孫濤 楊子江 陶 慧

（1.邯鄲市第一中學(xué) 河北邯鄲 056006；2.邯鄲市教育科學(xué)研究所 河北邯鄲 056002）

鑒于課時(shí)、材料器具、課程理念陳舊等方面的原因，很多學(xué)校的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程經(jīng)歷了“講實(shí)驗(yàn)、聽實(shí)驗(yàn)、背實(shí)驗(yàn)”到“照方抓藥”做實(shí)驗(yàn)的歷程。生物學(xué)新課標(biāo)課程理念的深化落實(shí)和新高考實(shí)施方案的落地必將使以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式成為歷史。怎樣設(shè)計(jì)開展生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能把學(xué)科核心素養(yǎng)落到實(shí)處呢？筆者結(jié)合自己的課題研究、教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和反思，談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

一、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的策略

1.探究多種實(shí)驗(yàn)材料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)材料的適宜與否直接關(guān)乎實(shí)驗(yàn)的成敗，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)材料的選擇范圍，讓學(xué)生明白“好的選材是成功的一半”。

例如,在還原糖的鑒定實(shí)驗(yàn)中，增加甘蔗汁和西瓜汁，讓學(xué)生親歷這兩種選材都無(wú)法鑒定出還原糖，通過(guò)這次“失敗”來(lái)反思原因，進(jìn)而得出甘蔗主要富含非還原糖——蔗糖，西瓜汁顏色鮮紅，無(wú)法看清實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否出現(xiàn)磚紅色沉淀,進(jìn)而讓學(xué)生理解斐林試劑只能鑒定還原糖，選擇實(shí)驗(yàn)材料時(shí)應(yīng)考慮其是否有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)。

2.探究不同試劑對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

實(shí)驗(yàn)試劑的選擇也是一門學(xué)問(wèn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以增加實(shí)驗(yàn)試劑的種類，鍛煉學(xué)生選擇試劑的能力。

如在光合色素的提取實(shí)驗(yàn)中為什么提取試劑用無(wú)水乙醇？為什么蒸餾水不行呢？正所謂“紙上得來(lái)終覺淺，絕知此事要躬行”，這些問(wèn)題教師不要直接灌輸給學(xué)生，而是把兩種試劑都準(zhǔn)備好，讓他們自行選擇，親自試驗(yàn)，然后自主分析原因，構(gòu)建出光合色素易溶于有機(jī)溶劑，不溶于水的概念。

3.探究?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)材料處理的方法

實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)過(guò)科學(xué)處理才能更好地滿足實(shí)驗(yàn)要求，達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。開展“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”時(shí)，按照課本中的實(shí)驗(yàn)材料處理方法，處理后的洋蔥生根數(shù)量差異很大，有的洋蔥生根較多，有的卻生根很少，每組培養(yǎng)1個(gè)洋蔥，根的數(shù)量不能保證本組同學(xué)正常開展實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致需要增加實(shí)驗(yàn)材料的投入。怎樣增加洋蔥生根的數(shù)量呢？課題組發(fā)現(xiàn)了“機(jī)械損傷法”，其具體操作是用剪刀剪去老根后，再適當(dāng)減掉薄薄一層的鱗莖盤，注意不可減掉太厚，然后按教材提示方法進(jìn)行常規(guī)培養(yǎng)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明本方法培養(yǎng)的洋蔥生根多、效果好且能明顯縮短生根所需時(shí)間，方便易操作且效果穩(wěn)定。

4.創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教具提升實(shí)驗(yàn)效果

工欲善其事必先利其器，改進(jìn)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)教具是提升生物學(xué)實(shí)驗(yàn)效果的主要方式之一。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以開發(fā)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教具為主題，推進(jìn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，可以提高學(xué)生的交流合作意識(shí)和創(chuàng)新能力。

在探究“影響酶活性的條件”時(shí)，生物學(xué)教材中列出了開展定性實(shí)驗(yàn)的提示，在后面又提出可以進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)，但教材中并沒(méi)有給出進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)的相關(guān)器材。毫無(wú)疑問(wèn),定量實(shí)驗(yàn)優(yōu)于定性實(shí)驗(yàn)，但難度大，要求高。教師可結(jié)合學(xué)情提供適合的腳手架，輔助學(xué)生研發(fā)定量測(cè)定酶活性的教具，為定量實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)條件。

