“三新”背景下高中生物学实验优化策略探究

2024-12-23 00:00:00唐波林粟敏从王春艳
广西教育·B版 2024年11期
关键词:高中生物学科学探究

摘 要:优化高中生物学实验可以从优化实验材料、实验试剂、实验装置和生成物检测等方面入手,在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,可以用杏鲍菇研磨液、酵母菌悬浊液和韭菜研磨液作为生物催化剂,用Y型试管代替锥形瓶作为反应容器,用亚甲基蓝检测是否有氧气生成,用带刻度的注射器或相对压强传感器测算生成的气体的体积。

关键词:实验优化;科学探究;过氧化氢分解;高中生物学

中图分类号:G63 文献标识码:A 文章编号:0450-9889(2024)32-0061-04

随着新课程、新教材、新高考的推进,教师在高中生物学教学中不仅要关注学生的知识掌握和能力发展情况,而且要注重培养学生的生物学学科核心素养。2019年教育部发布《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》,对实验教学提出总要求:全面贯彻党的教育方针,落实立德树人根本任务,发展素质教育,努力构建与德智体美劳全面培养的教育体系相适应、与新课程标准要求相统一的实验教学和评价体系。生物学是一门建立在实验基础上的学科,实验教学是高中生物学教学的重要组成部分,其核心在于让学生通过实际操作、观察和分析现象来提高科学思维和科学探究能力。然而在实际教学中,由于教学课时紧张,绝大多数教师采用“讲实验”的方式,很少让学生亲自去做实验,可见,不少教师的教育观念落后,急需优化教师对高中生物学实验的认识。传统实验过程往往存在材料准备复杂、实验现象不够显著等问题,不利于学生对实验本质的深入理解和探究。基于此,本研究从优化实验材料、实验试剂、实验装置和实验步骤等方面探究优化实验效果,激发学生学习兴趣和探究热情的策略。

一、国内外高中生物学实验研究情况

(一)国内研究现状

2024年9月14日,在中国知网“主题”中输入“高中生物学实验教学”,点击检索,共出现604条中文文献,其中学术期刊文献153篇,学位论文150篇,会议论文11篇,学术辑刊文献1篇,特色期刊文献289篇。这一主题1987年到2005年期间受到的学术关注度较低,年文献量不超过2篇,2007年至2017年,年文献量缓慢增加,但年发文量均不超过20篇,2018年文献量增至41篇,此后年文献量呈现快速增加的趋势,可见生物学实验教学已经逐渐受到关注。通过阅读这些文献发现:在理论层面提出建议的较多,对实验进行不同程度的改进与创新实践也有,但提出的实验改进和创新策略都比较零散,很少对教材中的实验改进与创新进行系统研究。

(二)国外研究现状

21世纪以来,全球教育发达国家对生物学实验教学的关注度逐渐提高,美国和日本等发达国家尤为突出。美国更注重培养学生的实验能力、探究能力和理性思维。在美国教学安排中,实验课时占总课时的一半以上,实验类型较齐全,包括微型实验、调查实验、数据实验等。实验设置在各个章节,教材注重启发学生自主思考、动手操作,通过讨论交流,学生自己得出结论,教材中不会呈现最终的结论,只是给学生打造一个自主探究的空间。

通过分析国内外研究现状可知,近年国内外对生物学实验教学重视程度有很大提高。国内实验教学高度重视理论研究,理论研究取得一定的成就,而实际上学生实验操作过程中仍存在很多不足,如实验材料没有因地制宜、实验过程不适于当地的学生等;国外实验教学注重理论与实践相结合,注重让学生亲自参与实验的探究过程。因此,教师可以继续深化高中生物学实验的优化研究,关注实践中的问题与挑战,探索有效的解决方案。

