河北省保定市第一中學(071000) 龔軍輝

1 前言

生物學是一門實驗性很強的學科，因材施教、因地制宜地創(chuàng)新高中生物實驗教學，對于更好地開展學生的探究性學習、落實科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)具有重大的現(xiàn)實意義。中華人民共和國教育部頒布的《普通高中生物學課程標準(2017年版)》明確指出，生物學課程要求學生主動地參與學習，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習得生物學知識，養(yǎng)成科學思維的習慣，形成積極的科學態(tài)度，發(fā)展終身學習及創(chuàng)新實踐能力。

“科學探究”素養(yǎng)是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及對結(jié)果的交流與討論的能力。學生應在探究過程中，逐步增強對自然現(xiàn)象的好奇心和求知欲，掌握科學探究的基本思路和方法，提高實踐能力；在探究過程中，樂于并善于進行團隊合作，勇于創(chuàng)新。

實驗教學創(chuàng)新不僅注重知識層面的學習，更強調(diào)合作與交流、審辯思維、整合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提升，能在解決具體問題情境中應用多種學習技能。實驗教學創(chuàng)新主要集中在實驗材料的選擇、操作流程和實驗設(shè)計原理等層面上，能給予學生啟迪及多種思維的訓練，拓寬實驗設(shè)計思路，開闊眼界并培養(yǎng)創(chuàng)新性思維能力，最終落實在科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)上。

“嘗試制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型”和“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”兩個實驗對于培養(yǎng)學生模型建構(gòu)能力和科學探究素養(yǎng)具有重要意義，但是在實際的教學中，由于各種原因?qū)е逻@兩個實驗不能正常開展。筆者以這兩個實驗為例，創(chuàng)新實驗教學，落實科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，以供各位教師參考。

2 “嘗試制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型”實驗創(chuàng)新

2.1 教材分析

理解模型、領(lǐng)悟模型方法和建構(gòu)模型是高中生物學課程標準的重要內(nèi)容之一，著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型即為經(jīng)典之作?！皣L試制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型”是“細胞的基本結(jié)構(gòu)”中安排的一堂活動課，也是學生在高一生物課程學習中的第一個物理模型建構(gòu)活動。目前，在教學實踐過程中，安排該活動的教師不多，主要原因是：一方面教師認為此內(nèi)容教學任務(wù)重，模型建構(gòu)活動費時費力；另一方面是因為學生人數(shù)多，難以較好地組織開展活動。因此，探討如何能夠在有限的時間里有效地組織真核細胞的模型構(gòu)建活動，充分發(fā)揮模型構(gòu)建活動的價值，是本教學設(shè)計的重中之重。

2.2 學情分析

學生對真核細胞的結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)有所了解，但在光學顯微鏡下，大部分細胞結(jié)構(gòu)觀察不到，學生缺乏感性認識，不能很好地理解細胞是一個有機的整體，各部分結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)。本活動的開展，能讓學生掌握模型建構(gòu)的方法，認知細胞基本結(jié)構(gòu)和細胞器的具體結(jié)構(gòu)，探討細胞各結(jié)構(gòu)的功能，認識細胞結(jié)構(gòu)與功能相適應的特點。

2.3 教學目標

2.3.1 知識目標

能更好地構(gòu)建核心概念，即細胞作為最基本的生命系統(tǒng)，有細胞膜作為邊界將細胞與外界隔離，細胞內(nèi)部的各種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)配合，使細胞具有各種各樣的功能。

2.3.2 能力目標

運用所學知識，設(shè)計并制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型，體驗模型建構(gòu)的方法，對細胞結(jié)構(gòu)的認識從感性上升到理性。

2.3.3 情感態(tài)度與價值觀目標

體驗生物學研究的一些重要的方法，體驗小組合作學習的快樂。

2.4 教學設(shè)計思路

教學設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 教學設(shè)計思路

2.5 教學過程

2.5.1 前期材料準備

將學生分組，8人一組，選出組長，以自愿結(jié)合為前提，教師適當給予幫助和調(diào)整。在尋找、選擇材料時，指導學生將課本知識與實際生活相聯(lián)系，充分發(fā)揮其想象力，積極有效地參與活動。要求所選材料安全、可操作性強、物美價廉。

2.5.2 新課導入

以物理模型、概念模型和數(shù)學模型這3種常見的模型實例展開，分析模型特點，概括總結(jié)模型概念，引出構(gòu)建真核細胞三維結(jié)構(gòu)的物理模型。

2.5.3 小組討論設(shè)計標準

教師展示上一屆學生制作的真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型，讓學生進行討論、評價，并嘗試回答問題：“你能看出該模型是哪一種真核細胞，判斷的標準是什么，能否識別模型中各細胞的結(jié)構(gòu)，該模型比較成功的地方是什么，還有哪些地方需要完善？”

經(jīng)學生討論、教師點評后，形成真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)的評價標準，并進行了賦分(見表1)，用于指導本次活動的實施。

