基于科学探究能力培养的深度实验教学

柴媛媛

摘要 以“探究外源脱落酸对甜高粱抗盐能力的影响”为例，探讨基于科学探究能力培养的深度实验教学。通过创设问题情境、确定课题研究方向、小组讨论实验方案、开展实验进行深度思考、联系实际解决问题等多角度提升学生的科学探究能力。

关键词 科学探究 深度学习 实验教学

中图分类号 Q-331

文献标志码 B

深度学习理论认为深度学习有助于学生自主理解知识、构建知识体系，并强调学生全身心主动投入学习，进行沉浸式的深度体验。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中将“科学探究”纳入普通高中生物学学科核心素养的范畴，是指学生能够从生物学的现实问题出发，依据生物学的基本现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施并对结果进行分析和探讨的能力。笔者围绕生物学学科核心素养的提升，通过教材的延伸实验，带领学生展开相关实验课题研究，旨在使学生通过阅读、体验、讨论、分析和总结培养科学探究能力。下面通过生物学实验的案例分析，探讨培养科学探究能力的深度实验教学。

1创设问题情境，确定课题研究方向

通过人教版《选择性必修1·稳态与调节》第五章第三节“探究·实践”中“探索植物生长调节剂的应用”的学习，学生已经基本掌握了用预实验的方法开展探究实验的能力。教师创设问题情境，引导学生对实验进行进一步的探究，并提供材料，驱动学生提升获取信息、加工信息的能力。教师提供3则资料：

1甜高粱属于C4植物，具有较高的光合作用能力，含糖量较高。每公顷甜高粱每天合成的碳水化合物可以产约48L酒精，而玉米为15L，粒用高粱为9L，小麦只有3L。因此甜高粱对我国可再生能源的研究起着重要的作用。

2甜高粱能在pH为5.0-9.0的土壤上良好地生长，并且对盐碱的忍耐能力较强，适宜在盐碱地上大面积种植。大多数植物在发芽和生长初期对外界胁迫的环境更为敏感。

3外源脱落酸（ABA）是一种在植物细胞中广泛存在的植物激素，可参与调控植物生长发育、种子的休眠与萌发，也可以参与植物对干旱、高盐等逆境胁迫的应答，主要通过控制气孔的闭合、诱导相关基因表达等方面来实现。

基于对资料的分析，师生共同决定将研究课题定为：以甜高粱种子“M81-E”为实验材料，探究外源脱落酸对甜高粱萌发期抗盐能力的影响。

2讨论实验方案，落实科学探究能力培养课堂上，教师通过构建问题的方式，引导学生分组讨论实验的具体实施方案。

1甜高粱种子如何处理？该实验的对照组和实验组如何设置？

2如何测定该实验的因变量？注意要反映出种子在萌发期的生理生化指标。

3为减少误差，实验过程中需要注意哪些无关变量的控制？

学生经过查阅资料、小组讨论后决定：甜高粱种子用质量分数为3%的次氯酸钠溶液消毒表面10min，蒸馏水冲洗干净后，阴干。接着，在洁净的培养皿中放入两层滤纸，设置4组实验：1经蒸馏水处理;2经质量浓度为50mg/L脱落酸溶液处理;3经质量浓度为80mmol/L的NaCl溶液处理;4经质量浓度为180mmol/L的NaCl溶液与质量浓度为50mg/L脱落酸混合液处理。每个处理分别加入3mL处理溶液，再将甜高粱种子“M81-E”放入培养皿中。将本班20名学生分为4个小组分别进行实验。

学生讨论后，认定种子萌发率、根和芽的长度、鲜重、干重作为测定指标。每天统计种子的发芽数，共计7d。培养7d后，分别测定高粱幼苗根和芽的生物量。同时为进一步探究外源脱落酸对盐胁迫下甜高粱幼苗缓解的机理，分别取7d后的根和芽各0.5g，利用紫外分光光度计测定组织中可溶性蛋白和脯氨酸含量的变化，以反映外源脱落酸对甜高粱在逆境条件下生理生化指标的影响。

学生经小组讨论后决定在以下几个方面注意对实验无关变量的控制，以减少误差：

1在洁净的培养皿中放入两层滤纸后，注意每组要有3个平行重复，每个重复放置50粒大小、饱满程度一致的甜高粱种子。然后，置于25°C恒温培养箱中黑暗培养。

2每天同一时间观察种子的发芽率，种子发芽以胚根露出种皮2mm为标准。

3每天采用称重法补充蒸发的溶液，以保持处理期间处理液浓度相对稳定。

4培养7d后，每个处理随机测定15株幼苗的生物量、可溶性蛋白和脯氨酸含量的变化。

3开展实验并讨论实验结果，促进深度思考甜高粱种子经过7d的萌发后，教师引导学生将小组的数据（表1、图1）进行整理、分析，通过绘制图表的方式构建数学模型，对实验结果进行讨论;同时引导学生在分析中思考外源脱落酸对甜高粱在幼苗期耐盐能力的影响，以促进深度学习。

表1表明，盐分胁迫下甜高粱的芽和根的生长均受到不同程度的抑制，当加入外源ABA时，对盐分胁迫下的发芽率无显著影响（结果未显示），可能与脱落酸有促进种子休眠、抑制种子萌发的作用有关。但是，外源脱落酸对盐胁迫下甜高粱幼苗的芽长和根长以及鲜重和干重都有显著的提高，表明外施脱落酸能够减缓盐胁迫对植物生长的抑制但对种子的发芽率无显著影响。

图1表明，外源脱落酸对盐分胁迫下幼苗中可溶性蛋白含量没有显著影响，可能与取材时间或者学生的操作有关。脯氨酸属于植物典型的渗透保护物，在胁迫条件下，通常比其他氨基酸的积累多，从而帮助植物克服胁迫环境。在实验中，脯氨酸在物质量浓度为180mmol/L的NaCl溶液胁迫下明显升高，当施加外源脱落酸后，脯氨酸在根中的含量显著下降，表明外源脱落酸有助于缓解盐分胁迫下脯氨酸含量的增加，有利于甜高粱在逆境条件下幼苗期的生长。

教師利用数学模型，引导学生认识图表、学会基本的数据统计。同时，学生通过查阅资料，讨论分析实验结果，可以培养科学探究能力和逻辑推理能力。

4联系实际解决真实问题，形成社会责任

通过以上实验以及分析，学生基本可以推测施用一定浓度的外源脱落酸能够减缓甜高粱“M81-E”幼苗期盐胁迫的程度，提高甜高粱的抗盐能力，从而为甜高粱幼苗在盐碱地上的种植提供一些思路，为我国生物质能源的发展贡献微薄的力量，进而形成社会责任感。但对于甜高粱的耐盐碱机制，此次也只是从生理生化角度进行了简单的分析，针对分子水平的机制，还需要进一步对基因表达调控的方向进行研究。

深度实验教学是提升学生科学探究能力的重要途径，可以增强学生在分析资料、提出问题、设计实验、实施方案以及对实验结果的统计、分析和讨论的能力。学生在探究的过程中，不仅满足了自身的求知欲望，提高了团队协作能力，同时也通过解决真实情境中的问题，提升了社会责任感。

参考文献：

[1]朱俊，丁奕然“.促进深度学习发生的生物学实验教学策略探讨[J]，基础教育课程，2021，（7）：70-74.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S]，北京：人民教育出版社，2020.