自主开发教具 培养学生实验素养

江苏省常州市北郊初级中学(213002) 邰玉韦

生物学实验教学是生物教学中一个不可分割的重要部分。《义务教育生物学课程标准(2011版)》实施建议中关于加强和完善生物学实验教学的一条重要建议是:实验设计应该多样化。可采用比较规范的实验仪器设备设计实验,可设计低成本实验;可以采用生物材料设计实验,也可设计模拟性实验;并鼓励学生参与设计实验等。

教具是一种辅助实验教学活动而学校配备或教师自制的实验仪器设备。学具与教具的主要区别:学具主要立足于学生的学,适合学生在学习中使用;学具的开发使用更能体现学生的动手动脑能力,特别是有利于培养学生的实践能力和创造精神。但学具需要在学习过程中根据需要创新设计和动手开发,设计和开发的主体是教师和学生。学生从直接使用学具、到模仿制作学具,到主动设计开发学具的过程中,可促进学生学习方式转变,促进深度探究学习。

1 教师开发生物学实验教具的主要原则

1.1 科学性原则

开发的教具作品要符合生物科学原理和生物教育教学规律;要符合中学生身心发展特点。

1.2 教学性原则

教具的设计要符合生物学课程标准的基本理念,有利于培养学生的生物学科核心素养;有利于面向全体学生;有利于倡导研究性学习。

1.3 直观性原则

制作的教具要便于观察、操作、展示;直观、生动和形象;一般应能重复使用。

1.4 简便性和趣味性原则

制作过程简单、使用方便、富有趣味性。

1.5 安全环保原则

在教具设计与制作过程中,始终把安全放在重要位置。应选择无毒、无害、无污染的原材料,同时要妥善处理制作教具过程中产生的废弃物。

1.6 新颖性原则

教具的设计和制作过程中,要重视对学生创新精神的培养,努力为学生提供更多的实践机会、更大的思维空间;鼓励学生设计出具有科学性、创造性的教具。

2 开发使用教具培养实验素养的主要策略

2.1 学生使用教师自制的教具,提升自主实验探究能力

“蚯蚓在什么样的物体表面爬得快?”这一实验探究活动,在初中生物学教学中占有重要地位,在不同版本的教材中都有出现。该探究活动的意义不只是关注学生对探究活动一般过程的认识,同时还有助于学生建立生物学的一个重要核心素养——结构与功能适应观。教材提供的方案是:把活蚯蚓分别放在粗糙的硬纸板上和光滑的玻璃板上,让学生观察其运动状态,并进行比较,来理解实验变量的含义,初步学会设计对照实验。多年的教学实践表明,该实验效果不明显,实验结果不稳定,无法重复,往往得不出预期的实验结果。蚯蚓在玻璃板上的运动速度反而比在粗糙的硬纸板上的运动速度更快,分析其中一个重要原因是硬纸板尽管比玻璃板粗糙,但硬纸板表面比较干燥,容易吸去蚯蚓身体上的水分。曾有教师做了这样的改进:先把硬纸板放在水里浸泡1 min左右,然后将其捞出来沥干,除去多余的水分后再分发给学生,同时要求学生用湿布把玻璃表面也擦一下,然后再做同样的实验。实验结果虽有所改变,但这个实验的设计还是存在着明显的问题:两种实验装置材料的材质不同;蚯蚓运动比较灵活,对比蚯蚓运动的快慢,既需要目视测量距离又要手动计时,操作起来难度大;浸湿后的硬纸板一般不可再重复使用。

笔者在教学实践中尝试改进实验装置,制作了一套AB对照教具,降低了实验难度,实验效果比较理想,而且可以保存重复使用。A组材料组成:边长为1 cm的“正方形”A4方格纸1张,1 mm×210 mm×297 mm亚克力透明有机玻璃板1块;A4纸放在玻璃板下面。B组材料组成:边长为1 cm的“正方形”A4方格纸1张、磨砂膜帖1张1 mm×210 mm×297 mm亚克力透明有机玻璃板1块。A4纸放在玻璃板下面,磨砂膜帖在亚克力透明有机玻璃板上面。为便于用教具进行多次重复实验,A4方格纸和有机玻璃板之间可以用双面胶进行固定。在这样的装置形成的对照实验中,B组装置模拟的是粗糙的土壤环境,这样的装置提供了相对科学的对照实验,尽量做到了控制单一变量。而且这套教具解决了本实验的一个难点——怎样判断哪种板面上的蚯蚓爬得快。学生可以利用方格纸将定量实验和定性实验有机结合起来,增加了实验的科学性和趣味性。尤其是学生在讨论如何计算蚯蚓爬行的距离时,还联想到利用数学勾股定理知识。提供合理的教具装置,学生有更多的时间设计实验方案,能更有效的完善实验操作,会自主地深入到观察、比较、猜想、实验、交流、总结、分析和归纳的思维活动中,得出相对科学的探究结论。同时,培养了学生的实验探究素养和探究能力。

