高中生物实验对学生核心素养的培养

张莹

摘  要：《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出要培养学生生物学学科核心素养，包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。核心素养是基础教育领域最核心和热门的词汇，强调了作为新时代社会主义接班人应该在学校的教育工作中获得的必备品格和关键能力。作为理科性质的生物学科，在教学过程中，利用丰富多样的实验教学来培养学生的核心素养，能取得事半功倍的良好效果。为此，笔者总结出几点生物实验教学中对学生核心素养提高的具体真实案例，希望在教学过程中能有利于学生核心素养的培养。

关键词：核心素养;生物教学;生物实验

习近平总书记在二十大报告中强调，我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之。近几年，随着高考改革及教育改革的不断深化，核心素养跃升为教育界乃至全国人民眼中深化基础教育改革，落实素质教育目标的关键要素。核心素养体系明确了学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。学生发展核心素养的根本出发点是全面贯彻党的教育方针，践行社会主义核心价值观，落实立德树人根本任务。突出强调社会责任感，创新精神和实践能力。促进学生全面发展，使其成为中国特色社会主义合格建设者和可靠接班人。

传统的班级教学往往是统一化、标准化和同步化的理论体系教学，很难关注每一位学生核心技能培养，无法根据学生的不同特点锻炼动手和协作以及整体思维，无法让每位学生都得到适合的发展。同时，时代的发展以及新课程标准对学生有了更高的要求，更加注重学生核心素养的培养。作为理科性的生物学科教学，核心素养的培养在很大程度上有赖于实验教学。高中生物实验类型丰富多样，尤其是探究类的实验增加极多，丰富的科学实验类型使得学生在实验操作过程中培养和巩固实验技能，更重要的是使学生的核心素养得到了很大程度的提升。那么，在日常教学活动中，应如何设计和实施实验，进而提高和落实学生核心素养呢？科学严密地设计实验的每一个环节和选择实验手段是很好地完成这一目标的有效方法。

一、通过设计对比性实验，培养比较判断和推理能力

对比实验是高中生物实验设计中的重要试验方式之一，通过对实验对象之间的比较、分析从而发现和揭示事物的内在本质。如“探究酶促反应的专一性”的实验。在该实验中运用唾液淀粉酶分别催化等量的蔗糖和淀粉溶液，通过实验的两相对比判断得出，唾液淀粉酶只能催化淀粉酶溶液的水解，而不能催化蔗糖的水解，进而推理出，唾液淀粉酶具有专一性这一特性。那么，在此实验过程中，将底物更换为其他物质，例如纤维和素淀粉溶液，是否依旧会得到同样的效果？同时，在本实验中，对酶催化效果的检验是通过碘与酶催化产物发生颜色的反应来判断的，如果换成斐林试剂去检测，得到的实验结果是否一致？在过程中就要对比考虑斐林试剂和碘液分别与底物发生反应的原理是否一致，同时二者的反应条件也不同，这是否又会对实验结果的检测造成干扰？对试验结果的检测手段还可以进行怎样的调整？对这些思考也可以通过实验进行进一步的验证。这样，引导学生通过多方面的深入思考、实践对比，切实锻炼和提高学生在遇到问题解决问题时比较判断及推理能力。

例如“验证加热变性的蛋白质中存在肽键”的探究性实验。通过学习，学生已经知道加热会使蛋白质变性，那么变性的蛋白中是否存在肽键？可以通过引导学生设计相关实验进行探究。蛋白质中的肽键与双缩脲试剂发生颜色反应，呈紫色。如果加热变性的蛋白质与双缩脲试剂反应仍呈紫色，即可证明加热变性的蛋白质中存在肽键。试验中，一组放置沸水浴中加热处理使蛋清稀释液中的蛋白质变，另一组不加热作为空白对照。加入双缩脲试剂，观察两组试管颜色，即可对比推理得出结论，发现加热变性的蛋白质中存在肽键。在这个探究实验中，首先要求学生要有扎实的知识储备，其次学生能充分理解实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能，能将这些实验涉及的方法和技能进行综合运用，并对实验现象和结果进行解释、分析、处理。

二、通过设计控制性实验，培养理性思维和分析综合的能力

严密的逻辑思维是学生核心素养体系中重要的要求之一。通过缜密的分析，学生可以从纷乱如麻的事物关系中指出事物的本质所在。例如“光照对绿色植物光合作用的影响”的实验，自变量是光（光的强度和种类）。此实验中需要严格控制无关变量（植物的大小、种类、生长状况等），还要考虑不同光照强度是否会引起温度的改变，进而对植物光合作用强度产生影响，如何避免这个影响？进而才能通过合理的逻辑分析、综合对比出因变量（绿色植物光合作用）与自变量（光）的必然联系。而在此实验中，学生更应该通过综合分析，深入思考，除了在实验中自变量的控制，无关变量更应该有哪些严格的控制和相同且适宜条件的如何控制，从而得到理想的实验效果及结论。再如“探究环境因素对光合作用强度的影响”的實验，通过对不同环境因素如温度、光照强度、湿度、二氧化碳浓度等对光合作用强度影响的探究，学生会通过实验观测明晰影响光反应和暗反应的要素以及各自变量变化的过程中彼此的相互关联和影响，从而帮助学生进一步理解光合作用的原理和过程，同时通过实验的操作实验数据的分析，实验结论得出培养学生的科学探究科学思维能力。

