指向科学探究素养的高中生物课外实验教学实践——“以野扇花在杭州地区的耐热性研究”教学为例

（杭州第四中学 浙江杭州 310018）

1 课外实验教学设计目标

课外的生物实验活动具有无可替代的生物教学功能，可以为学生提供以问题解决为目的的合作探究机会，提高学生学习探究的自主性，培养学生解决问题的能力，从而培养学生科学探究的生物学学科核心素养。我校以“养正生物种植实验园”为基地，利用与我校长期进行科研合作的杭州花圃和杭州师范大学生命科学院等校外资源，以校本课程和课外活动相结合的形式，以学生为科研主体、实验教师与科技人员为把关和引导者，尝试开展一系列以培养学生科学探究素养为目标的生物实验教学。

2 课外实验教学实践过程

“养正生物种植实验园”占地20余亩，有蔬菜种植实验地、鱼类养殖实验池、多种果类种植实验林等多个区块，配备了齐全的种植用的农用工具和养殖所需要相关设施。“野扇花在杭州地区的耐热性研究”是2019年起与杭州市园文局合作的“芳香观花植物品种优选及景观技术研究”课题的子课题，以我校种植实验园为基地进行栽培观测。

2.1 观察现象，导入问题

自2019年起，野扇花作为与市园文局合作开展“新优木本芳香观花植物品种优选及景观应用技术研究”课题的选育品种引入我校。夏季，负责观察培育的高一研究小组的学生发现：前一段时间生长正常的植株暑期过后有很多出现萎焉，植株部分边沿有发黄现象。有学生推测，这是由于夏季的高温影响野扇花的生长。根据学生观察的现象，师生讨论提出探究问题：既然野扇花是选育适合杭州地区生长的优选芳香植物之一。如何使得野扇花在夏季的生长保持良好状态？学生在查阅文献、结合种植园的生长环境讨论后，提出：高大乔木下的地被栽种梯次培养可能是改善植物在夏季耐热环境的一种方法，是否可以通过近地栽培，提高野扇花生长的耐热性？于是，学生尝试给野扇花搭建遮荫棚，模拟高大乔木下的地被栽种梯次培养。

2.2 以问题导向，学生自主的实验过程教学设计

要取得实验结论必须有实验结果来支撑。在设计实验前，教师要求学生先提出问题，带着问题去查阅资料。研究小组的学生经过讨论后，列出了以下问题：野扇花的原产地的气候条件怎么样？它对生长环境有哪些要求？它的生长特点有哪些？实验的自变量和因变量是什么？用的是哪一种对照方法？观测哪些数据，可以说明野扇花的耐热性?教师汇总各组学生的设计方案，协助学生整理设计实验步骤。

①第一阶段：选取6、7、8月份，在养正种植园观察模拟近地栽培组的野扇花生长情况。

观察已引至种植实验园近一年的3年生野扇花插条（引自贵州林业学校），选取10株株高20～30 cm之间野扇花10株作为目标样本。2020年6月—8月，选取中午12：30—13：00，每10天测量一次，测量株高、冠幅、分枝数、侧枝直径与侧枝长度（此侧枝为每一植株位于中部体态相对健壮的一级分枝），同时记录温度、日照度。每组数据测量重复3次，取平均值，以表格形式记录，应用SPSS软件统计学分析。

②第二阶段：拓展校外实验室，提升实验方法技能，观察野扇花在高温胁迫下的生理生化指标，探讨高温胁迫对野扇花生长的影响。

2020年10—11月，将植株中的幼叶于田中移栽入盆放置5 d，对照组为室温处理，选取的2个胁迫温度分别为35℃、40℃，每组温度有3盆野扇花植株，在杭师大生命科学院生理生化实验室分别测定第1天、第3天、第5天野扇花叶的丙二醛（MDA）、总蛋白（PRO）的含量以及电导率（测量方法参照苏州格瑞思生物科技有限公司试剂盒提供的方法）。

2.3 实验过程的实施与教学

教师提出问题，引导学生思考：（1）测量侧枝直径的位点怎么确定？怎么保证下一次的测量确保在同一位点,使得实验数据的有可靠的重复性？（2）计数侧枝数量时由于分叉较多，容易误数多数，如何保证不重复计数？

开始，小组成员设计用油漆笔画点、线绳的固定的方法来测量。但是，实施时发现：漆点较厚，会影响数据的准确性；线绳容易移动，不能保证在同一位点。后来，学生一致讨论利用植株的自然体位，测量位点固定在主枝、一级侧枝的分叉处，游标卡尺和侧枝方向垂直，以消除无关变量。学生采取自创定量标注法——每数到10个分叉用线绳或皮筋扎一下，最后数捆数加上余量就可以了。

第二阶段的生理生化实验的设备仪器药品，是学生平时在校内较少机会接触到的。教师特意邀请杭师大生命科学院的教授及其研究生进行辅助指导。由于实验过程涉及的步骤很多，每个步骤中的细节也是会影响整个实验结果，因此各小组及组内成员分工协作、使科学探究活动有计划进行，顺利完成，培养学生科学探究效率品质。

经过第一阶段的锻炼，学生的现象观察、提问质疑、探究的意识得到提升。在第二阶段MDA测定时，针对辅导老师的操作方法，有学生提出：为什么用完的研钵清水冲洗干净后需晾干或用吸水纸擦干？未晾干水分的研钵会影响MDA提取液的浓度，从而影响所测定的MDA数值的准确性。实验导师从理论原理上的答复加深了学生对操作方法的理解，而不是单纯记忆模拟。

