从科学思维品质的视角谈高中生物学实验教学的策略

王 丽

(江苏省苏州工业园区星海实验中学 苏州 215000)

科学思维是生物学学科核心素养之一，是建立在证据和逻辑推理基础上的思维，它有明确的思维依据和思维方向，能对事物或问题进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括的一种思维，是学科核心素养的标志和关键。在实际教学中，往往从科学思维方法和思维品质两个方面培养学生的科学思维。思维品质实质是人的思维的个性特征，包括创造性、灵活性、批判性、深刻性和敏捷性。

生物学是一门以实验为基础的科学，科学实验的开展可以帮助学生建构科学概念，认识科学本质，形成科学思维。因此，高中生物学实验教学是培养学生核心素养的主阵地。本文以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验教学为例,从三个角度阐述如何在实验教学中提升科学思维品质，发展科学思维。

1 在设计中提升思维品质的创造性和灵活性

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是高中生物学教材中的经典实验。人教版教材中对该实验的设计体现了典型的科学探究思路，特别是对CO2和酒精的定性检测更体现探究的科学性。但是，该实验在实践中也存在着一些困难： 该实验装置有氧和无氧条件难以把握、耗时较长、实验器材较多、药品用量大等。对于一节实验探究课来说，实验装置是实验探究的保障，教师通过层层递进的问题串引导学生对该实验装置进行优化。首先，教师就教材装置提出以下问题： ①有氧装置中质量分数为10 %的NaOH溶液的作用是什么？能否证明空气中CO2是否除尽？如何改进使实验装置更简化严谨？②无氧装置中酵母菌培养瓶静置一段时间再连接石灰水的目的是什么？静置能否证明该瓶中O2是否除尽？如何克服该问题？③教材采用锥形瓶进行CO2检测，耗时长，如何改进可在短时间内出现明显现象？④酒精如何检测？如何简化实验操作？各小组纷纷讨论发表自己的看法，课堂气氛非常活跃。最后，教师汇总各小组的设计并进行整合，设计出最优优化方案如下：

(1) 考虑到教材用气泵通气，需用质量分数为10%的NaOH溶液去除空气中的CO2，操作繁琐，借助分液漏斗和集气瓶这套装置，利用MnO2催化H2O2制O2，既可以为酵母菌细胞呼吸提供充足O2，又省去除CO2的实验装置(图1)。

图1 有氧呼吸测试装置

(2) 教材选用锥形瓶进行实验，不方便取酵母菌培养液进行酒精检测。用上嘴过滤器替代锥形瓶，并于瓶塞上安装10 cm长的针头(针头上安装软管接注射器)用于添加溶液和取样，而上嘴可作为天然排气管口(图2)。

图2 无氧呼吸测试装置

(3) 用装有澄清石灰水的具支管代替教材中锥形瓶，用于检测CO2产生情况，既节约了试剂的用量，也缩短了出现实验结果的时间，且具支管也存在天然排气口。

(4) 借助水浴锅控制温度在35℃，有助于反应在15 min左右的时间内完成[1]。

杜威认为：“教育即经验的改造或改组”，学习应该通过“做”从经验中学习。学生通过合作探究设计实验装置不仅能有效克服学生机械性背实验的问题，更有助于学生基于自身体验所获得的感悟生成并建构生物学核心概念，进而提升学生思维品质的创造性和灵活性。

2 在分析中提升思维品质的深刻性

该实验结果显示，有氧装置和无氧装置澄清石灰水均出现浑浊，但有氧装置澄清石灰水出现浑浊时间较早，且浑浊程度较深。在该实验教学中，教师常常满足于得出实验结论；酵母菌在有氧和无氧条件下均产生了CO2，且有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多。而对实验结果背后的原因分析非常欠缺。在生物学实验教学的过程中，教师一方面要引导学生观察实验现象，得出实验结论；另一方面，应引导学生通过综合分析的方式探究实验现象背后隐含的科学本质。综合分析既是建构生物学核心概念的基础，也是发展学生思维品质的基础。本实验中，教师可以引导学生分析该实验现象产生的可能原因： ①酵母菌在氧气充足时繁殖快，一段时间后有氧装置中酵母菌数量多；②酵母菌在氧气充足时代谢快，消耗葡萄糖较多。如何进一步证实？经过讨论，学生很容易想到可以利用血细胞计数板借助显微镜对酵母菌进行计数，而如何测量葡萄糖的消耗量学生很难想出对策。教师给予适当引导： 大家知道如何测定血液中葡萄糖的浓度吗？学生可以想到借助血糖监测仪分别测定一定时间内有氧和无氧装置中酵母菌分解葡萄糖的量，计算出酵母菌两种呼吸方式下的呼吸速率，从而找出相同条件下，酵母菌有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多的原因。

新课程标准的教学建议中提到： 理科必须说理。不说理的知识对学生来说只能是死记硬背。只有结论没有原理的知识一旦遗忘，便什么都不会剩下。因此，实验教学过程中对实验结果的分析必不可少，通过分析实验结果产生的原因才能理解科学知识的本质，提高学生思维品质的深刻性。

3 在质疑中提升思维品质的批判性

该实验酒精的检测结果显示，有氧和无氧装置培养液均使酸性条件下的重铬酸钾溶液由橙色变为灰绿色。这时，教师请学生推测实验结论，几乎所有学生自信满满地得出： 酵母菌在有氧和无氧条件下均产生酒精这一结论。是这样吗？这时给出酸性重铬酸钾检测酒精的原理方程式：

3C2H5OH+2K2Cr2O7+8H2SO4
=3CH3COOH+2Cr2(SO4)3(灰绿色)+
2K2SO4+11H2O

首先引导学生分析这个反应属于氧化还原反应，酒精充当了还原剂，然后引导学生思考发酵液中除了酒精是否可能还有其他还原性物质。学生恍然大悟，想到了具有还原性的葡萄糖，其还原性比酒精还强。因此，有氧和无氧装置均出现灰绿色并不能直接证明酒精的存在，需要先消耗掉其中的葡萄糖才可以，而相关文献报道这需要5～6 h。显然，该实验过程在短短的一节课时间内葡萄糖是不可能消耗完的。如何排除培养液中葡萄糖对实验结果的干扰？我们可采用酒精检测仪借助酒精的挥发性进行定量检测，结果发现： 只有无氧装置中培养液挥发的酒精导致检测仪发光报警并显示酒精量，而有氧装置中未出现发光报警现象，且酒精显示量为零。由此我们得出结论： 酵母菌在氧气充足条件下不产生酒精，而无氧装置中产生酒精的结论。

中学生物学实验普遍存在“重验证、轻探究”的现象，尤其对实验的“异常”结果常缺乏理性的分析和质疑精神。质疑是创新的基础，是创新教学和创造性人才培养的关键，同时又是当前教育改革的薄弱环节。在传统的教学中，教师往往重点关注学生“分析问题”和“解决问题”的能力，而忽视“提出问题”的能力的培养，从而直接影响到学生批判思维和创新思维能力的发展。因此，在实验教学环节设计中，教师应结合生物学科特点，注重质疑能力培养目标设计，努力创设质疑情境，逐渐转变教学观念，不断进行实践探索，从而使学生的问题意识、质疑能力得到持续发展。