指向素养发展的生物学实验教学改进例析

（扬州大学附属中学东部分校 江苏扬州 225003）

中学生物学实验教学是生物学教学活动的重要组成部分之一，是促进学生全面发展、落实立德树人根本任务的有效途径，是促成学生达成生物学学科核心素养的重要支撑。但由于实验设备较昂贵、实验材料难获取、实验过程较复杂等诸多原因，限制了实验教学的有效开展。下面以苏科版初中教材中“观察植物叶表皮的气孔结构”实验为例，阐述优化改进原有实验以培养学生学科素养的途径。

1 教材实验的认知逻辑与改进方案

“观察植物叶表皮的气孔结构”实验是苏科版八年级上册第18章“生态系统的稳定”第1节“绿色植物与生物圈的水循环”的实验部分，重点是制作并观察叶表皮的临时装片，难点是阐明气孔开闭的原理。教师可以“生态系统的稳定性维持机制”为主线，贯穿前后章节的认知逻辑体系，厘清物质与能量、结构与功能在生态系统稳定性维持中的作用；促使学生通过观察植物叶表皮气孔的实验，认识到与蒸腾作用直接相关的结构是叶片上的气孔，形成生物体的结构与功能是相适应的基本观点，通过气孔开与闭的机制与功能分析，初步形成辩证逻辑思维。

八年级学生对临时装片的制作已经有一定的基础，也已经能够熟练操作显微镜，能通过实验观察认识气孔的结构，理解保卫细胞调节气孔开闭原理；能从多种多样的实验材料中自主选择材料，并以新鲜叶片和萎蔫叶片的上、下表皮做对照。学生将观察到的气孔画出来，发展制作临时装片、熟练使用显微镜及绘图的能力；并从观察和实验中发现问题、解决问题，进一步提升实践能力，养成严谨的实验习惯与实事求是的科学态度，培养勇于探索的科学精神。

为了提升教材实验的针对性和校本化，教师增设简单的热水浸泡演示实验，使学生获得直观感受。一般情况下，植物叶下表皮气孔多于上表皮气孔数，有利于实验观察。在实验中，教师增设以生菜叶、韭菜叶等为材料的分组实验，引导学生探究不同种植物的上、下表皮气孔结构与功能的关系以及各种植物气孔在新鲜状态和萎蔫状态下的情况，从而理解叶片是植物进行蒸腾作用的主要场所，形成生物体结构与功能是相适应的观点。同时，教师增设气孔开闭原理探究实验，引导学生理解气孔是如何开闭的，促进学生通过分析气孔开与闭的机制与功能，初步形成辩证逻辑思维。

（1）方案一：简单的热水浸泡演示实验。

实验材料：新鲜的菠菜与生菜叶片、热水、大烧杯、镊子等。

实验过程：将热水倒入大烧杯中冷却至60～70℃，放入新鲜的菠菜、生菜叶片。

实验结果与结论：使用不同的植物叶片观察，发现叶片的背面的气泡数量一般均多于正面的气泡数量。

优点：①选材方便，便于操作；②实验效果直观，可启发学生进一步思考；③实践体验，激发了学生实验的兴趣。

不足：无法充分展示气孔的形态结构。

（2）方案二：探究多种叶片上气孔数量与状态。

实验材料：植物叶片（生菜、韭菜等）、镊子解剖针、盖玻片、载玻片、清水、显微镜等。

实验过程：2名学生组成一个合作小组。各组自主设计实验过程：①制作叶表皮的临时装片（擦、滴、撕、放、盖、吸）；②用低倍镜观察叶表皮；③数据记录。

实验结果与结论：新鲜生菜的上表皮有气孔2个，下表皮有5个；新鲜韭菜的则为4个、7个。新鲜叶片下表皮的气孔数均多于上表皮；新鲜叶片气孔呈张开状态，萎蔫叶片气孔呈闭合状态，可能与不同植物细胞的生长发育状态有关。同时，可观察到气孔由一对半月形保卫细胞组成。

优点：①选材方便，不受时间和空间限制；②多种材料实验，便于做对照实验；③合理分组，分工明确，实验结果的说服力更强；④学生自主选材，培养有实验探索的精神。

不足：无法展示气孔是如何开闭的。

（3）方案三：探究叶片气孔的开闭原理。

实验材料：白萝卜、清水、刀片、培养皿等。

实验过程：①提出问题——气孔的开闭是如何进行的？②做出假设——气孔的开闭是由保卫细胞控制的。③制定实施计划，分成甲、乙两组。甲组切两片带皮的大小相同的长方形萝卜薄片，将带皮的一侧靠在一起，用订书钉固定；乙组切不带皮的萝卜薄片做同样的处理，置于含清水的培养皿中浸泡一段时间。然后，再继续用盐水浸泡一段时间，分别观察实验现象。

实验结果与结论：浸泡清水一段时间后，甲组两片萝卜中间出现一定的空隙，而乙组没有出现；若继续将两组萝卜浸泡盐水后，甲组的空隙逐渐缩小直至恢复原状。因此，气孔的开闭由保卫细胞控制，由于保卫细胞的内外壁厚度不同，当其吸水膨胀时，较薄的外壁更易伸展，细胞向外弯曲，气孔开放，失水后则气孔关闭。