5.創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法步驟

俗話說(shuō),條條大路通羅馬。為了使實(shí)驗(yàn)程序更加簡(jiǎn)化、現(xiàn)象更加明顯，教師要注重改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法步驟。在光合色素的提取過(guò)程中，教材給出的是研磨后加無(wú)水乙醇提取光合色素，程序較復(fù)雜，耗時(shí)比較長(zhǎng)。怎樣簡(jiǎn)化呢？通過(guò)生物科學(xué)史中薩克斯證明光合作用的產(chǎn)物是淀粉的實(shí)驗(yàn)，我們得到啟發(fā)，可以用水浴鍋加熱無(wú)水乙醇萃取光合色素，提高了色素提取的效果。

再如，用紙層析法分離色素時(shí)，如何把濾液細(xì)線畫的勻、細(xì)、直、濃呢？筆者啟發(fā)學(xué)生展開想象，進(jìn)行小組討論，開展頭腦風(fēng)暴，提出了“玻片印章法”“鋼筆畫線法”“棉線打線法”等優(yōu)秀創(chuàng)意。還有小組提出了“直尺壓葉片法”，即直接把濾紙條放在葉片下，用直尺在需要畫濾液細(xì)線處按壓，重復(fù)幾次，可以直接把色素轉(zhuǎn)移到濾紙條上，免除了色素提取的步驟，大大節(jié)約了時(shí)間、實(shí)驗(yàn)器材和試劑，實(shí)驗(yàn)效果頗佳。

6.增設(shè)開放的探究性實(shí)驗(yàn)

我們知道，不下水永遠(yuǎn)不可能學(xué)會(huì)游泳，因此教師要增設(shè)開放的探究性實(shí)驗(yàn)以為學(xué)生提供足夠的磨煉。教師可以通過(guò)化講授為探究，即將需要講授的概念轉(zhuǎn)化為探究課題，讓學(xué)生在完全未知的情境中去探究，然后經(jīng)過(guò)探究獲取新概念。比如，關(guān)于底物濃度對(duì)酶催化的化學(xué)反應(yīng)速率的影響，很多教師是通過(guò)講授法開展教學(xué)的。更好的做法是把這個(gè)知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為探究性課題，讓學(xué)生開展定量的探究性實(shí)驗(yàn)，配置一系列濃度梯度的底物濃度，其它條件相同且適宜，測(cè)定各底物濃度下的酶促反應(yīng)速率，讓學(xué)生依據(jù)得到的數(shù)據(jù)畫出底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的坐標(biāo)曲線圖。巧妙的創(chuàng)新設(shè)計(jì)夯實(shí)了學(xué)生的探究能力，樹立了構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的思想，開闊了解決問(wèn)題的思路，落實(shí)了生物學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、“芝麻開花節(jié)節(jié)高”的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

節(jié)節(jié)高的教學(xué)模式將課本中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)一分為三。分成具有遞進(jìn)上升關(guān)系的三個(gè)層次的分層實(shí)驗(yàn)來(lái)開展教學(xué)。第一層次為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，即教材中的原始實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的基本要求，掌握基本的材料選擇、實(shí)驗(yàn)原理、操作技能、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等；第二層次為提高實(shí)驗(yàn)，即針對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)程序，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提升實(shí)驗(yàn)效果；第三層次為開放的探究性實(shí)驗(yàn)，把要求學(xué)生闡述和理解的生物學(xué)概念轉(zhuǎn)化為探究課題，或讓學(xué)生自主提出感興趣的探究課題。學(xué)生如實(shí)記錄和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，自主生成生物學(xué)概念，最終形成生命觀念，提升思維能力，培養(yǎng)探究興趣。此外，教師要注意時(shí)間安排，可將課上、課下相結(jié)合。

三、“比較H2O2在不同條件下的分解”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例

1.教材分析

“比較H2O2在不同條件下的分解”來(lái)自于2019年人教版必修1《分子與細(xì)胞》第5.1節(jié)“細(xì)胞的能量供應(yīng)與利用”。整個(gè)高中階段以本實(shí)驗(yàn)為例明確指出自變量、因變量、無(wú)關(guān)變量、對(duì)照實(shí)驗(yàn)的概念，為學(xué)生搭建了實(shí)驗(yàn)理論的基本框架，是后續(xù)各實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)定性及定量的探究催化劑的種類與反應(yīng)速率的關(guān)系，建立酶具有高效性的概念，落實(shí)物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能的生命觀念。

（2）通過(guò)創(chuàng)設(shè)投彈手甲蟲的情景，讓學(xué)生親歷提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、控制自變量和無(wú)關(guān)變量，檢測(cè)因變量，實(shí)施實(shí)驗(yàn)、記錄分析數(shù)據(jù)并展示交流，熟悉科學(xué)探究的程序。