2.2 学生模仿制作简单教具,有效突破实验教学中的重难点

“呼吸运动”是《人体与外界环境的气体交换》中的内容,“能让学生清楚地说出呼吸运动的过程”是课标明确提出的本课时要实现的一个教学目标要求。这部分内容抽象,概念较多,重点解决“肺与外界气体交换到底是怎样发生的,即呼吸的发生过程”这一教学问题,而呼吸运动过程是动态的、连续的、短暂的过程,需要有一定的知识基础、思维推理能力和理解能力。同时,理解呼吸运动的过程是理解完整的人体气体交换怎样“从外到内、从内到外”的基础和前提。因此,“呼吸运动”的教学具有承上启下的作用,既是教学重点又是教学难点。对学生前概念的调查结果显示,分歧主要集中在胸廓容积和肺容积变化的因果关系上。分析其原因,学生对胸廓的组成、膈肌、肋间肌等的分布和功能,以及肌肉与骨骼的关系、体积变化与气压变化等关系,缺少基础的生理知识和物理知识作支撑,对学生具有很大的挑战性。在这种复杂的学习环境下,学生需要得到一个较清晰的、直观的、简化明确的学习结果。因此,教师可以提供制作呼吸运动教具的材料,让小组学生模仿安装和自主探究,可以将抽象的概念直观化、感性化,加深学生对概念的直观体验和感性认识,降低学生学习的难度,激发学生的思维能力和积极探究的欲望,有效解决了教学的重难点。教师提供给每个小组合作制作的教具材料:小气球2个、乳胶手套1只、V型塑料三通管1个、超轻泥土若干、300 m L的饮料杯1个、剪子、小橡皮筋2个等。每个小组先制作一个简易呼吸教具,再在全班范围内进行展示和评价。然后,学生再利用教具完成具体的探究任务:①膈肌收缩(下拉乳胶手套)时,胸廓上下径增大还是减小?胸廓容积如何变化?肺容积如何变化?②膈肌舒张(松手回升)时,胸廓上下径增大还是减小?胸廓容积如何变化?肺容积如何变化?在“做”的过程中,学生自然而然的达成了教学目标:当胸廓容积增大时,肺容积增大;当胸廓容积缩小时,肺容积缩小。

2.3 学生自主开发使用教具,提升创新解决问题的能力

在探究比较蚯蚓头部和尾部对光刺激的反应过程中,教材提示用小手电筒发出的光照射在蚯蚓身体的不同部位,观察蚯蚓身体的不同部位对光刺激的反应灵敏度。但教学过程中发现即使是较小的手电筒发出的光也比较分散,在蚯蚓身上完成这一实验的效果一般都不理想。但有学生自主想出了一个好办法,该学生尝试把一张A4纸上下对折2次分成4份,每1份按照纸宽卷成纸筒,两边用订书机固定上。然后,把这个纸筒套在手电筒的前端,让手电筒发出的光从纸筒里射出形成一个聚光小圆,手电筒离蚯蚓身体越近则光圆越小,用这个光圆点刺激蚯蚓身体的不同部位,这样实验效果会很明显。看似一个小小的创意和改进,正如麦克斯韦曾经说过:“一项演示实验,使用的材料越简单,学生就越熟悉,就越想透彻地获得所验证的结果。”当然,为了进一步提高学生开发和使用自制教具的兴趣,可以开展教具比赛活动,让学生自选课题,提升学生创新解决问题的能力。海伦·凯勒说过:“一个人有了飞的冲动,它还会爬吗?”学生自主开发与使用教具的魅力也是如此。

总之,自主开发使用教具符合STEM教育理念,对于学生来说是一个循序渐进的过程,需要教师不断鼓励和引领;对于教师来说,是对教师教学素养的一种考验和磨练,任重而道远。但因教具、学具开发和使用具有教学的主体性、学习的体验性、科学的探究性、方式的多样性、价值的多元性等特点,教师要重视教具的开发和制作,让教具、学具在生物学实验教学中发挥其更大的价值。