交融学科 激发智慧 进阶实验

实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一。实验教学是促进学生积极融合学科知识、主动开发学科智慧、勇于探究学科创新的学习媒介，是促成学生达成生命观念、科学探究、科学思维、社会责任等生物学学科核心素养的重要支撑。为此，广大高中生物教师正在努力探究以发展综合能力、创新智慧、核心素养为宗旨的实验教学。

1 综合实验材料，启迪创新思维，提升实验功效

科学选择实验材料是实验取得理想效果的首要前提。教师将学科内、学科间、生活中的材料进行综合思考，启迪创新思维，进而探索出新的实验材料，是获得耳目一新实验的重要手段，也是激发智慧、发展素养的有效途徑。

例如，在“植物细胞的质壁分离与复原”实验中，用洋葱鳞片叶紫色外表皮作材料，既会因原生质层非常薄且无色而不利于概念的生成，又会因液泡呈紫色而无法感知原生质层类似半透膜的生物学事实。这促使教师向学生提出更换原生质层厚而有色、液泡大而无色的实验材料的要求。为此，学生以综合分析初高中生物实验使用的和日常生活中观察过的活体植物材料为基础，先后提交选用带叶肉细胞的菠菜叶下表皮、葫芦藓小叶、黑藻小叶、苦草叶薄片等为材料的预设方案，并在课外活动中分组进行预实验，发现叶绿体随细胞质环流的黑藻及苦草叶薄片是理想的实验材料。这两种实验材料的状点主要有：①能够清晰观察到外面紧贴着细胞壁、里边围绕着无色大液泡、中间含有叶绿体的动态圆环，直观感受原生质层的存在;②沿壁内侧、绕液泡外侧不断环流着的叶绿体，强烈吸引着观察者的注意力，在兴趣盎然的氛围中感知原生质层由细胞膜、细胞质、液泡膜组成;③在使用带红墨水的蔗糖溶液时，显微镜下能清晰观察到细胞壁与细胞膜的间隙、原生质层、液泡依次为红色、绿色、无色，自然而然地生成细胞壁的全透性、原生质层的选择透过性概念。创新材料的过程既非常好地提升实验功效，又潜移默化地启发创新思维、发展综合素养。

2 交融实验用具，促发创新体悟，增进实验成效

融合选用理化生实验和生活中的器材、综合制作实验用具，既是实施低成本、低消耗、低污染实验的重要支撑，又是简约实验操作、获取理想效果的重要保证，还是激发学生体悟、动手、合作等多方面潜在能力的有效途径。

例如，需要耗时较长的“探究酵母菌呼吸方式”实验在正常教学秩序下的中学课堂无法进行，因此通常只能以课外实验的形式实施。可是，实施课外实验，遇到的首要困难是如何为酵母菌有氧呼吸持续充气。若直接使用市场上购买的气泵进行充气，则由于速度太快，会导致空气流经NaOH溶液时，其内的CO2不能完全被NaOH吸收，严重影响实验结果的科学性;若使用洗耳球进行充气，既存在需人员长时间持续充气的弊端，又存在交替进行吹气和吸气容易引发倒吸液体的不足。因此，发动学生制作适量流速的自动充气用具，成为实施课外实验的创新重点。在学生和多学科老师的协同努力下，成功制得可以控制理想气流速率的微型自动充气泵。其制作的工艺流程为：选用迷你型微型充气泵（如37C泵）一焊接上带引线的电池扣一电池扣上焊接微型开关一并将开关粘贴固定在气泵侧壁构成组件一给组件装上能暴露电池扣、开关、出气管的合适外罩→把9V干电池插入电池扣→在出气管连接可以任意调控气体流量的空气调节阀。学生应用自制气泵，不仅能顺利获得预期实验结果，而且能强烈提升多学科综合思维核心素养体悟潜能、合作探究素养。

3 融合实验试剂，激发创新灵感，提高实验效率

实验试剂是实验的调节剂，不仅影响实验的结果，而且还影响实验的进程。因此，融合理科实验和生活经验，激发使用合适试剂的灵感，是生成创新智慧和探索创新实验的又一途径。

例如，在利用H2O2、FeCl3和鲜肝研磨液探究“酶只改变反应速率而不改变反应平衡”的实验中，如果机械地使用常规试剂，则一课时内无法完成预期的实验目标。为此，教师在启发学生多次探讨基础上，接力众多学生的灵感，创新使用饱和FeCl3溶液，使H2O2在FeCl3下的彻底分解由原来的十几小时缩短为几分钟，从而实现当堂获得最终产氧数据、当堂分析得出结论的理想效果，有效发展学生善于思索、勇于创新的智慧和素养。