三、通过设计矛盾性的实验，培养勇于探索、批判质疑的能力

科研成果的完成及发现是科学家勇于探索、批判质疑的结果。而这种能力也正是学生核心素养的必备条件之一。而生物实验中，通过设计矛盾性实验，迫使学生通过积极努力地思考，找出实验设计中矛盾所在，进而做出理性的判断。例如“pH对酶活性影响”的实验。在一般学生的认知中，人体内酶的最适pH在7左右。但在书中给出的资料中明确指出，胃蛋白酶的最适pH却为1.5-2.2之间。这是一个与普遍认知相左的事实。那么学生就会对相关问题进行深刻的反思与批判。再如“叶绿体中色素的提取与分离”实验中，实验强调了碳酸钙可以起到保护色素的作用，但是没有提到加入碳酸钙的量和反应的具体时间，导致实验经常因为碳酸钙加入量过少以及反应时间过短，导致色素没有被充分保护而提取不全，甚至提取不到，进而导致实验失败。这就需要学生去探索和质疑，碳酸钙到底有没有保护作用？加多少以及加入多长时间才能取得最好的效果？通过引导学生设计多组对照试验，探索问题的答案。对平时学生所接触以及所学到的科学知识，是否全部正确？是否存在相关的特例？正所谓万物有度，那么这个尺度如何限定？又如何把握？在实验教学中所培养起来的勇于探究、批判质疑的精神，会在学生的学习及今后的工作生活中起到至关重要的作用，帮助学生更科学地解决问题。

四、通过设计综合性实验，培养实践创新和问题解决的能力

新时代新征程，党的二十大指出我们还要完善科技创新体系，坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，提升国家创新体系整体效能，形成具有全球竞争力的开放创新生态。加快实施一批具有战略性全局性前瞻性的国家重大科技项目，增强自主创新能力。而要是想完成这一目标主要就是靠教育，教师要在日常教学过程中充分培养学生实践创新和问题解决能力。高中生物可以通过在实验教学过程中设计综合性实验，让学生在实验的实践中培养创新意识，提高学生善于发现和提出问题、解决问题的能力。例如研究性课题“观探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”的实验。在实验中引导学生思考，生长素类似物能够促进枝条生根的最适浓度如何划定，预实验如何设计，当学生发现一定浓度生长素类似物可以促进生根发芽，但是超过一定浓度后反而对生根发芽起到抑制作用难免会产生疑问。这就要求学生考虑生长素的两重性问题。还要考虑温度，光照强度，水分以及气体成分及含量等无关变量对实验产生的影响，进而指导学生对相关实验步骤进行设计和改进，对相关实验材料进行选择和替换，使学生对实验进行有意识地设计和创新，进而培养学生独立自主、追求实践创新的解决问题的能力。

五、通过对生命过程的观察，实验教学中渗透生命观念和社会责任

在“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验中，首先借助显微镜观察真实的观察到有丝分裂过程中细胞内部的一系列复杂变化，建立感性认识产生进一步探究的愿望，然后借助物理模型的构建直观地模拟有丝分裂中染色体的行为理解各分裂阶段的主要特征，进而构建细胞周期中染色体和DNA数量变化的数学模型上升到理性思考，最后归纳有丝分裂，对保证亲代子代细胞遗传物质一致性的重要意义。一方面激发学生的学习兴趣，另一方面有助于学生对生命观念中结构与功能的理解，将其从个体水平提高到细胞水平。在“奶粉中蛋白质含量检测”这一探究性试验中，学生利用已有的知识了解到凭含氮量多少来确定蛋白质含量的多少的依据是蛋白质一定含有氮元素，但是该方法十分落后，甚至检测后得到错误结论的原因是很多物质含有氮元素但不是蛋白质。通过查阅相关资料，综合分析，学生学习到三聚氰胺外形为“白色单斜晶体”“无味”，形似蛋白粉，其含氮量高，如果仅凭含氮量多少来确定蛋白质含量的多少，那么三聚氰胺完全可以假乱真。由此，价廉且容易获得的三聚氰胺便可以堂而皇之地代替了真正的蛋白质而混入婴幼儿食用的配方奶粉中。然而，三聚氰胺本身几乎没有任何营养价值，添加之后，只能造成蛋白质含量提高的假象，奶粉中的营养物质含量必然大大低于正常值。更可怕的是三聚氰胺具有轻微毒性，有实验报道，动物长期摄入三聚氰胺会造成生殖、泌尿系统的损害，膀胱、肾部结石，并可进一步诱发膀胱癌。也正是由于这些原因，许多婴儿由于长期食用三聚氰胺奶粉而由于营养缺乏成了“大头娃娃”，甚至有人得了严重疾病，让学生进一步明白各种化学物质对个体这一生命层次造成的影响，同时也对社会上制假造假行为深恶痛绝，社会责任感大大提高。

在“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，学生通过动手操作和实际观察，能更好地建构“渗透作用”相关概念，用结构与功能相适应观念解释质壁分离及质壁分离复原现象：成熟的植物细胞是一个典型的渗透系统，成熟的植物细胞有大液泡，细胞质膜、液泡膜的结构决定其对水的透过性远大于其他分子（膜的选择透性），当外界溶液的浓度大于细胞液浓度时，细胞将渗透失水;反之，细胞将渗透吸水。通过实验学生得以提升实践能力和科学分析能力。

类似的例子还有很多，需要教师发掘和完善，让学生通过实验提升学习效率。为了更好地帮助学生树立生命观念，还可以引用跨学科的内容，帮助学生进一步理解相关概念的同时，提高学生的学习兴趣。实验教学不仅让学生深刻而生动地了解生物学知识，更重要的是可以从多方面有效地培养学生相关核心素养。实践表明，学生核心素养的培养和提高，只有通过学生的自主学习和深入思考才能逐步形成。因此，只有进一步加强相关生物学实验的合理性、多样性和创新性，才更有利于學生的全面发展和终身发展，以适应当前和未来技术变革和全球化挑战的需要。

参考文献：

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（责任编辑：莫唯然）