二、高中生物学实验优化措施

(一)实验材料及试剂创新

生物学实验对材料和试剂的要求是易于获取、价格低廉和实验现象明显等。对实验材料的创新可以从学生实验过程中发现的问题入手,对照多种实验材料选出更合适的,这样可以大大简化实验操作,提高实验成功率。实验材料可以从本地材料或常见材料中筛选,比如“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验,可以用新鲜猪肝作为催化剂,也可以选用杏鲍菇、酵母菌和韭菜等作为生物催化剂。在实验过程中,学生发现新鲜肝脏不仅不易保存,而且具有较强的腥味,还导致反应速度过快,他们往往难以接受新鲜猪肝的这些缺点,可见新鲜猪肝并不是用于开展此实验的最佳材料。于是,教师引导学生探寻更合适的实验材料,选择了杏鲍菇、酵母菌和韭菜等作为生物催化剂并对比实验效果。这些材料不仅易获取、价格低廉,而且实验现象明显,反应速度较为适中,可以作为本实验的理想材料。杏鲍菇研磨液、酵母菌悬浊液和韭菜研磨液在催化过氧化氢分解时,均能产生明显的气泡,这为学生观察和记录实验现象提供了极大的便利[1]。此外,此类生物催化剂的使用还解决了肝脏保存难、腥味重、反应速率过快等问题,其中酵母菌悬浊液还有不需要研磨等优点,提高了实验的安全性和卫生条件。

由此可以总结出创新实验材料及试剂的三个注意事项。第一,关注材料是否满足本实验的需要。比如在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中要找到富含过氧化氢酶的材料;还原糖检测实验需要材料没有颜色或接近白色;质壁分离实验需要材料有中央大液泡;观察叶绿体及细胞质流动实验需要用到葫芦藓等。第二,实验材料要本土化。比如在做植物根尖有丝分裂实验时,选择的材料是洋葱,但是南方的学生对洋葱并不是特别熟悉,洋葱从北方运输到南方时一般使用了植物生长调节剂延缓生根和发芽,所以准备该实验时要等一段时间洋葱才能长出根来,为突破这一痛点,可以用南方的蒜代替洋葱开展该实验。第三,关注实验对环境和人的影响。比如用猪肝研磨液开展“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验有比较重的腥味,操作者往往难以接受;“提取叶绿体中的色素”的实验中,旧教材用丙酮提取色素,虽然丙酮提取的效果比无水乙醇的好,但丙酮有毒,从实验安全性的角度来说,用无水乙醇替代丙酮更佳。

(二)实验装置的创新

化学实验装置一般包括反应装置、收集装置、检测装置等。生物学实验装置的要求跟化学的非常相似,高中阶段需要的实验装置应具有简单、可控性强、使实验现象明显、经济实惠等特点。

1.反应装置的创新

选择的反应装置应既经济实惠又有利于实验进行,达到实验严谨和便于观察结果的效果。教材中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”这一实验只是在试管中进行,试管口是敞开的,产生的气体会很快丢失;用猪肝研磨液作催化剂导致反应速度过快,来不及用带火星的木条检测生成物;加入试剂需要时间,很难保证反应能够同时进行。用水管固定夹固定几支Y型试管作为实验装置进行实验,在Y型试管两侧分别加入过氧化氢溶液和生物催化剂,实验时只需将Y型试管倾斜就可以同时将溶液混合,即可使各组实验同步进行,较好地控制了无关变量,学生也可以清晰地对比各组气泡生成速率的变化,更直观地理解催化反应。

2.检测装置的创新

在实验中,需要检测的物质可能是气体,也可能是液体或固体。在化学实验中检测气体,一般是将待测气体导出后在导管口进行检测,或者用集气瓶收集后再进行检测;检测液体时,一般用滴管或试管取出少量待测液体进行检测,留下的作为备用或对照,一般在待测液体中加入某种试剂,发生一些特殊的化学反应可以产生特定的颜色;检测固体时,一般用药匙取出少量待测固体,加入某种试剂,发生一些特殊的化学反应可以产生特定的颜色等。下面以氧气的检测为例,介绍两种检测氧气的创新方法——气体导出法和显色法。