再如，为了使学生能够真正体会“动物标志重捕法”实验，教师预设使用可爱动人、数量众多、运动力强的小金鱼作为实验材料。可学生实施标记时，却发生找不到合适标记物和标记部位的困难。在多方查阅生物、化学资料的基础上，学生多次尝试将生物与化学知识相融合，找到了标记试剂甲紫和小金鱼尾鳍的合适标记部位，从而在课堂上成功实施模拟实验，有效激发多学科综合探究素养。

4 耦合实验装置，激励创新灵动，臻美实验成果

实验装置是实验能否实施、能否成功、能否利于发展学生智慧和素养的主器件。因此，借助理化生实验和生活经验的有机耦合，对装置进行合理的创新设计，是激励创新灵动和完善实验探究最突出的方法。

例如，探究酶在细胞代谢中作用的实验教学，为了突破因缺乏气体定量测定装置而无法探究酶“在反应前后性质不变”“不改变反应平衡”两大特点的瓶颈。笔者首先引导学生联系化学中定量测量气体的知识，设计装置构建方案。然后，启发学生灵活妙用医用注射器、洁净空圆珠笔管及化学实验器材，创新制作定量实验装置（图1）：选用1 mL和5 mL注射器，分别作为定量注加催化剂和H2O2的用具;选用50 mL试管作为H2O2分解的容器（加底座有利于稳定），配以固定有注入试剂用9号针头和导出气体用短笔管的密封试管塞（制作时需注意排除针管内的碎屑，同时需用孔径同于笔管的钻头打出插笔管的通道）;选用注满水的125 mL平底烧瓶，配以固定有导入气体用短笔管和导出清水用长笔管的密封瓶塞;选用25 mL量筒，配以固定有导入清水用笔管和排出气体用小孔的筒塞，用于定量测量平底烧瓶中排出的水量（即产气量）;相关笔管间用细软胶管密封连接起来。学生利用该装置实施实验时，不仅能精确收集及测量气体，而且能完成重复实验，从而有效从多学科、多方位耦合创新智慧和素养。

5 融洽实验方案，启发创新潜质，进阶实验效能

实验方案是实验教学的核心与灵魂，实验方案直接决定着实验教学的效果，直接影响着学生智慧和素养的发展。有机融洽中学理科实验和生活经验，进阶实验方案和效能，是开展创新探索和启发创新潜质的重中之重。

例如，为了使“探究酵母菌呼吸方式”实验全过程的课堂化，同时准确把控无氧呼吸实验起始点，多年级学生和理化生教师通力合作，经过反复的综合探索和不懈努力，启发潜质对实验方案进行了多层次创新设计。①创新酒精检测方案，采用对培养液进行90℃水浴的蒸馏法，于试管口对从酵母菌葡萄糖培养液中分离出的酒精蒸馏液进行检测，有效避免残留的葡萄糖溶液对检测结果的影响。②创新课堂化实验的充气方案，用高架于铁架台上且注有500 mL水的输液袋、带流速控制阀的输液软管、带双导管瓶塞的500 mL细口瓶，组装成一边往细口瓶内注水、一边将瓶内气体压入反应试管的自动充气装置，并借助细口瓶控制充入反应液的气体成分。③创新反应方案，选用50 mL试管分别装入NaOH溶液、酵母菌、葡萄糖培养液，再用自制的带进气与出气双导管的管塞将两试管连接成反应装置，藉此避免反应液边缘充气不足问题。④创新充入气体方案，先将有氧呼吸细口瓶内充满富含氧气的空氣，将无氧呼吸细口瓶内充满不含氧气的空气（借助化学实验中白磷燃烧制得），再将细口瓶与输液软管、反应装置连接成完整实验装置（图2）。实验中，有氧呼吸培养液一直通入富氧空气，能完全避免无氧气的影响;无氧呼吸培养液只需要在起始阶段充气（然后关闭充气），就能立即形成无氧环境，从而确保无氧呼吸实验结果不被有氧气干扰。如是，综合创新实验方案使8h以上的课外实验缩短为十几分钟的课堂实验，在确保实验结果科学准确的前提下，实现了实验操作与结果呈现的现场化，有效发展跨越学科、联系生活的融合创新潜质与探究素养。

创新是人类特有的认识和实践能力，是推动社会发展的智慧源泉，是学生素养中最重要的要素。随着数字化、智能化的迅猛发展，教师应当适应时代发展，激发学生将传统理科实验、生活经验和崭新技术有机融合，变“知识受体”为“智慧主体”，变“知识传承”为“智慧生长”，多样化、新型化、高效化地创新实验教学。

参考文献：

[1] 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.

[2]杨建忠.“e学习”在生物教学中的应用[J].教学与管理，2021，（7）：51-53.

[3] 陈斌.传承创新：转识成智的理性追问[J].中小学教材教学，2021，（1）：39-43.