围绕科学探究活动 落实学科核心素养——以“酵母细胞的固定化”教学为例

云南

1.科学探究活动与高中生物核心素养的关系

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中界定的学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究、社会责任四个维度。赵占良老师在人教版高中生物教材培训和经验交流会上提到，落实学科核心素养需要学生在真实的情境中发现问题、提出问题、分析问题、解决问题，而不是“从理论到理论”的讲解，更不是讲完理论知识就做题。真实的情境可以来自生活、生产、科学史，也可以来自科研实践。科研实践有很多形式，科学探究活动就是其中的形式之一，教师在授课过程中适当结合科研实践内容，不仅可以在知识方面达到教学目标，还能够培养学生的思维能力、对科学探究的理解能力以及社会责任，让学生树立正确的生命观念。鉴于高中生物课程作为一门基础性的实验学科，教材在编排上也是先安排了大量的探究性实验、观察类实验及科学探索历程等，然后再介绍相关的抽象性、理论性较强的生物学概念及原理，所以教师在生物教学中应该重视实验教学、模型建构、模拟实验等科学探究活动。

2.结合科学探究活动培养核心素养的实施过程

2.1 创新建模，培养科学思维，树立结构与功能观

以人教版教材选修1“固定化酶的应用实例”为例，在传统的教学模式下，很多教师会采用理论讲解的方式来处理高果糖浆这部分知识点，而在本文中，笔者充分调动学生的主观能动性，让学生从生活中挖掘材料，制作高果糖浆反应柱的物理模型，并模拟高果糖浆生产过程，让学生基于教材理论知识，建构模型，表达并阐述知识的内涵，培养科学思维。同时以“结构与功能观”为指导，帮助学生理清反应柱各部分的结构与作用。在该科学探究活动中，学生利用身边的简易材料，如海绵、粉笔等模拟固定化酶，用饮料瓶模拟反应柱，在饮料瓶盖上扎几个小孔代表多孔筛板，用蒸馏水模拟原料葡萄糖溶液，通过在筛板上垫了一层涂有色素的棉花，让生成的“果糖溶液”呈现另外一种颜色。通过该探究活动，不但让学生达成了知识目标，还培养了学生的动手能力和创新能力，真正落实了学科核心素养。

2.2 学会探究性实验的一般方法和步骤，培养科学探究能力

在以往的教学案例中，涉及制备固定化酵母细胞的实验时，教师一般会让学生按照课本上的实验步骤自己动手操作一遍，亲自体会制作凝胶珠的过程，并观察制作好的凝胶珠的颜色和形状。而在本文中，笔者将“验证性实验”改为“探究性实验”，按照探究性实验的研究思路，引导学生对“海藻酸钠溶液浓度会影响凝胶珠的质量”提出可探究的生物学问题，基于原有的实验条件，自己提出问题、作出假设、设计实验、实施方案、最终得出结论。学生在整个探究过程中，会不断遇到新的问题，需要及时调整实验方案来解决问题。针对本探究性实验，学生提出的问题是“探究固定化酵母细胞实验中最适的海藻酸钠溶液浓度”，作出的假设是“7%的海藻酸钠溶液浓度是固定化酵母细胞实验的最适浓度”，据此学生在预方案中设计了1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%共10个浓度梯度，把不同浓度下凝胶珠的颜色和形状作为评价指标。而在进行预实验时，学生发现了3个问题：（1）7%的海藻酸钠溶液浓度并不是最适浓度；（2）当海藻酸钠溶液浓度≥4%时，不仅在配制海藻酸钠溶液时容易焦糊，而且融化后的海藻酸钠不是液态的，而是呈块状或胶状，这样就会导致在将海藻酸钠溶液与活化的酵母细胞混合时不能充分混匀，影响包埋效果；（3）即使在适宜的海藻酸钠溶液浓度条件下，制作出的凝胶珠形状也不全是球状或椭球状。于是学生在做正式实验时及时调整了实验方案：（1）增设了0.2%、0.5%两个浓度梯度；（2）该实验的评价指标除了以凝胶珠的颜色和形状为主，还应该综合考虑配制海藻酸钠溶液是否操作简便，包埋效果好坏等；（3）尽量排除无关变量，要以恒定的、缓慢的速度将注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中。实验结果：当海藻酸钠溶液浓度≤0.5%时，制备的凝胶珠有一端是尖头的，颜色稍微发白；当海藻酸钠溶液浓度≥4%时，制备的凝胶珠颜色为浅黄色，但是形状不是球状，而是呈“蝌蚪状的”，带有“尾巴”，且浓度越大，“尾巴”越长，最终变成条状；当海藻酸钠溶液浓度为1%、2%、3%时，凝胶珠的颜色为浅黄色，形状为球状。实验结论：该实验最适的海藻酸钠溶液浓度为1%、2%、3%。这个结论并不是教材上假设的7%，于是学生又分析其原因可能是海藻酸钠品质不同造成的。在该探究活动中，笔者让学生观察并提问、自己设计实验方案，在方案实施过程中发现问题并及时调整实验方案，不断补充完善评价方案，观察现象得出结论后交流、讨论。此方式能够极大地提高学生的科学探究能力，使学生养成一定的科学探究习惯及批判性思维，锻炼了学生的语言文字表达能力。

