高中生物学实验改进与创新的教学尝试

罗惠峰 张录璐

摘要结合实验教学案例，尝试从实验选材的改进、实验装置的改良、实验结果的改观和实验能力的发展四个方面对高中生物学教材实验进行改进与创新，丰富实验内容，提高实验效率，改进实验效果，提升实践操作能力。

关键词 生物学实验 实验改进 实验教学

中图分类号G633. 91文献标志码B

生物学是一门以实验为基础的自然科学。生物学实验是中学生物学科课程中最重要的、最富成长性的板块，可发展学生观察、提出问题、分析问题、作出假设、设计实验、实施方案以及得出结果的能力。2019年教育部印发《关于加强和改进中小学实验教学的意见》提出：努力构建与课程标准要求相统一的实验教学体系，积极推动学生开展基础性实验和拓展性实验，拓展创新，丰富内容，改进方式。但在实验教学实践中发现，部分实验若按照教材的设计方案进行操作，往往存在一些不满意的地方，或实验材料难以获取，或实验装备不足，或实验操作特别繁琐，或实验结果不易呈现，或实验方式单一等。为解决上述种种问题，生物学教师需要对现行教材实验加以改进与创新。结合实验教学案例，笔者谈谈对教材实验的改进与创新策略。

1实验选材的改进：科学合理

正确的选材是实验成功的一半。孟德尔选择了豌豆，发现了遗传规律；摩尔根选择了果蝇，发现了基因和染色体的关系；赫尔希和蔡斯选择了T2噬菌体，发现了DNA是遗传物质。可见，实验材料的选取直接关系到实验的开展和效果。但教材中建议选取的材料并不一定就是最适合的，教师应立足于材料获取、操作难度、实验效果等角度合理选择。一些实验存在所需材料具有不易获取、获取过程复杂、操作难度大、实验效果不明显等缺点。教师应充分地发挥主观能动性，对于不易获取的实验材料用相对容易获取的实验材料进行替代，确保实验课程的正常进行和得到较好的实验效果。例如，“用高倍镜观察叶绿体”的实验建议的选材有菠菜叶和黑藻叶。在实际教学过程中，撕取菠菜叶带叶肉的下表皮，往往会出现只撕取到表皮细胞而观察不到叶绿体或是撕取的叶肉过多而导致细胞重叠，临时装片的制作成功率偏低，且观察效果较差。黑藻叶观察效果虽好，但不易获取。因此，教师可考虑比较常见、容易获取的金鱼藻替代菠菜叶和黑藻叶。进行实验时，学生可直接用镊子取金鱼藻的一片小叶，制作成临时装片，放置在显微镜下即可对叶绿体进行观察。以金鱼藻为实验材料，实验材料易得，且实验效果非常明显。

在“探究温度对酶活性的影响”中，教材建议用淀粉酶作实验材料。笔者联系学生生活，采用了具有地方特色的姜汁（生姜蛋白酶）和牛奶作为实验材料制作姜撞奶。姜汁（生姜蛋白酶）和牛奶分别置于沸水浴、80℃水浴和室温中保温后，再倒入试管中混合反应。教师创设具有地方特色的“姜撞奶”的教学情境，实现生物教学生活化，既简化了实验结果的观测步骤，又使实验现象更直观，能较好地激发学生的学习兴趣，提高了学生的课堂参与率。

2实验装置的改良：简化程序

实验装置是实验的重要组成部分，决定实验现象的清晰程度。例如，“绿叶中色素的提取和分离”实验中利用研钵进行研磨，操作繁琐且费时费力。若把研钵研磨改为同时具有研磨和过滤功能的“研磨过滤器”（图1），将大大简化研磨操作程序。

研磨过滤器的使用方法：将5 g菠菜叶剪碎倒入外套筒内，将3 mL无水乙醇、少量碳酸钙加入其中。将研磨杆置于外套筒内，盖好顶盖，下压并不断左右旋转研磨杆，旋转2或3次后，停止研磨并将研磨杆不对称地轻轻提起，再次研磨，如此反复2或3次。整个研磨过程仅需约1 min即可打开顶盖，用吸管将外套筒底的滤液吸出后待用。

采用研磨过滤器研磨代替研钵，具有明显的优势。（1）研磨操作简单，节省时间。研钵研磨操作繁琐，用时长达5 min，研磨后还需要过滤2 min；而采用研磨过滤器研磨，研磨和过滤同时进行，用时仅需约1 min。（2）用时短，能有效避免色素被破坏。（3）避免挥发，节省试剂。封闭式研磨，避免无水乙醇的挥发，一个实验小组只需3 mL无水乙醇，比教材中建议的用量节省7 mL无水乙醇。一个约1 000名学生的年级就节省约5 L的无水乙醇，而且研磨过滤器不需要加二氧化硅，节省药品。由此可见，实验装置的改进和创新，大大降低了实验成本，节省了实验时间，保障实验后学生有充足的时间进行后续的实验探究。

