朱云鵬

摘 要 以“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機制”這一實驗為例，探討如何對創(chuàng)設情境、實驗環(huán)節(jié)、實驗設計、評價與總結這些實驗教學環(huán)節(jié)進行創(chuàng)新與改進，從而順利地發(fā)展學生的生物學核心素養(yǎng)。

關鍵詞 學科核心素養(yǎng) 實驗教學創(chuàng)新 內環(huán)境

生物學是一門以實驗為基礎的學科。新課程改革中倡導的生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究以及社會責任。下面以人教版高中生物必修三第一章第二節(jié)“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機制”這一實驗為例，探討如何在高中生物實驗教學中發(fā)展學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

1 創(chuàng)設探究情景，提升社會責任感

本實驗選取“酸堿體質理論”這一熱點問題。該理論認為：體質的酸化是百病之源，而體質酸化是由于吃了“酸性食物”引起的。所謂的酸性食物，如：魚、肉、米飯、酒等人類的主副食品。在舉出實例后，教師提出問題串：①機體自身代謝以及食物在消化吸收后經代謝會不會產生一些酸性或堿性物質？②當這些物質進入內環(huán)境，內環(huán)境能否維持pH的穩(wěn)定呢？③生物體維持pH穩(wěn)定的機制又是什么？

針對問題①，教師組織學生進行小組討論，然后匯報討論結果。有的學生結合已學的生物學知識，提出：機體在劇烈運動之后會產生乳酸這一酸性物質。有的學生則聯(lián)系生活提出：蘇打水這一食物屬于堿性物質。在肯定學生回答之后，教師繼續(xù)追問問題②，引導學生利用pH傳感器、滴數(shù)傳感器以及磁力攪拌器等組裝實驗裝置，開展實驗探究，獨立解決。在綜合全班學生的實驗結果之后（圖1），得出結論：在一定范圍內，持續(xù)向血漿中加入HCI或NaOH，血漿能夠維持pH的穩(wěn)定。這樣從而否定了“酸堿體質理論”。

利用社會熱點問題創(chuàng)設問題情境，一方面有利于激發(fā)學生的探究欲，另一方面能培養(yǎng)學生正確地運用所學的生物學知識和方法，依托實驗，對社會熱點議題做出理性解釋，辨別迷信和偽科學，從而增強學生的社會責任感。

2 拓展實驗環(huán)節(jié)，增強學生探究能力

針對問題③，教材中實驗是通過比較自來水、緩沖溶液（如NaHPO4、KH2P04等溶液，在加入酸或堿時，能使pH的變化減弱）和生物材料在加入酸或堿后pH的變化，推測生物體可能是含有緩沖物質用于維持pH穩(wěn)定。在實際教學中，這樣通過類比推理得出的可能性結果得不到學生的認可。所以，教師在模擬實驗的基礎上，新增化學分析實驗，證明血漿中確實含有緩沖物質。教師引導學生推測：血漿中可能存在的緩沖物質是什么？學生聯(lián)系細胞呼吸可以生成CO2，推測出內環(huán)境中可能存在的緩沖物質是H2C03/HCO3-。并聯(lián)系化學知識：因為HCO3、H2CO3、CO32-這3種基團或分子在溶液中可通過電離或水解產生彼此，所以只要確定溶液中含有其中一個，即可說明溶液中含有HCO3-/H2CO3又因HCO3、CO32-都可與鹽酸發(fā)生反應生成CO2。因此，學生找到實驗的設計思路：通過向材料中滴加HCl，檢測是否有CO2的生成，來確定溶液中是否含有H2CO3/HCO3這對緩沖物質。

教材原有實驗和改進后實驗的比較見表1。

3 質疑實驗設計，發(fā)展批判性思維

質疑就是對已有材料提出問題，是培養(yǎng)學生批判性思維的開始。學生通過質疑、分析、推論、認證，學習多角度分析和解決問題，從而培養(yǎng)批判性思維的培養(yǎng)。

在設計化學分析實驗方案時，教師引導學生質疑：僅憑向血漿中滴加HCI，檢測是否有CO2的生成，得出的結論是否嚴謹？學生根據(jù)實驗設計的對照性原則，能夠想到缺少對照實驗是無法得出嚴謹結論的，應增加向蒸餾水滴加HCI，作為對照組。緊接著，教師繼續(xù)引導：如何檢測CO2的生成？學生提出可通過觀察氣泡的產生來確定。但在實際反復操作后，并沒有觀察到氣泡的產生。教師繼續(xù)鼓勵學生大膽質疑，對實驗現(xiàn)象提出合理的解釋。有的學生認為當實際結果與預測結果不符時，說明假設錯誤，也就是說血漿中根本沒有H2CO3/HCO3-。而更多的學生則提出：可能因為血漿中HC03含量太低，雖然實際生成了CO2，但卻無法觀察到氣泡。繼而，教師引導學生利用CO2傳感器改進實驗裝置，重復實驗。發(fā)現(xiàn)：未加入HCl時，兩組裝置的CO2含量曲線都沒有上升;在滴加HCl之后，相較于蒸餾水組，血漿組的CO2含量曲線明顯上升（圖2）。最終，學生得出結論：血漿中確實含有緩沖物質H2CO3/HCO3-用于維持pH的穩(wěn)定。

絲絲入扣的質疑讓學生在實驗預期和真實結果中，在小組討論和交流中，碰撞出智慧的火花，在完善實驗設計的同時發(fā)展了學生的批判性思維和求真務實的科學態(tài)度。因此，教師在實驗教學中，應注重引導學生對已有的實驗材料、實驗方案、實驗結果以及在實驗過程中出現(xiàn)的一些不嚴謹、不合理、難以理解的地方，提出問題，層層深入地啟發(fā)學生對實驗原理和設計思路的認識和理解。學生在解決質疑的過程中，水到渠成地發(fā)展了批判性思維。

4 模擬動畫總結，樹立生命觀念

教師利用師生共同設計的“模擬人體維持pH穩(wěn)定的機制”的動畫演示，展示當酸性物質和堿性物質進入人體內環(huán)境中發(fā)生的相應代謝過程，并同時以曲線的形式呈現(xiàn)內環(huán)境中pH變化。利用計算機輔助教學軟件模擬人體的pH穩(wěn)定的維持，通過數(shù)學模型建立幫助學生達成生物體穩(wěn)態(tài)與平衡這一生命觀念。

5 教學反思

改進后的實驗相對于教材實驗的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾點：①信息技術的合理運用。內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調節(jié)過于抽象，運用信息技術支撐課堂教學，形象直觀，可以幫助學生更好地理解知識內容。②實驗方法的創(chuàng)新。在教科書模擬實驗的基礎之上，新增了化學分析的實驗方法，明確找到血漿中H2CO3/HCO3這對緩沖物質，增大了實驗結論的說服力。③檢測技術和實驗材料的改進。對比發(fā)現(xiàn)利用傳感器技術能夠幫助學生建立數(shù)學模型從定量的角度分析實驗結果。本實驗選擇的材料是血漿，相較于教材中選用的豬肝勻漿和馬鈴薯勻漿，其優(yōu)勢在于排除細胞內物質的干擾，是內環(huán)境的組成之一，可以直接反映內環(huán)境的pH變化。