2.3 评价、完善、实施教材实验方案，培养科学探究素养

对于教材已有的实验方案，笔者一般指导学生利用“五看法”评价其科学性和可行性：一看对照，二看步骤，三看验证，四看材料，五看条件，最常见的实验评价就是分析实验是否遵循对照原则、单一变量原则等。在评价完善的过程中，能有效培养学生的科学探究能力、科学思维能力。在本课题中，笔者让学生评价完善教材上的两个实验，并进行探究性实验验证。第一个实验是教材上“将海藻酸钠溶液与酵母溶液混合后滴加到CaCl2溶液中制备凝胶珠”的实验，据此得出“凝胶珠形成的原理是海藻酸钠溶液和CaCl2溶液发生离子置换反应生成不溶于水的海藻酸钙”这一结论，让学生来评价完善方案，并进行实验验证。学生讨论后发现该实验缺少空白对照组，没有遵循实验设计的对照原则，不能排除凝胶珠的形成是在水中发生物理变化，从液态转变为固态这一情况。于是学生完善了该实验方案，设置两组实验，分别为实验组和对照组，实验组把注射器中的溶液滴加到CaCl2溶液中，对照组把注射器中的溶液滴加到蒸馏水中，一段时间后观察实验现象：开始时在CaCl2溶液和蒸馏水中都会形成凝胶珠；可是8分钟后，CaCl2溶液中的凝胶珠依然存在，而蒸馏水中的凝胶珠已溶解，由此得出结论：凝胶珠的形成是化学变化，而不是物理变化。第二个实验是教材上“把固定化酵母细胞接种到葡萄糖溶液中进行发酵，观察是否有气泡产生，闻闻是否有酒味”的实验，据此得出“用固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液会产生CO2和酒精”这一结论。笔者引导学生思考CO2和酒精会不会是除酵母菌之外的其他微生物发酵所产生的，让学生评价、完善此方案，学生同样发现该实验没有遵循对照原则，于是又增设了空白对照组，即把不含酵母细胞的凝胶珠接种到葡萄糖溶液中，同时进行发酵，没有观察到气泡，也没有闻到酒味，由此才得出结论：气泡和酒味的产生是酵母菌发酵所致。接着笔者告知学生工业上若需要反复使用固定化酵母细胞，如需要进行果酒、果醋连续生产，就要避免其他微生物的污染。通过这两个探究实验活动，能帮助学生形成严谨的科研态度及良好的科研素养，并让学生认识到学习科学知识应为生产实践服务，落实学生的社会责任。

3.在科学探究活动中落实学生学科核心素养的建议

由于受传统教育理念的束缚，在大部分地区，高中生物教师在实施教学的过程中存在“唯分论”的观念，再加上有些地区的学校实验条件受限等多方面原因，很多教师仅限于从枯燥的理论层面上传授生物知识，忽视了实验等科学探究活动，这样极易让学生失去学习兴趣，不能真正落实学科核心素养。因此，高中生物教师要转变教学观念，强化科学探究活动，增强教学意识。对于实验教学，要善于从生活中挖掘材料，模拟实验场景，引导学生走出教室，参与各类社会科学实践活动，如调查人类遗传病的发病率、观察豌豆生长等。学校、教育行政管理部门应该加大对实验教学的投入和鼓励、优化生物课程方案设计等。

在实验教学的过程中，要构建和谐轻松的教学氛围，耐心引导学生的思维，严格规范实验过程中的观察与操作，遵循科学研究的基本规律，鼓励学生大胆提出问题，作出假设，设计实验，通过实验验证得出正确结论，学会评价、完善实验方案。

总之，通过各种探究活动，可以转变学生被动接受知识的学习方式。倡导探究性学习，主要是提高学生的科学探究能力，培养学生的学科核心素养。