以“真实科研”为情境开展高中生物学“课本实验”教学

 

来源公众号：研学育人　作者：张伟

      高中生物学是一门以实验为基础的自然学科。《普通高中生物学课程标准（2017年版2025年修订)》“教学建议”中指出，“实验教学是生物学教学活动的基本形式之一，要加强和完善实验教学。”在“新课标、新教材、新高考”背景之下，实验教学正从“能力立意”走向“素养立意”，在高中阶段开展高质量的实验教学是高中生物学学科核心素养（生命观念、科学思维、科学探究、社会责任）落地生根的关键之一。

      观察当前高中生物学部分课堂，讲实验成为部分教师的常用手段，学生对实验缺乏直观感受，解题全凭记忆；部分课堂墨守成规，实验以验证为主，缺乏探究；部分实验教学严重依赖刷题，学生对实验的认识碎片化；部分实验教学只是注重实验现象观察，缺乏对实验现象的深入分析；长此以往，学生的学科核心素养得不到落实。

1 以“真实科研”为情境开展课本实验教学的价值

      课本实验都是来自于真实的科研成果，真实科研情境具有很高的价值，在情境中学生可以回到那个年代，体悟科研的方法，感悟科研的精神，并在潜移默化中培养了科研的能力并激发了创新的意识。

1.1 通过课本实验教学掌握科学方法

      培养学生的科学方法是提高学生学科核心素养的重要保证，培养学生的实验设计能力是高中生物教学的重要任务，这些方法和能力都是在“新课标、新教材、新高考”下学生必须具备的素养，通过高质量的实验教学能够为学生的整体素养优化增加生长点。

       如在学习遗传定律时，要重点使学生悟透孟德尔的假说-演绎法；学习光合作用、DNA是主要的遗传物质时，要让学生掌握同位素标记法等，再如在进行“探究影响酶活性的条件”实验时，让学生自己设计实验方案和实验步骤，有些同学将淀粉酶和淀粉混合放入0℃、100℃、60℃的不同温度下进行实验，用淀粉检验均不变蓝，实验失败，小组经过讨论分析，改进了实验设计，将淀粉酶和淀粉先在不同温度下维持5分钟再混合，实验则取得成功；再如在进行“DNA的粗提取与鉴定”实验时，不同小组设计了不同的实验方案，有的用高温、有的用洗涤剂、有的用酶去除蛋白质等杂质，不同小组设计不同实验步骤，实验成功的同时也具备了实验设计能力。

1.2 通过课本实验教学培养科研能力

      在实验过程中，老师需教会学生一些基本的实验研究方法，进行实验过程控制与指导，解决学生疑问，让学生在自主实验中培养科研能力；生物实验难免会因为多种因素影响导致实验失败，培养学生实验分析能力也很重要，通过分析可以总结经验教训，有时还会有意外收获和新发现。   

      高考考查的实验绝大多数可在老师的指导下由学生自己动手完成。如在进行“绿叶中色素的提取与分离”实验后，针对部分没有实验结果的学生，和学生一起分析失败的原因：是否用的新鲜叶片？叶片的量是否足够？研磨是否充分？加CaCO₃了吗？无水乙醇的量是否过多？画滤液细线时是否重复？滤液细线是否触及层析液？等。如在“探究植物细胞的吸水和失水”实验时，部分学生未看到质壁分离现象，可进行以下分析：所用的外界溶液是什么？外界溶液中的溶质分子种类对实验有何影响？所用的细胞是活细胞吗？外界蔗糖溶液是否被稀释了？是否观察的部位不正确？所用的实验材料是否正确？等。

1.3 通过课本实验教学形成创新意识

      学生的各种想法都显示着智慧的光芒，在实验中有的学生提出新设计、新方法，虽然有的不切实际，教师应积极的鼓励，同时加以引导，激发学生的求异思维，培养学生的创新能力。通过小组合作实验可培养学生合作意识，教师是实验组织者、指导者、调控者、参与者与引导者。在学生的自主实验中还能培养学生的创新意识，为以后的科研工作奠定基础。  

       如在进行“绿叶中的色素提取与分离”实验时，同学们探究了不同植物叶片的色素情况，不同实验步骤下的实验结果等。可介绍教材经典实验中科学家的合作事例，如鲁宾和卡门的合作、赫尔希和蔡斯的合作、沃森和克里克的合作等；教材中每个实验均可通过小组合作完成，具体实验如“调查常见的人类遗传病”调查活动等。如“探究影响酶活性的条件”实验后，可让学生继续进行酶浓度和底物浓度的探究，探究不同的实验顺序对实验结果影响；如在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，可让不同合作小组探究不同的溶液和同种溶液不同浓度情况下的实验效果等。

1.4 通过课本实验教学涵养科学品质

      实验过程中，有时会出现不同的实验结果，应要求学生如实填写实验报告，让学生重新思考，找出原因，反复实验，培养学生尊重事实、严谨治学、务实求真的科学品质。要通过实验教学使学生明白科学成果是科学家长期坚持不懈的结果，在实验中使学生形成锲而不舍的品质。  

