基于生物学学科能力的“探究酒精对水蚤心率的影响”实验教学

李云会 （北京市团结湖第三中学 北京 100025）

在当前教育发展全球化的大背景下，各个国家和地区的科学教育都将培养学生能力作为首要目标。中学生物学课程属于科学课程，就能力培养而言，应着力于培养学生的生物学学科能力。2018年高考《北京卷考试说明》中将生物学学科能力要求概括为理解（包括辨认、比较、解读）、应用（包括推理、归因）、思辨（包括论证、评价）、创新（包括假设、设计）4 项内容［1］。这 4 项内容既是学科能力的不同类型，也代表能力水平的不同层级，其中理解能力是最低层次的能力，从理解到应用、思辨、创新，层次水平不断提升。《北京卷考试说明》提醒生物学教师，在教学中要重视培养和发展学生的学科能力，不仅如此，还要注重能力培养的层次性，在学生理解的基础上逐步培养高阶能力水平。这种基于学科能力培养的教学思路同样适用于初中生物学教学。基于以上思考，笔者结合生物学学科能力要点，对北京版初中生物学教材“酒精对水蚤心率的影响”实验进行了精心设计。

1 教材分析

“探究酒精对水蚤心率的影响”是北京版初中生物学教材第15 章“健康地生活”第5 节“健康的生活方式”中的实验。通过本实验，学生能直观感受到酒精的危害，从而自觉拒绝酗酒等不良行为，树立健康生活的意识。本实验作为北京市高级中等学校招生考试《考试说明》中的一个参考实验，在培养学生能力方面具有重要作用。

本实验由2 课时完成，第1 课时带领学生按照科学探究的基本过程，历经提出问题、作出假设、设计实验、完成实验各个环节完成实验操作。课堂中提供5%、10%、15%、20%等4 种浓度的酒精，将全班学生分为4 个大组，每个大组指定使用1 种酒精浓度进行实验。学生2 人一小组，挑选1 只每10 s心跳次数在32～36 之间的水蚤作为实验材料，先记录水蚤在清水中10 s 心跳的次数，连续记录3 次，再吸干清水，滴入指定浓度的酒精，3 min 后记录水蚤在指定浓度酒精中10 s 心跳的次数，仍然连续记数3 次，获得实验数据。第2 课时带领学生对实验数据进行分析，形成概念，并尝试对概念进行扩展和应用。本文是第2 课时的教学设计，重在培养学生的理解能力、应用能力和思辨能力。

2 教学过程设计及分析

2.1 通过对实验数据的处理分析形成概念，培养理解能力

2.1.1 制造矛盾冲突，进行数据处理 依次出示3个小组的实验数据，分别询问该组学生: 你的实验数据是否可信？根据数据你能得出什么结论？与之前假设是否相符?

表1 3 组学生获得的实验数据

3个小组的学生都认为自己的实验数据很可信，并分别根据数据得出了10%的酒精能使水蚤心率加快、减慢、基本不变的结论。此时，学生一片哗然。

教师追问：同样的实验，3 个小组得出了完全不同的结论，这是为什么？到底哪组的结论是正确的？ 应如何作出判断？

学生都认为出现这样相互矛盾的结果是水蚤数目和实验次数太少造成的，大部分学生提出应重新实验，收集更多的数据进行比较。个别学生突然醒悟：全年级都做了实验，应根据全年级的数据分析才能得出正确结论。该提议得到了全体学生的认同。教师课前已将所有实验数据录入到Excel表中，此时现场计算出全年级数据的平均值，得到数据（表2）。

表2 年级实验数据

学生对于表2 的数据结果都很惊讶，这与他们的经验太不相符了。此前几乎所有的学生都认为酒精能加快水蚤的心率，他们作出假设的依据是人饮酒后常会出现情绪激动、自控能力差等表现。本着尊重事实的原则，学生虽心存疑惑，但还是暂时将数据填写在了学案中。

2.1.2 用曲线图表征数据 为直观比较不同酒精浓度对水蚤心率的影响趋势，教师指导学生在学案的坐标图中绘制曲线，并提醒学生：画曲线图时要注意横坐标、纵坐标代表的含义，此外要特别注意清水应该标注的位置。

图1 酒精浓度对水蚤心率的影响

大多数学生都能确定出横坐标代表酒精浓度、纵坐标代表水蚤10 s 心跳次数，有部分学生不太确定清水的位置，在其他学生的帮助下也完成了曲线图（图1）。

2.1.3 解读曲线，得出结论 根据曲线能得出什么结论？ 学生回答酒精浓度越高，水蚤心率越慢。教师提醒学生要注意清水的作用，学生都知道清水组是酒精组的对照组。结合对照组，能得出什么结论？ 最终师生对实验结论达成共识：①酒精能减慢水蚤的心率；②酒精浓度越高，水蚤心率越慢。