(1)气体导出法

在高中生物学教材中,检测气体的实验较少,主要以过氧化氢分解实验中的氧气检测和探究酵母菌细胞呼吸方式实验中的二氧化碳检测为代表。用卫生香检测氧气时,水一旦接触就会导致卫生香熄灭,所以课题组对实验装置进行了改进(如图2、图3所示):在锥形瓶上安装一支滴管和一个导管,用导管将气体导出再进行检测;还可以用Y型试管替代锥形瓶,用一个架子同时夹住几支Y型试管,然后倾斜Y型试管将溶液混合,这样可以直观对比不同材料滴入过氧化氢溶液后产生氧气的情况,既满足组内每名学生都参与实验的要求,又可以比较每名学生的实验结果。改进后的装置既可以避免因试管口太大产生的氧气丢失过快,导致卫生香熄灭,又可以使多组实验同时参与检测,让反应同时进行,增加实验可信度。

(2)显色法

高中生物学实验中用显色法检测物质的实验很多,如还原糖、蛋白质和DNA的鉴定等,都需要加入特定试剂,发生反应产生特定的颜色。在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中检测生成的氧气时,取一个250 mL的锥形瓶,向里面加入100 mL蒸馏水、2 g氢氧化钠粉末、3 g葡萄糖、5滴0.2%亚甲基蓝溶液,配置成亚甲基蓝检测液。因为亚甲基蓝在碱性的条件下容易被葡萄糖还原为亚甲基白,这时溶液呈无色,通入氧气后,亚甲基白可以被氧气氧化成亚甲基蓝,这时溶液呈蓝色,根据溶液是否从无色变为蓝色即可判断是否有氧气生成[2]。

3.将定性检测拓展为定量测量

高中生物学实验中,很多都是定性实验,比如检测还原糖、脂肪、蛋白质等实验,教材只是要求学生检测有没有某种特定的物质,没有要求测出该物质具体的含量。学生也可以通过反应物颜色的深浅来判断某种物质的含量,但是这样的判断是不准确的。教师可以将定性检测实验拓展为定量测定实验,以此增强学生的实验能力,开拓学生的视野。例如,可以利用注射器等带刻度的仪器测量气体的具体体积,还可以利用一些先进的仪器直接测量某一物质的含量。下面以“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中测量生成的氧气为例,介绍两种实验创新方法。

(1)用注射器测量气体的体积

注射器标有刻度,可以直接读出体积,因而可以利用注射器测定气体或液体的体积。在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中测定生成的氧气的体积时,可以分别在几只10 mL注射器中加入1 mL不同材料的研磨液作为催化剂,在几只60 mL注射器中加入4 mL 质量分数为30%的过氧化氢溶液,用三通旋塞将60 mL和10 mL注射器连接制成实验装置(如图3所示)。将小注射器中的研磨液同时推入大注射器中,可以直接根据注射器的刻度测量出生成的气体的体积。改进后的实验装置能够直接通过刻度读出生成物的体积,可直接观察实验过程与结果,形成对照,让学生体会定性检测与定量测量的异同。

(2)相对压强传感器法

测量气体的体积,可以利用传感器:气体的体积增加,在定容容器中的压力就增大,根据压力的变化可以测算出气体的体积。用水管固定夹固定几支Y型试管,连接相对压强传感器、数据采集器以及电脑上对应软件(如图4所示)。氧气产生导致的压力变化图像反映过氧化氢的分解速率,电脑上的软件可以精确实时记录实验数据,并生成数学曲线,使微观现象直观呈现[3]。

学生也可以利用上面两种装置完成酵母菌实验中的无氧呼吸实验,测量出酵母菌无氧呼吸时产生的二氧化碳的体积;还可以用它们来探究环境因素对植物光合作用影响,测量产生的氧气的体积。