      如在进行“检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质”实验时，有些同学没有看到砖红色沉淀的产生，有的同学偷偷的再加点麦芽糖进去后有了实验现象，对于这种情况，要严肃指出，同时如实记载，一起分析原因，重新进行实验。如在“DNA是主要的遗传物质”教学中，介绍赫尔希和蔡斯经过大量实验，通过噬菌体侵染细菌实验证明DNA是遗传物质；在“DNA分子的结构”教学中，介绍沃森和克里克坚持不懈制作了DNA双螺旋结构模型，以及“光合作用的原理和应用”一节中光合作用的探究历程、“酶的作用和本质”中酶本质的探索过程等科学家的优秀科学品质都会使学生受到启迪。

2 以“真实科研”为情境开展课本实验教学的形式

      《普通高中生物学课程标准（2017年版2025年修订)》的“教学建议”中指出，“实验教学可以在实验室开展，也可以在校园内外开展；可以是实践活动，也可以是探究活动。”具体教学中可以以多种形式开展实验教学。

2.1在科学史教学中感悟

      科学史也是科学家的实验探究史，可通过科学史的学习使学生掌握科学实验探究的一般方法，了解知识发现的过程，激发学生实验的兴趣与信心，人教版教材中有丰富的科学史素材，如果进行充分的挖掘并进行适当的拓展和延伸，对学生的实验能力的提升大有裨益。

      如在人教版必修一“光合作用与能量转化”1节教学中，可适当的以生物学史教学为主线展开教学，可从公元前3世纪亚里士多德的实验开始，简单介绍1648年海尔蒙特实验、1771年普里斯特利实验、1779年英格豪斯实验、1782年塞尼比尔实验，重点分析1864年萨克斯实验、1880年恩格尔曼实验、1937年希尔实验、1941年鲁宾和卡门实验以及1954年和1957年阿尔农实验，学生沉浸在科学史学习中，感悟了科学精神和实验方法，学科核心素养提升。

2.2在动手实践中感知

      实验教学中要给足时间让学生进行动手实验，课前教师应设置问题情境，鼓励学生通过自主学习掌握实验的内容，提出自己的创新想法，课中以小组为单位进行合作探究实验，教师对学生的操作进行及时的帮助和引导。^{组织实践活动是对课堂教学的有益补充，能提升学生的学习兴趣、缓解学习压力，还能培养社会责任等。}

      如在“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验中，在课前教师设置问题情境，如怎么判断分裂的时期？等问题。在课中提出能否跟踪观察1个细胞有丝分裂的全过程？等问题，在课后引导学生对整个实验过程进行反思，审视自己动手实验中存在的问题，从而使实验能力提高。再如组织学生调查环境污染情况、调查人群中的遗传病的实践，使学生初步掌握科学研究的方法；如自主制作生态瓶、比较不同水果的VC含量，使学生更加热爱环境更加注意合理膳食；还可以让学生在课外进行实践活动，如进行果蔬表面农药残留检测、自来水中大肠杆菌数量计数等实践，使学生社会主人翁意识进一步加强；还可以让学生课后进行种群密度调查的实践等，鼓励学生积极参与实践活动，增强对课程的理解。

2.3在探究活动中提升

      探究活动能提升学生的分析与创新能力，教材中有很多的探究实验，在具体教学中还可以将有些验证性实验改变为探究性实验。

      如“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，可选择洋葱鳞片叶内表皮、洋葱根尖分生区、绿色管状叶等材料，选择不同浓度的尿素溶液、不同浓度的蔗糖溶液等试剂让学生进行探究，加深对实验的理解。在实验教学中还可以改变实验步骤引发探究，如“探究温度对酶活性的影响”实验中，可调整实验步骤引发学生探究，也可以通过改变不同的检测试剂引发学生的思考。学生通过探究获取知识同时科学探究、科学思维等学科核心素养得以提升。

3 以“真实科研”为情境开展课本实验教学的实践

      以人教版必修一“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”一课为例，实验设计流程如图1。

      真实科研情境设计，所在地区是著名长寿之乡，有人说可能与物质有关，也可能与地区的食物有关，如果作为一名科研人员，你准备怎么去做呢？

3.1 设定实验目标，做到有的放矢

      观察部分课堂，学生按照老师安排的流程进行实验，课堂轰轰烈烈，但真正的探究很难发生，课后反思时，学生只知道做了实验，但不知道学到了什么？这样的实验课值得反思。实验目标的设定有利于学生课前进行充分的准备，带着思考甚至带着材料进入实验课堂，这样会提升实验课的思维含量。

      在“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验课前，提出以下问题，哪些植物可以用来观察有丝分裂？植物的哪些部位可以用来观察有丝分裂？怎样在显微镜中区分不同时期的细胞？实验的具体流程如何实施？等，学生带着这些问题进行思考，对实验充满向往，有的同学还特地上网查阅资料，有的同学从家里带来一些材料进行观察，如大蒜、富贵竹等。