2.4 实验结果的科学分析与讨论

学生观察，并记录实验结果（表1）。

表1 6-8月野扇花的生长的表观数据（均数±标准差）

2019年8月份平均气温高于6、7月份，气温35℃以上的天数占2/3。虽然观察记录到8月份的分枝数有减少，但6、7、8月份植株的平均株高、冠幅、侧枝长度、侧枝直径统计差异不显著（P＞0.05）。表观数据提示：野扇花生长虽然受到高温炎热的一定影响，但搭建遮荫棚模拟近地栽培的野扇花生长基本保持良好，没有明显的萎焉。经历杭城整个夏季的观察，虽有部分侧枝枯死，但未出现大面积黄叶和死亡的情况，且生长速度较慢，是一种较为理想的地被植物。野扇花在遮阴棚模拟的近地栽培条件下对杭州的高温有较好的耐受性。

第二阶段的数据具体结果见图1、2、3。

图1 不同温度处理野扇花叶1、3、5 d后MDA的含量

图2 不同温度处理野扇花叶1 d、3 d、5 d后PRO的含量

图3 在不同水浴温度下野扇花叶的电解质外渗率（REC）

学生在校外杭师大实验室观察结果：与对照组（25℃）相比，随着处理天数的增加，35℃和40℃处理的野扇花叶中MDA、PRO的含量呈现先升高、后降低、再升高的趋势。

野扇花叶的MDA、PRO含量的变化反映了野扇花叶细胞的损伤程度。学生通过讨论，分析当野扇花从室温条件下移入35℃和40℃的环境时，温度的急剧升高导致野扇花的生长出现损伤：第一天测量的MDA、PRO含量较对照组明显升高；3天后，野扇花可能存在热适应的自我保护机制，测定的MDA和PRO含量有一定程度的降低，提示具有一定的耐热保护机制；但第五天测定的MDA、PRO含量与第三天的比较明显增高，提示持续的温度胁迫可导致野扇花的细胞生长损伤。

测量野扇花叶片电解外渗率，结果45℃时电解质外渗率开始缓慢升高，50℃电解质外渗率急剧升高。数据表明温度越高，细胞膜受损伤程度越严重，电解质外渗率也越高。因此野扇花最高抗热温度应不超过45℃。

2.5 探究结论，反思过程

在学生探究阶段，教师要融入学生的探究活动中，参与指导、分析学生存在的问题、缺陷，使学生选择合理或改进设计更合理的方案。教师要开展过程性评价，特别关注学生对无关变量的控制、实验细节的把控；应重视科学探究过程的分析与评价环节，使学生逐步熟悉科学探究的全过程，提高探究问题效率、能力，推动探究活动得以顺利进行。

学生分析两个阶段的实验数据，从现象推导初步的实验结论：野扇花具有一定的耐热性。给野扇花搭建遮荫棚模拟高大乔木下的地被栽种是比较适合野扇花在杭州地区的一种栽培方式，虽由于热胁迫的作用造成了少量分枝枯死，但没有出现大比例的死亡现象。

教师要鼓励学生对采集的数据处理分析后，实事求是地对存在的不能解释的问题提出自己的改进意见的设计。8月末期出现了个别植株整株枯死的现象，学生经查阅资料推测这是由于6、7月份杭州本地梅雨季持续时间比较长，根系缺乏通气助长了霉菌的感染。在下一阶段的重复实验中可采取2种预防措施：①把现有的野扇花换一个地块移栽，在新栽地掺入大量的沙土，以提高土壤的透气性；②再按一定的周期使用恶霉灵浇注根系。

3 教学成效及反思

本项课外实验教学的实践充分利用了“养正生物种植实验园”的优势，结合专业科研单位的专项课题和高校的实验室的设备，以“选修课+课外实验”形式开展活动，探索了一种校内外结合发展学生科学探究素养的新途径，弥补了生物实验教学在深广度和实践性方面的不足。

3.1 课外实验教学活动是学生获得生物学科探究经历和经验的重要途径

生物课外实验教学可以克服传统输入式教学，为学生提供以问题解决为特点的合作探究的学习机会，使学生学会自主学习。学生经历引种栽培、观察现象、提出问题、设计实验、实施过程、交流与分析讨论实验结果、得出结论、反思实验过程、形成研究性学习报告的整个过程，在实践中对科学探究有了更深更多的亲历体验。在实践过程中，学生的观察能力、科学思维、科学探究得到提升，从而提升了科学探究的生物学学科素养。

3.2 加强教师与学生的交流环节，以科学探究素养为指向，提升课外实验教学方式

在课外实践活动、校外实验研究室拓展的在教学过程中，教师通过加强与学生的交流来引导学生发现和探究问题，培养学生科学探究实验的方法。在实验前，教师加强与学生的交流讨论，发挥引导作用，使学生结合自身的兴趣，通过对观察的现象、提出问题，并进一步自主设计相应的实施实验；在实验实施后，教师参与指导学生对实验观察结果的讨论互动交流，促进学生展开实践探究活动，解决问题，培养了学生的科学素养。

探究式教学作为新课程倡导的一种教学方式，可以充分发挥学生主体性，把学生创新精神和实践能力作为发展重点，以学生的自主探究学习为核心，以现象为素材，努力创设问题情境，诱发学生的探究动机，激发学生思维，使学生通过探究分析解决问题，获得新知识及科学探究的素养，从而培养学生科学探究思维品质、习惯、能力，促进学生形成主动的学习过程。