对实验装置及检测方法创新要注意以下三个方面。一是因地制宜。不同学校实验设备配置不同,采用的方法也可以不同:学校仪器配置情况一般的,可以利用现成的仪器或适当采购一些仪器进行改进;学校设备配置较好的可以利用更先进的仪器进行组装,测出更加精确的实验结果。二是变废为宝。很多仪器可以利用废弃的物品替代,比如在做探究环境因素影响光合作用实验时,可以利用废弃的纸箱或铁箱等作为实验装置,这样既能节约成本又能保护环境。三是与时俱进。条件好的学校可以采用先进的仪器,如测二氧化碳可以直接用二氧化碳传感器连接电脑。高中生物教学可以与信息技术整合,以实现数字化教学的创新。比如NOBOOK模拟实验室是较适合在高中生物学实验开展虚拟实验的工具,它的图像模拟得跟真的几乎一样,只需要在电脑上安装该软件,学生就可以在电脑上直接模拟实验的全部过程。

(三)实验结果分析与解释的创新

在实验教学中,实验结果分析与解释是培养学生科学思维的重要环节。由于不少学校的设备不齐全或资金不够,很多实验只能开展为定性实验,很少有定量实验。而借助创新后的实验,学生不仅可以定性观察到新物质的产生,还可以借助量化分析进一步理解实验现象。在本研究中,使用注射器收集氧气并分析读数,使得学生可以将实验现象与数据分析结合,深入理解酶的催化效率,直观地了解不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响。在实验过程中,学生记录每次实验中注射器内氧气体积的变化,通过对比不同催化剂作用下的氧气生成量,分析出哪种催化剂的催化效果最佳[4]。例如,在一次实验中,学生发现使用酵母菌悬浊液的催化效果最明显,产生的氧气体积最大,借助分析此类数据,学生可以得出酵母菌作为生物催化剂具有较高的催化效率这一结论。

三、反思与展望

本研究通过科学探究的方法,改进了过氧化氢分解实验,显著提升了实验教学的效果。通过采用新型生物催化剂和改进实验装置,不仅克服了传统实验的不足,还为学生提供了更直观的学习体验,也为其他生物学实验教学提供了新的思路,具有重要的实践意义和社会价值。

高中生物学实验改进与创新不仅可以提高学生的学习兴趣,还可以培养学生的科学思维和探究能力,同时有利于提高教师的理论知识和探究能力,发挥教学相长的作用。借助改进和创新的实验设计,教师可以更有效地引导学生进行自主探究,提升学生的科学素养和实践能力[5]。教师可以进一步探索更多创新的实验方法,为学生提供更加丰富的学习体验。

参考文献

[1]冯雪婷,王飞,龚大洁.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验研究综述[J].中学课程资源,2023,19(03):75-78.

[2]李妞妞,杨其,霍静.检测“过氧化氢分解产物”的实验改进[J].教育与装备研究,2017,33(07):79-81.

[3]张云,林凡.对利用DIS压强传感器开展实验探究的商榷:“比较过氧化氢在不同条件下的分解”探讨[J].中学生物教学,2023(19):64-67.

[4]马建才,拦生发,马小明.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验的创新改进[J].教育与装备研究,2019,35(12):27-28.

[5]王永丽.通过探究实验发展学生学科核心素养:以“过氧化氢在不同条件下的分解”为例[J].生物学教学,2023,48(01):51-53.

注:本文系广西教育科学“十四五”规划2023年度电教装备研究专项课题“‘四新’背景下高中生物实验教学改进的实践研究”(2023ZJY739)的研究成果。

(责编 刘小瑗)

猜你喜欢
高中生物学科学探究
高中生物学中不可逆性问题分析
青年时代(2016年30期)2017-01-20 01:55:59
基于生活的科学探究,源于基础的能力提升
化学教学中科学探究存在的几个偏差
考试周刊(2016年91期)2016-12-08 22:37:32
小学科学探究活动教学策略探析
突围与重构——小学科学课堂中师生交往的真效性实践探究
高中物理科学探究教学的现状及其对策
浅谈小学科学实验性教学经验
东方教育(2016年17期)2016-11-23 10:10:22
数学知识在高中生物学中的应用
揭示错误本质提升资源价值
愉快教学法应用于高中生物学教学中的探析
考试周刊(2016年73期)2016-09-21 21:59:29