基于生物学学科核心素养的实验教学创新

朱云鹏

摘 要 以“探究生物体维持pH稳定的机制”这一实验为例，探讨如何对创设情境、实验环节、实验设计、评价与总结这些实验教学环节进行创新与改进，从而顺利地发展学生的生物学核心素养。

关键词 学科核心素养 实验教学创新 内环境

生物学是一门以实验为基础的学科。新课程改革中倡导的生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究以及社会责任。下面以人教版高中生物必修三第一章第二节“探究生物体维持pH稳定的机制”这一实验为例，探讨如何在高中生物实验教学中发展学生的生物学学科核心素养。

1 创设探究情景，提升社会责任感

本实验选取“酸碱体质理论”这一热点问题。该理论认为：体质的酸化是百病之源，而体质酸化是由于吃了“酸性食物”引起的。所谓的酸性食物，如：鱼、肉、米饭、酒等人类的主副食品。在举出实例后，教师提出问题串：①机体自身代谢以及食物在消化吸收后经代谢会不会产生一些酸性或碱性物质？②当这些物质进入内环境，内环境能否维持pH的稳定呢？③生物体维持pH稳定的机制又是什么？

针对问题①，教师组织学生进行小组讨论，然后汇报讨论结果。有的学生结合已学的生物学知识，提出：机体在剧烈运动之后会产生乳酸这一酸性物质。有的学生则联系生活提出：苏打水这一食物属于碱性物质。在肯定学生回答之后，教师继续追问问题②，引导学生利用pH传感器、滴数传感器以及磁力搅拌器等组装实验装置，开展实验探究，独立解决。在综合全班学生的实验结果之后（图1），得出结论：在一定范围内，持续向血浆中加入HCI或NaOH，血浆能够维持pH的稳定。这样从而否定了“酸碱体质理论”。

利用社会热点问题创设问题情境，一方面有利于激发学生的探究欲，另一方面能培养学生正确地运用所学的生物学知识和方法，依托实验，对社会热点议题做出理性解释，辨别迷信和伪科学，从而增强学生的社会责任感。

2 拓展实验环节，增强学生探究能力

针对问题③，教材中实验是通过比较自来水、缓冲溶液（如NaHPO4、KH2P04等溶液，在加入酸或碱时，能使pH的变化减弱）和生物材料在加入酸或碱后pH的变化，推测生物体可能是含有缓冲物质用于维持pH稳定。在实际教学中，这样通过类比推理得出的可能性结果得不到学生的认可。所以，教师在模拟实验的基础上，新增化学分析实验，证明血浆中确实含有缓冲物质。教师引导学生推测：血浆中可能存在的缓冲物质是什么？学生联系细胞呼吸可以生成CO2，推测出内环境中可能存在的缓冲物质是H2C03/HCO3-。并联系化学知识：因为HCO3、H2CO3、CO32-这3种基团或分子在溶液中可通过电离或水解产生彼此，所以只要确定溶液中含有其中一个，即可说明溶液中含有HCO3-/H2CO3又因HCO3、CO32-都可与盐酸发生反应生成CO2。因此，学生找到实验的设计思路：通过向材料中滴加HCl，检测是否有CO2的生成，来确定溶液中是否含有H2CO3/HCO3这对缓冲物质。

教材原有实验和改进后实验的比较见表1。

3 质疑实验设计，发展批判性思维

质疑就是对已有材料提出问题，是培养学生批判性思维的开始。学生通过质疑、分析、推论、认证，学习多角度分析和解决问题，从而培养批判性思维的培养。

在设计化学分析实验方案时，教师引导学生质疑：仅凭向血浆中滴加HCI，检测是否有CO2的生成，得出的结论是否严谨？学生根据实验设计的对照性原则，能够想到缺少对照实验是无法得出严谨结论的，应增加向蒸馏水滴加HCI，作为对照组。紧接着，教师继续引导：如何检测CO2的生成？学生提出可通过观察气泡的产生来确定。但在实际反复操作后，并没有观察到气泡的产生。教师继续鼓励学生大胆质疑，对实验现象提出合理的解释。有的学生认为当实际结果与预测结果不符时，说明假设错误，也就是说血浆中根本没有H2CO3/HCO3-。而更多的学生则提出：可能因为血浆中HC03含量太低，虽然实际生成了CO2，但却无法观察到气泡。继而，教师引导学生利用CO2传感器改进实验装置，重复实验。发现：未加入HCl时，两组装置的CO2含量曲線都没有上升;在滴加HCl之后，相较于蒸馏水组，血浆组的CO2含量曲线明显上升（图2）。最终，学生得出结论：血浆中确实含有缓冲物质H2CO3/HCO3-用于维持pH的稳定。

丝丝入扣的质疑让学生在实验预期和真实结果中，在小组讨论和交流中，碰撞出智慧的火花，在完善实验设计的同时发展了学生的批判性思维和求真务实的科学态度。因此，教师在实验教学中，应注重引导学生对已有的实验材料、实验方案、实验结果以及在实验过程中出现的一些不严谨、不合理、难以理解的地方，提出问题，层层深入地启发学生对实验原理和设计思路的认识和理解。学生在解决质疑的过程中，水到渠成地发展了批判性思维。

4 模拟动画总结，树立生命观念

教师利用师生共同设计的“模拟人体维持pH稳定的机制”的动画演示，展示当酸性物质和碱性物质进入人体内环境中发生的相应代谢过程，并同时以曲线的形式呈现内环境中pH变化。利用计算机辅助教学软件模拟人体的pH稳定的维持，通过数学模型建立帮助学生达成生物体稳态与平衡这一生命观念。

5 教学反思

改进后的实验相对于教材实验的创新之处主要体现在以下几点：①信息技术的合理运用。内环境稳态的调节过于抽象，运用信息技术支撑课堂教学，形象直观，可以帮助学生更好地理解知识内容。②实验方法的创新。在教科书模拟实验的基础之上，新增了化学分析的实验方法，明确找到血浆中H2CO3/HCO3这对缓冲物质，增大了实验结论的说服力。③检测技术和实验材料的改进。对比发现利用传感器技术能够帮助学生建立数学模型从定量的角度分析实验结果。本实验选择的材料是血浆，相较于教材中选用的猪肝匀浆和马铃薯匀浆，其优势在于排除细胞内物质的干扰，是内环境的组成之一，可以直接反映内环境的pH变化。