准确性。若计数时密度较大则可稀释一定倍数后再计数。

另外，数学模型的建构采用Excel统计数据并绘出数量变化曲线，直观而准确。同时培养两种不同培养液浓度的酵母菌溶液，对影响数量变化的因素进行初步探究，为后续的拓展延伸提供案例。

3.3 教学过程与展示

实验过程展示分为实验课前的准备与操作、实验课上的指导与探究两个部分。

3.3.1 实验课前的准备与操作

将学生分为7组，实验课前的1～7天，每天下午4点10分让一组学生进入生物实验室进行实验课前的准备，主要包括培养基的配置、学习并利用分析天平称出10 mg的活性干酵母粉、酵母菌的接种、血球计数板的使用练习及测定酵母菌培养液中种群数量的初始值。

3.3.2 实验课上的探究与指导

3.3.2.1 提出问题和做出假设

利用问题设置疑问导入课堂，同时也提出了所要探究的问题，由学生做出假设。

3.3.2.2 实验方案设计

在设计实验方案时，先引导学生说出大致的实验设计思路，然后依据思路构建方案框架，再针对相关细节问题进行讨论、处理。例如如何计数、怎样保证计数的准确性、如何尽量保证无杂菌污染、如何设计计数用的表格、怎样建构数学模型等，最终拿出完整的实验方案。

3.3.2.3 实施实验方案

在教师引导下完成方案设计后，即开始实施实验。因为培养酵母菌的工作已经在实验课前完成，所以课上便是对所培养的酵母菌进行计数，每组只负责计数本组所培养的酵母菌培养液，组内每位学生都需要计数，若组内数据差距较大则需讨论原因并重新计数，教师给予一定的指导。这样学生的操作时间较为充裕，保证了计数操作的过程和数据的准确性。

3.3.2.4 建构数学模型

计数完成后各组分别获得了各自培养的酵母菌培养液中酵母菌的种群数量，同时也获得了培养了1～7天的酵母菌种群数量，各组依次填入设计好的记录数据的表格中。利用Excel的图表功能建构种群数量变化的数学模型，并对该模型进行解释。

3.3.3 课后拓展与延伸

由问题引出进一步探究的内容，即：影响酵母菌种群数量变化的因素有哪些？并对其进行初步探究，选择其中的培养液浓度这一影响因素实施操作(课前实验操作时已经完成，课上只需要计数即可)，其数学模型的建构留作课下探究的延伸内容，既培养了学生的自主探究能力又加深了他们对实验的理解。

3.4 教学反思

实验教学的过程比结果更重要。对于笔者而言，通过本次实验，提升了对学生实验课的组织与开展能力，进一步加深了对学生实验能力的了解，对于后续课程的开展十分有利。对于学生来说，增强了实验操作能力，培养了探究、设计和评价实验的能力；对本探究课题的数学模型分析，有利于培养学生透过现象揭示事物本质的洞察力。