基于探究能力培养的初中生物学实验增设与改进

冯学芹

生物学是以实验为基础的自然科学学科，而实验是初中生物教学的重要内容，需要学生充分运用探究能力在整个实验过程中不断探索，使实验不再是再现生物现象、追溯生物理论起源的工具，而是发挥促进学生探究能力与生物素养发展的作用。因此，实验教学是培养初中生生物探究能力的重要途径，对科学思维、探究实践等核心素养发展都具有重要意义。但从培养探究能力视角来分析当前教材中的生物实验，发现诸多不恰当、不合理之处，如知识衔接不连贯、取材不方便、操作复杂、不易观察等。鉴于此，教师需要结合探究能力培养理念与目标，对教材实验设计存在的不足进行弥补，通过增设与改进两种手段优化实验教学，提高探究能力培养效果，加速核心素养生成。

一、基于探究能力培养的初中生物学实验增设策略

济南版初中生物教材涉及多种类型实验，如观察实验、模拟实验、演示实验、分组实验等，并在每部分知识中明确具体实验类型。如，七年级上册“绿色植物的呼吸作用”板块要求通过演示实验来学习“植物的呼吸作用”。虽然明确且详细的实验设计能够使实验教学具有准确的思路，但会出现实验类型与知识不匹配情况。

济南版七年级下册“尿液的形成和排出”一课是关于人体代谢废物排出体外方式的内容，其中复杂的泌尿系统、肾结构与功能很容易出现记忆混乱，加之血液在肾单位中的流动具有抽象性，增加了学习难度，是教材中的重难点。但从教材内容来看，本部分知识的叙述简单，仅设计了简单的演示实验，方便学生直观地观察肾结构。而肾单位复杂的组成、肾单位内血液流动、尿液的形成、泌尿系统组成均给出示意图与文字说明，但缺少真实感与动态性，对于目前抽象思维能力较弱的初中生来讲理解难度大，不利于学生对重要概念的理解。为此，教师应增设模拟实验，帮助学生理解知识，促进学科概念与探究能力的生成。

（一）模拟肾单位

肾脏是人体内生成尿液的器官，而形成尿液最基本的单位为肾单位，每个肾脏内包含约100万个肾单位。为了配合文字内容直观、形象地还原肾单位情况，教师可以使用气球、红色包装绳、保鲜袋材料等，引导学生动手操作模拟肾单位，完成组成结构模型的制作，方便学生对肾单位产生直观的了解，后续以更精细的内部结构模型来观察血液在肾单位内的流动方向与尿液流出的位置。在每组模拟实验结束后，教师向学生展示制作的模型，要求各小组结合对概念与理论内容的理解进行相互点评，纠正模型中的错误。

模拟实验赋予了学生主动构思、交流讨论、实践探究、分享评价的机会，使学生对关于肾单位结构的理解与分析更加深入，为后续探究尿液的形成做好铺垫。

（二）模擬尿液形成

教材给出了尿液形成示意图，通过对比血浆、尿液、原尿成分及含量差异对尿液形成过程做出分析。但尿液形成是一个动态变化的过程，数据、图示、文字说明仅能起到辅助理解的作用，探究血液流经肾小球后经滤过进入肾小囊腔的成分、原尿流经肾小管后经重新吸收回到血液的成分应以动态形式演示。为了改善教学现状，常有教师配合动画视频，但难以使学生真实地感受尿液的形成。为此，教师应组织学生开展模拟实验，制作尿液形成模型。

1.模拟实验材料。

提供图示与视频资料，提供透明软管、透明塑料纱网、电池、高锰酸钾溶液、卡扣式尼龙扎带、T形塑料三通接头等材料。

2.模拟实验方法。

取一只瓶口带管状出口的塑料瓶，截取上半部分作为肾小囊外壁；在塑料瓶内部放置透明塑料纱网作为肾小囊内壁，将软管套入出口作为“肾小管”；在“肾小管”偏下位置安装T形塑料三通接头，并接入新的软管（1号），三通接头的下开口需要采用合适的材料封堵，避免因液体泄漏而影响模拟尿液流出过程；通常采用蜡，将其封堵后，经“肾小球”过滤原尿，顺利流向1号软管，而其他原尿则从“肾小管”末端流出，方便学生观察尿液流出时肾小管上下段流经液体量的差异，理解肾小管具有重新吸收原尿的作用。

取一条直径为7mm的透明软管作为血管，并将其放置在“肾小囊”中，其中一段处于弯曲状态，延伸外侧部分，右边为肾静脉，整体结构为肾小球；“肾小球”能够流出液体，需要用针在软管上穿孔，使学生理解肾小球是如何发挥作用的，理解原尿经肾小球滤出。在肾小球的软管上接入T形三通，并接入新的软管（2号）。准备黑木板，在顶部偏中心位置钻口。利用卡扣式尼龙扎带，将“肾小囊”“肾小管”固定。两者内的液体均需要在微型水泵的驱动下产生流动效果，因此，还需在木板上钻孔，孔位与1号、2号软管位置对应，使软管穿过孔后能够与水泵连接。其中1号软管置入烧杯，2号软管需连接水泵。