表1 真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型評價表

2.5.4 小組合作制作模型

按照建構(gòu)的評價標準，小組成員相互合作進行模型建構(gòu)。在制作過程中，教師在課堂上巡視，觀察各小組的制作進程、小組成員之間的合作協(xié)調(diào)情況。

2.5.5 小組間互評及優(yōu)秀模型展示與點評

模型建構(gòu)結(jié)束后，由小組長進行客觀公正的評分，統(tǒng)計得分結(jié)果，并請優(yōu)秀作品的制作代表進行自我評價。

2.5.6 活動總結(jié)

由學生相互討論后，自我反思活動的收獲并進行展示，實現(xiàn)本次活動情感態(tài)度與價值觀的目標。

2.6 教學反思

筆者對本實驗開展的整個過程及效果進行了反思，主要有以下幾個方面。

(1)學生的想象力很豐富，廢包裝盒、綠豆、橡皮泥、面團，甚至石榴籽都可以作為構(gòu)建細胞模型的材料。學生準備材料的過程其實也是對細胞各部分結(jié)構(gòu)和功能進行深入理解的過程。

(2)課堂活動比教師單純講授知識的效果好。在教學實踐中，往往是教師直接簡單描述模型的概念，以達到學生在考試中會答題為目的，而忽視了學生在活動過程中對模型概念更深刻的認識。通過掌握和體驗模型建構(gòu)的方法，有助于學生生物學科的學習。

(3)模型建構(gòu)的意義：學生完成真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型的制作、評價、展示和交流等一系列活動后，在收獲模型成就感的同時，實現(xiàn)了對細胞基本結(jié)構(gòu)——細胞器，抽象與具體的辯證統(tǒng)一認識，樹立了細胞結(jié)構(gòu)的完整性和結(jié)構(gòu)與功能相適應的基本觀念。學生只有親身參與了制作和評價過程，才能掌握模型建構(gòu)的方法，提升實驗技能，提高科學素養(yǎng)。

(4)活動教學建議：在真核細胞三維結(jié)構(gòu)模型的制作工程中，建議用一課時完成模型的制作和評價，教師可適當進行課堂活動的課下延伸。比如可以將各班在課堂活動中評出的創(chuàng)意作品收集后，進一步在全校展示，激發(fā)學生學習生物的興趣。

3 “探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實驗創(chuàng)新

3.1 教材分析

“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實驗是“種群數(shù)量變化”一節(jié)中的探究性實驗。教材中對于該實驗只有一個原則性的、較為籠統(tǒng)的介紹，沒有具體的實驗操作步驟。另外實驗操作涉及到微生物的接種和培養(yǎng)、血球計數(shù)板、顯微鏡的使用等較為復雜的操作，對學生而言，要在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗難度大、要求高，而且本實驗周期較長，可操作性不強。但本實驗的開展也具有其重要意義：不僅有利于滲透新課程的教學理念，讓學生熟悉探究活動的一般過程，培養(yǎng)學生探究、設(shè)計和評價實驗的能力，而且在對本探究課題的結(jié)果分析中，引導學生建構(gòu)數(shù)學模型，培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象揭示事物本質(zhì)的規(guī)律。

3.2 遇到的困難及解決方法

在開展實驗教學的過程中，筆者遇到了很多困難，結(jié)合本校實際情況，嘗試了許多解決方法。現(xiàn)將所遇到的困難和采取的解決方法匯總?cè)缦隆?/p>

3.2.1 實驗過程中的雜菌污染

因?qū)嶒灄l件和學生操作水平的限制，實驗過程中的雜菌污染是一個十分嚴峻的問題。為盡可能解決這一問題，筆者采用5%的醫(yī)用葡萄糖注射液作為培養(yǎng)液，解決了培養(yǎng)基的滅菌問題，并在培養(yǎng)液中加入了少量的抗生素，避免實驗操作中可能出現(xiàn)的細菌污染對酵母菌生長的影響。

3.2.2 血球計數(shù)板的使用

血球計數(shù)板的使用是本實驗的又一大難點，若放在實驗課上講解和練習操作，便無法達成教學目標。為此，筆者將血球計數(shù)板的使用進行前置學習，即實驗操作的前3天將血球計數(shù)板的簡介和使用方法下發(fā)給學生，使其熟悉血球計數(shù)板的使用方法。在學生進行實驗操作時，集中講解使用注意事項并讓學生練習，這樣既節(jié)約了上課時間保證教學任務(wù)順利完成，又增強了教學效果和學習效率。

3.2.3 時間與教學任務(wù)的矛盾

本實驗周期為7天，每天都需要在同一時間進入實驗室操作，而高中生的學習任務(wù)重，課余時間少。于是筆者將本實驗改進為每組只操作一次即可，既減少操作次數(shù)、節(jié)約學生時間而又最大限度地保證了實驗的順利完成，使得開展本實驗教學的門檻大大降低。具體做法如下：將學生分為7組，實驗課前的第7天、第6天……第1天分別有一組同學進入實驗室進行酵母菌的接種操作和學習血球計數(shù)板的使用方法，這樣到實驗課時便得到培養(yǎng)了1～7天的酵母菌溶液，再加上接種時每組測定的初始值，這樣便可得到8組數(shù)據(jù)用于數(shù)學模型的建構(gòu)。需要注意的是，每組實驗中所加入的干酵母粉和培養(yǎng)液的體積都是一致的。