优点：①实验器材简单，操作容易；②学生可以在探究活动中构建的知识，学习体会深刻；③实物模型模拟气孔开闭，形象直观；④学生的实验探究能力和思维能力得到提升。

不足：可进一步深入探究气孔开闭的影响因素。

在理解教材实验的内在认知逻辑体系的基础上，教师结合学生的心理特征、由现象到本质的认知规律，对教材实验开展有效改进，提升学生素养水平。通过以上3个实验改进方案，学生兴趣盎然地逐步探究植物叶表皮的气孔分布规律、结构特征、开闭原理，甚至进一步探究影响因素与植物生长发育的关系。学生围绕一系列实验，全身心积极参与、体验成功与失败的经历，开展有意义的学习历程。在这个过程中，学生掌握学科核心知识，理解学习过程，把握学科本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、正确的人生价值观。

2 实验改进方案促进学生的素养发展

2.1 科学思维奠定了实验改进的能力基础

思维是理性认识阶段的反映活动，既是高级的神经生理活动，也是复杂的心理操作，是一个动态的关联系统。科学思维是尊重事实和证据，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生要能够基于生物学事实和证据，运用分析与概括、归纳与演绎、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律。本实验改进基于现实问题和条件，设计解决问题的实验方案，正确选择和使用实验器材，实施或调整实验步骤，分析实验结果和结论，并交流讨论发现新的问题，充分激发学生思维的全程参与，发展学生的科学思维水平。

2.2 科学探究拓展了本实验的设计思路

科学探究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。学生在探究实践过程中，逐步增加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，善于团队合作，勇于创新。本实验改进通过对叶表皮气孔的分布规律、结构特征、开闭原理的系列实践，拓宽了实验探究的视野，发展了学生的认知逻辑。

2.3 结构与功能观是本实验发展的重要观念

生命观念是对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法，是学科核心素养的标志、基础和支柱。学生应在较好理解生物学概念的基础上形成生命观念；能够用生命观念认识生物的多样性、统一性、独特性和复杂性，形成科学的自然观和世界观，并指导探究生命活动规律，解决实际问题。新的实验方案二设计的分组实验使学生认识了进行蒸腾作用的主要场所——叶片，观察到叶片上的气孔结构。新实验方案三设计的探究性实验让学生知道了气孔的开闭原理，促进形成了生物体的结构与功能相统一的基本观点。

2.4 环境保护意识是本实验彰显的社会责任

通过气孔开闭实验，学生了解了蒸腾作用的基本原理：气孔的开与合可以调节蒸腾作用的强度，使植物体内经常保持着适量的水分，同时植物的根部吸水与植物的蒸腾作用参与生物圈的水循环。学生从理性角度拓展了前后知识间的内在逻辑联系，认识了蒸腾作用的意义和保护森林及其他植被的重要性，从而形成保护绿色植物的情感意识，深刻认识到绿色植物能够促进生物圈的水循环的作用，形成保护绿色环境的意识和习惯。

3 指向素养发展的实验教学改进启示

3.1 重视章节的单元整体设计

随着《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）的颁布，其倡导的基本理念之一“内容聚焦大概念”要求教师必须提升生物学课堂教学设计的站位，从关注单一的课时教学转变到单元设计，对初中生物学教学有着重要的指导和实践意义。单元学习以发展学生学科核心素养为目标，通过创设真实有效的情境，使学生在主体的、对话的、深度的学习活动过程中发现问题，在解决问题的过程中习得和运用知识，形成正确的价值观念和关键能力。

初中生物学实验大多为某一个教学单元的核心概念所设计，因此教师需要将实验融合到整个单元中理解其价值和意义。单元学习作为一个相对独立的系统化学程，具有情境性、主体性、对话性和深度性的特点，对发展学生学科核心素养具有重要价值。单元学习有助于学生系统地掌握学科知识，突显学科教学的串联性，实现教材中学科课程思想的转化。本实验改进的设计过程中突出内容和过程的整体性，围绕由主题、目标、活动、评价等要素组成的完整学习单元，注重教材知识点之间的前后连贯性。

3.2 关注实验发展的素养维度

生物学科核心素养是多元化的，实验发展的素养维度应该也是多元的。将简单的分组实验设计为演示实验、分组实验及探究实验，从多角度提升学生的能力水平。整个实验过程中，教师要引导学生观察、调查、实验，促进学生自主收集、分析和解读数据，开展推理、判断和反思。这样的过程使学生既理解、掌握和应用了知识，又发展了学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析解决问题的能力、交流与合作的能力，特别是培养了创新精神和探究能力。

教师创设富含事实观察、观念形成、反思行动、实践证实的真实问题情境，提供真实的思维场景，引导学生获得事实、产生观念，进而通过反思建立事实、观念与问题之间的关联。在这个过程中，学生能够发展思维、形成观念、孕育价值，学会人际交往的规则，发展核心素养。立足单元设计，关注学习历程，提升核心能力。教育教学要深度探寻学习和发展的内在机理，才能推动有意义的学习实践来发展个体与复杂情境互动的综合能力，进而实现核心素养的落地生根。

3.3 聚焦问题情境，探寻教育本质

实验教学改进以创设不同的实验开设场景和实施条件，努力做到本土化实践和条件化创新。教师通过创设真实的生活实践情境和学习探索情境，将学科要解决的问题信息蕴含在特定的情境中，依托适切的情境活动，引导学生进行积极的感知和理解情境中的相关信息，帮助学生经历生物学知识产生的过程，理解概念提出的背景语境，从而在习得生物学知识的过程中形成学科核心素养。

教育教学的根本目的和出发点应回归生活的世界，其教学意蕴在于确立人本意识和生命意识，重视教学过程中学生的动态发展。杜威提出“教育即生活”“学校即社会”“从做中学”，陶行知也宣称“生活即教育”，《课程标准》建议的“重视与生活实际紧密联系”都凸显了生活既是教育教学的对象，更是教育教学的目的。生物学是一门以实验为基础的科学，更需要紧密结合生活实验、科学实验，彰显实验育人的学科价值。