（3）通過(guò)將定性觀察上升為定量分析，運(yùn)用具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，闡釋和論證酶的高效性，促進(jìn)思維能力的進(jìn)階。

（4）通過(guò)搜集資料、討論等說(shuō)出酶的創(chuàng)新應(yīng)用的新設(shè)想。嘗試用酶解決人們身邊的疑難問(wèn)題，造福人類、服務(wù)社會(huì)。

3.教學(xué)過(guò)程

（1）情境導(dǎo)入

觀看視頻，回答問(wèn)題，導(dǎo)入新課。視頻內(nèi)容：投彈手甲蟲體內(nèi)有兩個(gè)分開的腺體，一個(gè)腺體中儲(chǔ)存著H2O2和對(duì)苯二酚，這兩種化學(xué)物質(zhì)在大部分時(shí)間里不發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)其遇到危險(xiǎn)時(shí)會(huì)將兩個(gè)腺體中的物質(zhì)發(fā)生混合，對(duì)苯二酚被迅速氧化產(chǎn)生劇烈的爆炸反應(yīng)。投彈手甲蟲體內(nèi)每秒鐘大約發(fā)生500次爆炸。

問(wèn)題：投彈手甲蟲的另一個(gè)腺體內(nèi)儲(chǔ)存著什么物質(zhì)？酶的催化效率高嗎？和無(wú)機(jī)催化劑相比呢？

師生小結(jié)：投彈手甲蟲體內(nèi)另一個(gè)腺體內(nèi)儲(chǔ)存著H2O2酶，酶的存活效率很高。酶和無(wú)機(jī)催化劑催化效率的高低需要通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)才能找到答案。

設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)探究欲望，引出本節(jié)課的主題。

（2）開展實(shí)驗(yàn)

學(xué)生根據(jù)已給出的材料和學(xué)案分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，每小組選出一名代表進(jìn)行組間交流，達(dá)成一致后，教師給予評(píng)價(jià)和補(bǔ)充。

①基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

教材中的實(shí)驗(yàn)是學(xué)生必須掌握的，也是開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基礎(chǔ)。教材實(shí)驗(yàn)分為四組，每組滴加等量的2mlH2O2溶液，第2組試管放在90℃左右的水浴中加熱，第3組、4組試管中再分別滴加2滴FeCl3溶液和2滴新鮮的肝臟研磨液，觀察各組氣泡產(chǎn)生的多少與快慢程度。然后將兩支帶火星的衛(wèi)生香分別放入3組和4組試管內(nèi)，觀察其能否復(fù)燃。學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)面對(duì)的失敗或挑戰(zhàn)有：衛(wèi)生香有時(shí)不僅不復(fù)燃，反而熄滅了？實(shí)驗(yàn)只能做定性觀察嗎？能否定量比較它們催化效率高低差異的程度呢？為解決問(wèn)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

②提高實(shí)驗(yàn)

使用自制教具——酶的高效性實(shí)驗(yàn)演示儀開展定量實(shí)驗(yàn)探究[1]。教師出示酶的高效性實(shí)驗(yàn)演示儀的零部件：錐形瓶、三通旋塞、雙孔橡膠塞、大注射器、小注射器等，讓學(xué)生完成組裝,并討論其使用方法。是否給出相關(guān)提示，可以依據(jù)學(xué)生的反應(yīng)情況而定。相關(guān)提示以問(wèn)題串的形式提出：如何加入反應(yīng)物？如何加入催化劑？加入哪種催化劑？如何收集所產(chǎn)生的氣體？如何檢測(cè)所產(chǎn)生的氣體？如何觀察衛(wèi)生香的復(fù)燃現(xiàn)象？學(xué)生思考和交流后得出儀器使用方法：安裝教具；在5ml注射器中加入一定量的H2O2溶液；在錐形瓶中加入一定量的肝臟研磨液；轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞，連通反應(yīng)瓶和大注射器，產(chǎn)生的氣體會(huì)進(jìn)入100ml注射器中；反應(yīng)結(jié)束后轉(zhuǎn)動(dòng)三通旋塞，連通大注射器和玻璃管出口，在玻璃管出口放置帶火星的衛(wèi)生香，觀察復(fù)燃現(xiàn)象。學(xué)生開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄反應(yīng)時(shí)間和收集到的氧氣體積。本裝置收集到的氣體不含水汽形成的氣泡，避免了水汽泡沫導(dǎo)致衛(wèi)生香熄滅，衛(wèi)生香的復(fù)燃現(xiàn)象也更加明顯。學(xué)生可依據(jù)一定時(shí)間段內(nèi)收集O2的體積，計(jì)算出酶促反應(yīng)的速率，將定性實(shí)驗(yàn)提升為定量實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生通過(guò)自主研究討論自制教具使用方法的活動(dòng)，親歷處理問(wèn)題的挑戰(zhàn)與磨練，提升了動(dòng)手操作能力。