教师补充：酒精引起水蚤心率减慢的原因是麻痹了其神经系统。当酒精的浓度达到20%时，水蚤的神经系统会被完全麻痹而心跳停止，导致死亡。

同时进行方法强调：分析数据时，要做到2 种比较：一是实验组与对照组比较，通过比较对实验结果进行定性；二是实验组之间相互比较，通过比较发现变化规律。

2.1.4 补充数据，完善概念 根据生活经验，学生都知道酒精能使人兴奋、心率加快，为什么酒精对水蚤心率的影响与对人体心率的影响不同？ 学生提出2 种解释，一是水蚤心脏与人体心脏对酒精刺激的反应不同；二是水蚤与人对酒精浓度的耐受度不同。对于第1 种解释，很快被其他学生反驳，虽然生物种类不同，但生命具有统一性，水蚤和人的心脏都是由心肌细胞构成的，2 种细胞的结构及功能是相似的，从这个角度分析，两者对酒精刺激的反应也应该类似。是因为两者对酒精耐受度不同造成的吗？ 教师出示了课外小组做的另一组实验数据（表3）。

表3 酒精浓度对水蚤心率的影响

图2 不同浓度酒精对水蚤心率的影响

当学生看到这组数据时，恍然大悟，立刻认识到课堂得到的实验结果是因为酒精浓度过大造成的。将数据转换为曲线，描述不同浓度酒精对水蚤心率的影响规律 ：当酒精浓度小于0.2%时，随着浓度增加，水蚤心率加快；当酒精浓度大于0.2%时，随着浓度增加，水蚤心率减慢。

教师进行方法强调：当曲线的趋势发生变化时，应找到拐点，分段描述。

以上4 个环节，重在带领学生处理数据、分析数据、形成概念、完善概念。第1 环节，通过制造矛盾冲突，使学生认识到重复实验的重要性，真正理解样本量越大、实验重复的次数越多，实验误差就越小，实验结果就更具说服力。同时可看到，学生在平时分析试题的过程中，对“进行重复实验”“求平均值”这样的作答能脱口而出，但当面对真实的数据情境时，却往往无所适从。可见，学生还不善于将所学用于生活实际，学习的知识内容与解决真实问题之间还存在脱节。第2 环节，通过改变数据的呈现形式，学生感受到科学探究不仅要获得数据，还要能用适当的形式呈现实验结果。通过绘制曲线图，加深学生对曲线图的认识，知道曲线表示自变量与因变量之间的关系，即纵坐标随着横坐标的变化而变化，因此读图时应先看横坐标，再看纵坐标。第3 环节，分析实验数据，发现不同浓度酒精对水蚤心率影响的规律，形成概念。第4 环节，补充低浓度酒精下的实验数据，使学生全面认识到酒精浓度对水蚤心率的影响，补充和完善了概念，同时学会有拐点曲线的解读方法。至此，学生从数据处理到数据分析再到结论的得出，对本实验原型的理解及实验技能的训练基本到位，获得了学科知识和活动经验，对实验的理解能力得到提升。

2.2 根据所学知识经验对相关现象做出推理、论证，培养应用、思辨能力

2.2.1 其他因素对水蚤心率的影响 根据生活经验判断，还有哪些因素或物质能影响心率？如何影响？ 学生猜测香烟、咖啡等能使心率加快，一些镇静药物会使心率减慢。教师出示以下2 个情境实验，引导学生应用知识和经验进行分析，作出判断，发展能力。

实验1：烟草浸出液对水蚤心率影响的实验结果。

实验小组在4 份等量的香烟烟丝中分别加入20 mL、30 mL、40 mL、50 mL 的蒸馏水浸泡 1 d，用浸出液做探究实验，得到的实验数据如图3 所示［2］。下列分析正确的是（）。

图3 烟草浸出液对水蚤心率的影响

A.该实验要研究的问题是水蚤心率对烟草浸出液的影响

B.清水中不含烟草浸出液，该组没有必要设置

C.实验水蚤心率越快，就越能说明吸烟减轻了心脏的负担

D.在一定浓度范围内烟草浸出液对水蚤心率有促进作用

实验2：功能性饮料对水蚤心率影响的实验结果。

学习小组学生想探究长期喝功能性饮料是否对健康有害，他们用甲、乙2 组水蚤作为实验材料，制作临时装片，计数在不同浓度的功能性饮料中水蚤的心率变化情况。表4 是记录的结果。