将“血管”与微型水泵连接，通过微型水泵完成心脏血液输送情况模拟，使学生观察血液从心脏产生后按照肾动脉→入球小动脉→肾小球→出球小动脉→毛细血管网→肾静脉的顺序流动，并直观地观察流动方向。

为了逼真模拟尿液形成与流出的过程，可采用高锰酸钾溶液模拟“血液”。为了使学生观察肾小球的过滤作用，可利用高锰酸钾溶液遇维C后立即变为无色特性，在“肾小囊”内放入维生素C片，从而真实地还原肾小球的过滤效果，引导学生从生物学视角分析这一现象，帮助学生理解因毛细血管壁无法透过血细胞与大分子蛋白质而导致原尿与尿液均为无色。

3.模型应用方法。

完成模型制作后，探究模型的应用，动态还原尿液的形成与流出过程。将维生素C片放在“肾小囊”中，准备两台微型水泵与两个大烧杯，烧杯中装有高锰酸钾溶液。其中一台水泵置入装有高锰酸钾溶液的烧杯，模拟心脏造血，水泵启动后，较多的“血液”流经“肾小囊”内的“血管”，与此同时能够看到“肾小管”内有“原尿”（透明液体）流入，上段液体量大、下段液体量少，仅有少部分从管末端流出。另一台水泵同样置入装有高锰酸钾溶液的烧杯中，为出球小动脉注入供血，使供血量与1号软管分流液体相等，则实现“肾静脉”流出血液同尿液总量与流入血液里的相等。

通过增设“尿液形成和排出”模拟实验，学生在动手操作、模型演示中探究了尿液形成时肾小球发挥过滤血液功能、肾小管发挥重新吸收原尿功能，既使学生充分理解重点知识，也对其探究能力进行了有效培养。但本次实验仍有遗憾，未能寻找到可以悬浮在水中的颗粒，导致毛细血管壁阻拦血细胞与大分子蛋白质滤过现象无法再现，因此，模拟实验还有待改进之处。

二、基于探究能力培养的初中生物学实验改进策略

在发现实验取材、实验方法、实验步骤不合理时，改进实验既能够为学生创造更合适的探究条件，也能够引导学生聚焦实验的不合理之处，共同探究改进方法，提高探究能力与创新能力的培养效果。

（一）“观察植物细胞结构”实验改进

“观察植物细胞结构”实验是设置在济南版七年级上册“细胞的结构和功能”一课的分组实验，要求学生利用显微镜观察洋葱细胞，所采用的实验材料为洋葱鳞片叶内表皮。在引导学生按照教材给出的方法步骤进行操作时发现诸多问题，采用从一侧滴碘液形式染色时，需要从另一侧用纸将碘液吸过去，而在“吸过去”时，如果将盖玻片内的碘液全部吸干，学生观察时会看到诸多大气泡，有时气泡甚至掩盖洋葱细胞，从而误导学生将气泡认作细胞，无法准确观察、总结洋葱内皮细胞结构形态特点。

基于上述情况，教师在实验后与学生一同探究改进策略，解决洋葱鳞片叶内表皮细胞临时装片内气泡问题，共探索两种改进策略：

1.在制作临时装片时，向玻片上滴两滴清水，保证加盖玻片后内部空间能够保持水分充盈，以此减少气泡，以起到增强细胞活性的作用，方便学生观察细胞。

2.改进染色方法，滴入碘液时无须再将水分吸干，但需要调整装片角度，将其倾斜10°左右，尽量保持在10°，否则会影响染色效果。在高的一侧于装片中间的缝隙处滴入碘液。因存在倾斜角度，碘液会从一侧流向另一侧，流于装片外侧的碘液可以用纸巾擦拭，但无须吸装片缝隙部位的碘液，确保盖玻片范围内有充盈的液体，避免产生大量临时气泡。

同时，在按照教材方法进行实验中，有学生未观察到细胞核，分析原因后发现，在制作临时装片过程中，教材给出的方法提到撕取洋葱鳞片叶内表皮，由于面积过大，导致加装盖玻片后，有表皮处于玻片外侧，加之观察范围内容易出现气泡，对观察造成干扰。并且，撕取获得的表皮易发生卷曲，而学生实验经验较少，在玻片上无法展平表皮时，卷曲的表皮会使其观察到重叠细胞，这也会发生看不到细胞核的情况。基于此，教师可与学生共同尝试利用刀片辅助获得洋葱鳞片叶内表皮，先划取边长1cm的正三角形内表皮，将其取下后平铺在滴有清水的载玻片上，取出解剖针在表皮上轻轻压几下，将气泡排出。