3.2.4 計數(shù)的準確性

由于酵母菌體積微小且數(shù)量龐大，學生取樣的一致性和血球計數(shù)板的使用都可能出現(xiàn)問題。為最大限度保證酵母菌數(shù)量計數(shù)的準確性，筆者采用每組只負責本組實驗的計數(shù)，且每生計數(shù)一次。若組內(nèi)所得數(shù)據(jù)差距較大就要分析原因并重新計數(shù)，最終取組內(nèi)每位同學所得數(shù)據(jù)的平均數(shù)。這樣操作在節(jié)約時間的同時鍛煉了學生的計數(shù)能力，提高了數(shù)據(jù)的準確性。若計數(shù)時密度較大則可稀釋一定倍數(shù)后再計數(shù)。

另外，數(shù)學模型的建構(gòu)采用Excel統(tǒng)計數(shù)據(jù)并繪出數(shù)量變化曲線，直觀而準確。同時培養(yǎng)兩種不同培養(yǎng)液濃度的酵母菌溶液，對影響數(shù)量變化的因素進行初步探究，為后續(xù)的拓展延伸提供案例。

3.3 教學過程與展示

實驗過程展示分為實驗課前的準備與操作、實驗課上的指導與探究兩個部分。

3.3.1 實驗課前的準備與操作

將學生分為7組，實驗課前的1～7天，每天下午4點10分讓一組學生進入生物實驗室進行實驗課前的準備，主要包括培養(yǎng)基的配置、學習并利用分析天平稱出10 mg的活性干酵母粉、酵母菌的接種、血球計數(shù)板的使用練習及測定酵母菌培養(yǎng)液中種群數(shù)量的初始值。

3.3.2 實驗課上的探究與指導

3.3.2.1 提出問題和做出假設(shè)

利用問題設(shè)置疑問導入課堂，同時也提出了所要探究的問題，由學生做出假設(shè)。

3.3.2.2 實驗方案設(shè)計

在設(shè)計實驗方案時，先引導學生說出大致的實驗設(shè)計思路，然后依據(jù)思路構(gòu)建方案框架，再針對相關(guān)細節(jié)問題進行討論、處理。例如如何計數(shù)、怎樣保證計數(shù)的準確性、如何盡量保證無雜菌污染、如何設(shè)計計數(shù)用的表格、怎樣建構(gòu)數(shù)學模型等，最終拿出完整的實驗方案。

3.3.2.3 實施實驗方案

在教師引導下完成方案設(shè)計后，即開始實施實驗。因為培養(yǎng)酵母菌的工作已經(jīng)在實驗課前完成，所以課上便是對所培養(yǎng)的酵母菌進行計數(shù)，每組只負責計數(shù)本組所培養(yǎng)的酵母菌培養(yǎng)液，組內(nèi)每位學生都需要計數(shù)，若組內(nèi)數(shù)據(jù)差距較大則需討論原因并重新計數(shù)，教師給予一定的指導。這樣學生的操作時間較為充裕，保證了計數(shù)操作的過程和數(shù)據(jù)的準確性。

3.3.2.4 建構(gòu)數(shù)學模型

計數(shù)完成后各組分別獲得了各自培養(yǎng)的酵母菌培養(yǎng)液中酵母菌的種群數(shù)量，同時也獲得了培養(yǎng)了1～7天的酵母菌種群數(shù)量，各組依次填入設(shè)計好的記錄數(shù)據(jù)的表格中。利用Excel的圖表功能建構(gòu)種群數(shù)量變化的數(shù)學模型，并對該模型進行解釋。

3.3.3 課后拓展與延伸

由問題引出進一步探究的內(nèi)容，即：影響酵母菌種群數(shù)量變化的因素有哪些？并對其進行初步探究，選擇其中的培養(yǎng)液濃度這一影響因素實施操作(課前實驗操作時已經(jīng)完成，課上只需要計數(shù)即可)，其數(shù)學模型的建構(gòu)留作課下探究的延伸內(nèi)容，既培養(yǎng)了學生的自主探究能力又加深了他們對實驗的理解。

3.4 教學反思

實驗教學的過程比結(jié)果更重要。對于筆者而言，通過本次實驗，提升了對學生實驗課的組織與開展能力，進一步加深了對學生實驗能力的了解，對于后續(xù)課程的開展十分有利。對于學生來說，增強了實驗操作能力，培養(yǎng)了探究、設(shè)計和評價實驗的能力；對本探究課題的數(shù)學模型分析，有利于培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象揭示事物本質(zhì)的洞察力。