3.2 自主动手实验，在探究中提升

      课堂实验中应以学生为主体，有限的时间应还给学生，学生在自主动手实验中能主动地发现问题和解决问题，还会尝试不同的实验材料、实验步骤等，使实验教学真正落到实处。

      在“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验课中，有的同学利用家里带来的素材进行了实验并与学校提供的材料进行了对比，有的同学尝试了不同取材部位，有的同学改变了实验步骤进行观察，如不进行漂洗直接染色后观察，如用不同的制片方法进行制片看观察结果的差异等，在自主动手的实验过程中，学生的主观能动性被激发，学生在获得深度体验的同时对实验的理解也上升到新高度。

3.3 师生合作探讨，高阶思维发展

      如果自主动手实验后实验就结束了，学生对实验的认识只会停留在现象层面，很难形成深刻的认识，在实验课中留足时间给学生就实验的过程、现象或结果等进行反思和追问，可以使学生的高阶思维得以发展。

      在“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验课中，提出问题，可否观察1个细胞的有丝分裂全过程？解离后为什么要进行漂洗？如果剪取根尖2-3cm会得到怎样的实验结果？什么是碱性染料？实验过程中的关键步骤有哪些？选材时应该选分裂的哪个时期占比高的植物？谈一谈本节实验课的个人感受？等，学生合作探讨非常热烈，学生高阶思维得以发展。

3.4 实验拓展延伸，研究走向深入

      实验教学还可向课堂外进行拓展延伸，这样能使学生养成实验的习惯，科学思维和科学探究才能成为学生的习惯和日常。

      在“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”实验课后，提出以下设想，学校所在的地区是全国有名的长寿之乡，很多人认为与喜食大蒜有关，认为大蒜的分裂旺盛，含有使人长寿的物质。请设计实验，比较大蒜与洋葱根尖分生区的有丝分裂的分裂指数（分裂期占细胞周期的比例）是否一样？请同学上网查阅资料，了解大蒜有哪些特点，下一节课以小组为单位进行分享汇报。

4 以“真实科研”为情境开展课本实验教学的建议

4.1充分利用课本实验资源

      纵观人教版高中生物学教材，其中有丰富的实验教材，可进行充分的挖掘，如教材中的“问题探讨”“思考·讨论”“探究·实践”“思维训练”等栏目多数以实验的形式呈现，教师可对这些素材进行适当的加工处理，以实验情境呈现给学生。如在人教版必修一“被动运输”1节教学中，通过“问题探讨”师生进行演示实验，使学生了解渗透现象并引发思考；课堂中，通过“思考·讨论”进行模拟实验，深刻了解水分进出细胞的原理；通过“探究·实践”进行分组质壁分离与复原实验，探究植物细胞的吸水和失水，最后通过“生物科学史话”进行实验延伸，体悟科学家怎样通过系列实验探索通道蛋白，使思维上升到一个新的高度。

4.2实验教学注重生活化

      实验教学生活化能提升学生学习兴趣，使学生感受实验的价值。教学中可创设生活化的实验情境，让学生准备一些生活中常见的用品进行实验，如在蛋白质鉴定的实验中，可以让学生从家里带来少量不同种类的食品进行实验从而增强实验效果；如在还原糖鉴定的实验中，可以联系糖尿病的案例；在“比较过氧化氢酶在不同条件下的分解”实验中，介绍双氧水在伤口消毒的机理等，走向生活的实验教学能激发学生主人翁意识，感受到实验的重要性，培养了社会责任。

4.3重视虚拟实验教学的合理利用

      纵观高中生物学实验，有演示实验，有分组实验，还有实践类的活动。但是有一部分实验在高中开展是有困难的，如“调查当地某生态系统中的能量流动情况”需要实地调查、走访农业部门等，“制作腐乳”需要实验室空间足够大，再如“DNA片段的扩增及电泳技术”对实验的器材要求很高，“菊花的组织培养”需要的实验周期很长，对于这些实验，可以借助学校的机房进行虚拟实验教学，实验现象逼真又避免了教师讲实验的误区，虚拟实验还可以呈现在常规实验下的一些稍纵即逝的实验过程，激发了学生实验兴趣的同时也提高了实验效率，在具体教学中要多种实验形式合理运用。

4.4课本实验教学要注意安全

      高中生物学实验教学中要进行安全教育，增强学生的自保意识，如在脂肪的鉴定、消毒、色素的提取等地方用到不同浓度的酒精，在绿叶中色素的提取和分离实验中用到的层析液有毒性，糖类的鉴定、DNA的鉴定要水浴加热，微生物培养中要用到高压蒸汽灭菌锅，实验中几乎都要用到玻璃器皿，部分实验还要用到解剖器具、用到浓硫酸、浓盐酸等腐蚀性很强的试剂，在实验前教师要对实验器材、药品的使用规范进行强化，在实验过程中要关注学生的操作规范，在实验结束后要师生总结实验得与失。实验结束后对实验室的废弃物要进行规范处理等。

      高中生物学的知识都是通过实验获得的，以“真实科研”为情境开展课本实验教学可让学生经历知识的形成过程，体悟科研方法，在实践中形成学科核心素养，新的实验思维将会改变高中生物实验教学面貌，使学生学习兴趣、学习习惯、学习方法、学习信心、竞争意识得到显著增强。

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