通过改进实验，有效预防了在观察植物细胞过程中气泡、染色、表皮处理不当等现象对学生视野的干扰，使学生的观察更直观、更清晰，准确地总结出洋葱鳞片叶内表皮细胞的结构特征，达成实验目标，优化学生的探究体验。

（二）“观察鸡蛋结构”实验改进

“觀察鸡蛋结构”实验是设置在济南版八年级上册“鸟的生殖和发育”一课的分组实验。该实验主要材料为生鸡蛋，要求学生剥开鸡蛋的一部分外壳，观察卵壳、卵壳膜、气室等结构，继而分析鸡的生殖与发育方式。但按照教材所示实验方法进行操作时，出现以下问题：

一是用解剖剪将钝端蛋壳敲出裂纹后，利用镊子将蛋壳取出，先对卵壳与外层卵壳膜进行观察，结束后再利用解剖剪将卵壳膜去除，以便观察到内部气室。但学生在处理卵壳时经常出现不小心刺破卵壳膜的情况，导致卵白流出，使鸡蛋内外卵壳膜黏在一起，难以清晰地观察气室。

二是将鸡蛋内容物流入培养皿后，经常因浅白色棉絮状系带过于浑浊影响学生观察，甚至导致有些时候观察不到系带。因此，对于文字所描述的系带的作用学生很难理解。同时，也有一些蛋的胚盘被压在下面，需要先将卵黄翻过来再观察，但常因操作不当而戳破蛋黄，蛋黄一旦损坏将无法进行后续观察。因此有些学生因害怕损坏蛋黄而不敢操作。

三是蛋没有明显的卵黄膜，影响观察。

针对以上问题，教师可采取以下改进策略，优化学生探究条件，使实验切实发挥辅助学生理解、提炼知识，掌握重要概念、培养核心能力等作用。

第一步，取鸡蛋后不急于剖开卵壳，先通过放大镜观察卵壳表面光滑与否，并改敲击钝端为敲击中部，轻敲出裂纹后，利用剪刀端部整齐的修整卵壳与卵壳膜，形成长约4cm、宽约3cm的椭圆形缺口。与钝端设置缺口相比，范围有所扩大，更方便观察鸡卵内部结构。允许学生采用无针头的注射器将卵白吸出少许，放置在培养皿内观察，避免出现卵白漏出情况，同时方便学生清晰地观察卵黄悬浮在鸡卵中央的位置。为避免胚盘朝下需要翻转问题，可以借助LED小电筒辅助观察，透过光线看到位于卵黄两侧的系带以及白色胚盘。

第二步，需要翻转卵黄时，可利用玻璃棒轻轻拨动，甚至可以与同学配合尝试翻转，发现无论转动还是翻转，卵黄仍然处于中央位置。

第三步，实验中改直尖解剖剪为弯尖解剖剪，在与卵黄两端有一定距离的位置剪断系带，利用玻璃棒随意拨动，观察卵黄可以停留在鸡卵内的任何位置上，从而使学生理解系带对卵黄的支撑作用。

第四步，在缺口位置，用力掰开卵壳，使其一分为二，尽量避免气室部分遭到破坏。将卵黄卵白分别取出，放置在培养皿内等待观察。先观察卵壳钝端，用清水处理含有钝端的部分，观察其上面存在约一角硬币大小气泡，并用手触碰，感觉到气泡内真正有气存在，从而直观了解气室。利用镊子将气室的卵壳膜取下，再将其敲碎，观察碎片上还有一层与蛋壳内部紧密结合的卵壳膜，由此可以判断气室位置有两层卵壳膜，两者处于分离状态，故出现了气室。

第五步，用镊子将培养皿中卵黄结构戳破，使卵黄流出，观察收缩后的卵黄膜，为白色且有褶皱。等待卵黄全部流出后，用镊子轻轻挑起卵黄膜，转移到清水中，将其彻底清洗干净，发现卵黄膜是白色的、薄薄的。

经过改进，较好地改善了实验方法的不足，解决了实验中容易出现的问题，减少了学生在实验探究中的干扰因素，使其感受到生物探究的乐趣，积累了丰富的探究经验，促进其探究能力的发展。

三、结语

综上所述，初中生物实验的增设与改进能够有效处理教材实验存在的问题，弥补设计上的缺陷，为学生创造合理且良好的探究基础，提高实验探究效果。从实际效果可以看出，增设与改进实验使学生对生物知识的理解更加深刻，呈现的实验现象与得到的实验结论也更有说服力，提高了实验操作与理论知识的一致性。因此，初中生物教师应关注学科实验问题，对于不合理、不恰当的疑难实验或缺少实验的部分及时做出分析，采用增设与改进手段进行合理调整，使生物学科以实验为基础的特点呈现出来，真正发挥实验在培养学生探究能力方面的作用。