表4 不同浓度功能性饮料对水蚤心率的影响（单位：次／min）

下列叙述正确的是（）。

A.所得数据是水蚤10 s 心跳的次数

B.同一组水蚤可在2 种浓度功能性饮料中重复使用

C.水蚤心率加快，是因为功能性饮料麻醉了水蚤的神经系统

D.此实验结果说明，功能性饮料能促进水蚤的心率，且浓度越大，影响越大

2.2.2 酒精对人体的影响

教师提出问题：根据以上实验，能否推测出酒精对人的心率有什么影响？ 你能理解禁止酒后驾驶的原因吗？

因为具备了酒精对水蚤心率影响的知识，学生顺利回答出低浓度酒精使人的心率加快，高浓度酒精能够麻醉神经系统，使心率减慢，因此大量饮酒后驾车反应能力慢等。教师强调：过量的酒精会麻痹人的脑和神经系统，若一次性饮酒过多，甚至还可能出现心跳停止、导致死亡的严重后果。酒后驾车，由于酒精对神经系统的麻醉作用，造成大脑活动迟缓，对刺激的反应时间延长，感觉器官和运动器官例如眼、手、脚之间的配合功能发生障碍等，很容易导致事故的发生。

酒精仅对神经系统有影响吗？

补充资料：酒精进入人体后，首先在胃部被迅速吸收，可能对胃粘膜造成损害，容易引起胃溃疡、腹泻、慢性胃炎等症状；肝脏是酒精的主要代谢器官，酒精的代谢产物乙醛能直接引起肝细胞的损伤，经常性的酗酒可能造成脂肪肝，可能会恶化成肝炎、肝硬化甚至肝癌；乙醛对脑神经组织有毒性作用，长期过量饮酒会造成脑神经细胞损伤，从而引起中枢神经系统功能障碍，导致肌肉不协调、反应迟钝、注意力不集中、记忆力减退等，尤其是女性妊娠期饮酒可能导致胎儿神经系统发育障碍。人体不能从酒精代谢中获取有益的物质，同时要排出产生的大量热能、水和CO2，增加了肺、肾、心脏等器官的负担。随着社会的发展及人们生活水平的不断提高，要用科学的态度对待酒文化，使社会健康发展［3］。

请回答问题：

1）据资料可知，酒精可能对______、______、______、______等系统造成不良影响。

2）为什么过量饮酒会增加胃肠、肺、肾、心脏这些器官的负担？

3）从以上酒精的吸收、代谢过程可看出，人体虽然有多个系统组成，但这些系统相互联系和配合，使人体成为一个统一的整体，这主要是______系统调节的结果。

本部分旨在培养学生应用、思辨的高阶思维能力。

第1 环节，引入相近情境，由酒精扩展到其他影响因素，通过分析每一个选项正确与否，学生运用已掌握的概念分析其他相关实验，通过判断推理得出新结论，进行迁移训练。这其中既有对概念知识的应用，又有对实验技能的考查，还有对读图读表能力的检核，对学生能力是一个全面的训练。教师提供的阅读资料，以人体对酒精的吸收、代谢过程为主线，将神经系统、消化系统、循环系统、泌尿系统、呼吸系统等的功能相联系，从酒精对心率的影响扩展到对全身各个器官的影响。学生论证酒精在被吸收、代谢的过程中对人体各器官系统造成的伤害，建立起知识之间的内在联系，理解人体各系统之间的统一协调关系，体会到人体是一个统一的整体。

3 基于生物学科能力教学设计的思考

3.1 理解能力是学科能力的基础 理解能力是最基本的生物学学科能力，能力水平最低，是学习过程中信息输入后所引起的认知结构变化，而应用和思辨、创新则是在理解基础上的信息输出能力。因此，学生理解的程度直接影响着应用和思辨、创新的质量。本实验中，学生只有对实验原理、操作过程、实验结果的分析理解到位，才能分析、判断、推理其他相关实验。离开理解能力，应用和思辨、创新将会是空中楼阁。故而在教学中要切切实实地落实基础知识、基本技能的教学，不可好高骛远，一味追求高阶能力的训练而忽略基础的落实。

3.2 学生的学习活动是提升学科能力的途径能力不是教出来的，而是学生在学习活动中形成和发展的。本节课中，围绕着实验设计了一系列的学习活动，例如处理数据、转换数据呈现方式、解读数据、分析资料、解释推理其他相关实验等，学生在参与活动、解决问题的过程中，能力得到有效的训练和提升。

3.3 知识和活动经验是学科能力的基本构成要素 学科能力是指学生顺利进行相应学科的认识活动和问题解决活动所必需的、稳定的心理调节机制，学科核心知识和活动经验是学科能力的基础［4］。在指导学生的学习活动时，教师不仅要重视知识的落实，同时还要重视学生学习经验的获得。本节课中，不仅通过对数据的分析得出结论，更根据学习的需要强调了经验技能，例如实验的操作原理、分析数据时的比较、画曲线图时横、纵坐标的含义、对有拐点曲线的分段描述等，这些经验技能不仅是学科能力的重要组成部分，同时也是学生获得知识、构建概念的保障。