隨后啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：無(wú)機(jī)催化劑中FeCl3的催化效率最高嗎？還有其它無(wú)機(jī)催化劑也能催化H202分解嗎？教材實(shí)驗(yàn)中肝臟研磨液中H202酶的分子數(shù)是多少？本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有嚴(yán)格遵循哪一實(shí)驗(yàn)原則？為解決以上問(wèn)題，學(xué)生進(jìn)入開放的探究性實(shí)驗(yàn)階段。

③開放的探究性實(shí)驗(yàn)

學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料后提出：用化學(xué)試劑H2O2酶替代肝臟研磨液。因?yàn)榛瘜W(xué)試劑H2O2酶的分子數(shù)可計(jì)算，可以使本實(shí)驗(yàn)遵循等量對(duì)照原則。學(xué)生經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)催化劑MnO2、FeCl3和KI都可以催化H202分解，通過(guò)將等物質(zhì)的量的MnO2、FeCl3和KI加入到等量的H2O2溶液中，觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)MnO2的催化效率最高。最后決定用MnO2替代FeCl3。因?yàn)镸nO2的催化效率比FeCl3和KI高，應(yīng)選用催化效率高的無(wú)機(jī)催化劑來(lái)和酶比較催化效率，才能使酶具有高效性更嚴(yán)謹(jǐn)。

比較H202酶和無(wú)機(jī)催化劑中效率較高的MnO2的催化效率，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論“酶與無(wú)機(jī)催化劑相比具有高效性”更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。強(qiáng)調(diào)要基于證據(jù)得出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論。樹立質(zhì)疑精神，也強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)所應(yīng)遵循的等量原則。

教師提出問(wèn)題：底物含量和酶含量對(duì)酶促反應(yīng)速率有怎樣的影響？學(xué)生分組討論，設(shè)計(jì)方案，展示交流并實(shí)施，記錄數(shù)據(jù)，繪出曲線圖。

在考試題里會(huì)經(jīng)常遇到底物含量和酶含量對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響，教師一般會(huì)根據(jù)直接給出的曲線圖進(jìn)行闡釋性的講解，學(xué)生理解起來(lái)難度較高。我們可以進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，自主生成相關(guān)知識(shí)?！白约喊l(fā)現(xiàn)”的新知識(shí)更易于理解，也培養(yǎng)了其學(xué)習(xí)的成就感、自豪感和自信心。

教師可以通過(guò)表?yè)P(yáng)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)探究課題，如有小組提出過(guò)氧化氫酶只分布于肝臟嗎？其它動(dòng)植物材料中含有嗎？含量有差異嗎？

學(xué)生選擇經(jīng)濟(jì)易得的探究材料，比如梨、土豆、蘋果、香蕉、菠菜、白菜、花生、豬心、豬肝等進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)所探究的動(dòng)植物材料中普遍含有H2O2酶，動(dòng)物體內(nèi)H2O2酶的含量一般比植物體內(nèi)高。所選材料中豬肝H2O2酶的含量最高。

通過(guò)研究多種動(dòng)植物材料中的過(guò)氧化氫酶含量的多少，為教材中選用肝臟研磨液提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為開展課外實(shí)驗(yàn)提供參考資料。

（3）布置作業(yè)

學(xué)生書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，查閱資料，編輯視頻“酶的應(yīng)用”。靈活運(yùn)用酶的特性，開展頭腦風(fēng)暴，給出應(yīng)用酶解決身邊疑難問(wèn)題的創(chuàng)新思路?；顚W(xué)活用酶的高效性，努力去承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。樹立服務(wù)社會(huì)造福人類的意識(shí)和擔(dān)當(dāng)。

結(jié)語(yǔ)

生物學(xué)教學(xué)的首要任務(wù)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是落實(shí)這一要求的重要途徑。教師要足夠重視生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，巧妙利用學(xué)生對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的熱情和興趣，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地把科學(xué)思維和科學(xué)探究充分落實(shí)到生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果形成生命觀念，培養(yǎng)學(xué)生像科學(xué)家那樣熱愛思考、樂(lè)于探究、勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。