新教材中的层析装置为：将适量的层析液倒入试管（或小烧杯）中，将滤纸条轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。现改为将5 mL层析液倒入100 mL烧杯中，用橡胶圈固定透明薄膜封口，使用的时候只需要用刀片轻轻等距离割开三个缝口（开口长度是2 cm），将画好滤液细线的滤纸条轻轻从缝口插入即可（图2）。

經改良后的层析装置有以下优点：（1）操作方便，放滤纸条和加层析液都可以从缝口放入，不用需要打开盖子；（2）能减少层析液的挥发，降低层析液中有毒性的挥发性物质对学生的影响；（3）有效避免实验中的经常出现的滤纸贴壁现象和滤液细线触及层析液等实验操作失误；（4）装置同时容纳三条滤纸进行层析，进行重复实验，增加实验的成功率和说服力；（5）一装置两用，此装置也适用于圆形滤纸的层析。

3实验结果的改观：直观明了

实践表明，越简便的实验给学生的印象越深刻。简便实验可为学生课内外动手操作开启方便之门，更有利于学生获取直接经验。因此，在保证实验效果的前提下，以实验现象直观明显为佳。

例如，关于“渗透现象”的实验，教材中利用玻璃纸密封包在长颈漏斗口外，操作非常复杂。若密封不好，漏斗管内液面上升现象就无法观察。笔者尝试用稀盐酸去掉外壳、保留薄膜的鸡蛋放置在清水中，用鸡蛋渗透水后体积会变大来说明生物具有渗透现象，非常简明直观，使实验结果可视化，而且每个学生都能够自己动手操作，教学效果显著。

在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”中，教材是通过观察气泡的多少和点燃的卫生香的复燃情况来比较过氧化氢的分解情况。但由于氧气的释放量有限，卫生香的复燃时间较短暂，且卫生香燃烧会有一定的气味，会引起部分学生的不适。因此，笔者在教学中对结果的检测作了如下改进：用气球套在滴管的一端，插入试剂瓶中，通过观察气球体积的变化来比较过氧化氢在猪肝研磨液和FeCl3中的分解情况，效果直观明显。

4实验方式的改进：发展能力

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》提出实验教学，既可以是动手、观察类的实践活动，也可以是以问题解决为特点的探究活动。为更好地实现实验探究与课堂教学的融合，教师可以对教材的实验内容进一步拓展深化，为学生提供合作、交流、激发思维以及探究创新的平台和空间，激发学生的求知欲，促进学生主动地进行科学探究。

例如，“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，笔者提出2个探究性问题引发学生思考：①同一试剂处理不同材料，质壁分离效果相同吗？②浓度相同的不同试剂处理相同材料，质壁分离效果相同吗？同时，提供下列材料及条件。

实验材料：洋葱鳞片叶（内、外表皮）、金鱼藻叶、三角梅花瓣。

实验试剂及器具：质量浓度分别为0.3 g/mL蔗糖溶液、0.15 g/mL的蔗糖溶液、0.15 g/mL的葡萄糖溶液、0.15 g/mL的硝酸钾溶液、清水、醋酸、红墨水、显微镜、刀片、镊子、滴管、载玻片、盖玻片、吸水纸。

针对上述两个问题及所提供的材料，学生通过观察、思考、交流与讨论后，提出问题，并依据相关的生物学原理作出假设，设计实验方案，然后实施探究实验，记录实验结果（表1、表2）。

综合分析表1所示实验得出的结果，学生归纳、概括出质壁分离发生的条件为浓度差、有细胞壁、有大液泡、保持细胞活性（即活的成熟的植物细胞）等；选择材料时需要注意有大液泡、细胞壁、有颜色，细胞大等。若用洋葱鳞片叶内表皮细胞也可以做此实验，但要滴加染色剂如红墨水才能观察到实验现象。由于金鱼藻叶和三角梅花瓣的液泡和原生质层也有颜色的区分，因此实验效果也较明显。

依据表2进行实验得出结果，学生会发现质壁分离程度和试剂之间呈现出如下规律：随着溶质相对分子质量的逐渐减小，细胞质壁分离程度逐渐增强。同时，归纳、概括出选择试剂的注意点：溶液浓度适当高于细胞液，溶液对细胞无伤害；若溶质分子能被细胞吸收，则会发生自动复原。

本实验以质壁分离为基础，引导学生运用科学的思维，针对实验现象进行观察、提出问题、并设计实验方案，对问题进行科学探究、实施方案，引导学生对实验结果进行分析和归纳，在探究实验中发展科学思维，提高实践能力。

综上所述，教师改进与创新生物学实验，极大地丰富了实验内容，提高了实验效率，有利于提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，从而培养学生的兴趣爱好、创新精神、科學素养和意志品质。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：6.

[2]张军林.基于核心素养的高中生物学实验改进和创新[J].中学生物教学，2018，（3）：48-50.

[3]中华人民共和国教育部.教育部关于加强和改进中小学验教学的意见[J].中华人民共和国国务院公报，2020，（8）：74-76.