从学科核心素养角度例谈高中生物学实验教学

夏 天

(浙江省余姚市第四中学 余姚 315400)

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》提出了培养生物学学科核心素养，包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任[1]。生物学是一门实验科学，实验教学是生物学课程的重要组织形式之一。本文以“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”“模拟尿糖的检测”“模拟标志重捕法”的教学为例，探讨生物学学科核心素养的落实。

1 实验教学中渗透生命观念

在“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，学生通过动手操作和实际观察，能更好地建构“渗透作用”相关概念，用结构与功能相适应观念解释质壁分离及质壁分离复原现象： 成熟的植物细胞是一个典型的渗透系统，成熟的植物细胞有大液泡，细胞质膜、液泡膜的结构决定其对水的透过性远大于其他分子(膜的选择透性)，当外界溶液的浓度大于细胞液浓度时，细胞将渗透失水；反之，细胞将渗透吸水[2]。再如“模拟尿糖的检测”实验，通过学习胰岛素与胰高血糖素在调节血糖水平中的作用，回顾肾小管对原尿中葡萄糖的重吸收作用[3]，有助于学生建立稳态与平衡观。类似的例子还有很多，需要教师发掘和完善，让学生通过实验提升学习效率。为了更好地让学生建立生命观念，还可以引用跨学科的内容，帮助学生进一步理解相关概念的同时，提高学生的学习兴趣。

2 实验教学中培养科学思维

科学思维是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用逻辑推理的方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力[1]。在实验中，学生根据学习或生活实践提出问题，收集文献，提出合理的假设，设计严谨的实验步骤，实验后对实验数据进行分析，得出实验结论，并进一步讨论、分析，提出新的问题。这是培养科学思维的有效途径。

在科学探究或日常生活中，经常对事物进行比较。要得到合理、严谨的结论，就需要具备“对照”思想。例如，“模拟尿糖的检测”实验中就存在空白对照、阳性对照和阴性对照的设置。通过本实验，学生不仅掌握3种对照组的设计及其意义，还可以学习尿糖检测的半定量方法，比较不同检测方法的原理。葡萄糖试纸检测葡萄糖的反应原理是葡萄糖氧化酶法，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖，生成葡萄糖醛酸和过氧化氢，过氧化氢在过氧化物酶的作用下，使指示剂氧化而显色。用本尼迪特试剂检测葡萄糖，原理是Cu2+在碱性条件下被还原糖还原为红黄色的Cu2O沉淀。

除上述对照外，在“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，则采用“自身对照”，对洋葱表皮细胞实验前后的状态进行比较，学生通过不同的实验过程，真正理解和掌握“对照”原则的内涵。

“模型与建模”是认识自然的一种重要方法。在“种群的特征”这一节中，为了深入理解标志重捕法，可以先构建数学模型，让学生理解标志重捕法的数学原理，再进行模拟操作。教师首先帮助学生回顾初中数学的内容： 准备一盒珠子(大小、材料均相同)，倒出其中一部分珠子，标上记号，记这部分珠子的数量为M。然后把这些珠子放回盒子，搅拌均匀，再倒出一些珠子，记颗数为n。若带有标记的有m颗，那么盒子里珠子的总数(N)为M×n/m[4]。这一公式即为标志重捕法的数学模型，再引出教材中调查池塘中鲈鱼数量的例子(图1)。接下来进行模拟实验，教师准备若干卡片代表鲈鱼总数(N)，对其中M张卡片做上标记，代表被标记的鲈鱼总数为M条。将卡片混匀，再随机取出n张卡片，代表重捕了n条鲈鱼，数出带有标记的卡片为m张，即重捕中带有标记的鲈鱼有m条。接着，可用样本中被标记个体的概率(图1D)估计总体中被标记个体的概率(图1C)，即可得如下公式： 重捕中被标记的个体数(m)/重捕个体数(n)=标记个体数(M)/种群总个体数(N)。在此公式中，m、 n和M都是已知的，因此可以得出N=M×n/m。将计算得到N值与实际的卡片总数进行比较，体会样本估计总体的统计学思想。

批判性思维是科学思维的重要组成部分，它促使了科学在继承中发展，不断地进步。在实验教学中，可以鼓励学生对教材实验进行讨论、完善。例如，在“模拟尿糖的检测”中，3号试管为蛋白质溶液，仅能说明蛋白质不与葡萄糖试纸发生显色反应。可将蛋白质溶液替换为健康人的尿液(茶水)，健康人的尿液更适合作为阴性对照，说明尿液中的其他成分均不与葡萄糖试纸发生显色反应。

图1 标志重捕法： 捕捉(A)→标记(B)→放回(C)→重捕(D)

实验教学还是培养创造性思维的有效途径。根据已有的实验结果，提出新的问题，并设计实验，即是创造性思维的体现。在“模拟尿糖的检测”后，还有进一步的探究： 假设糖尿病患者可以通过改变饮食结构来减轻病症，请设计一个实验证明这一假设是否成立。学生首先需明确自变量和因变量。自变量为饮食结构，因变量为尿液中葡萄糖的含量。再进行实验设计，在班级中交流、展示。可以有2种方案： 一种设置对照组，将若干糖尿病患者分为2组，1组常规饮食(对照组)，1组使用适合糖尿病患者的食谱(实验组)，定期检测两组患者尿液中葡萄糖的含量；另一种不单独设置对照组，定期检测患者改变饮食结构前后尿液中葡萄糖的含量，即自身对照。

3 实验教学中培养科学探究能力

教材中的探究性实验是培养学生科学探究能力的重要途径。通过探究性实验，学生可以掌握科学探究的基本思路和方法。例如，“探究环境因素对光合作用的影响”这一开放性实验可以让学生体验科学探究的整个流程[5]。在实验教学中，不仅要重视科学探究的过程，还要重视对实验结果的讨论、交流和展示。例如，在“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，学生可以拍下典型的照片，进行交流、讨论。科学探究能力的培养正越来越受到重视，在浙江省的生物学高考中，实验占有较高分值，其中实验设计题一般考查探究性实验(表1)。

表1 浙江高考中的实验设计题

4 实验教学中加强社会责任的教育

实验不仅是生命观念和科学思维的实践，也是培养社会责任的途径。“模拟尿糖的检测”中有一个问题： 医生仅凭一份尿液样本就能断定某人患糖尿病吗？意在引导学生基于生物学的认识，参与个人与社会事物的讨论，并作出理性解释和判断。教师可引导学生进行充分讨论，并达成统一认识： 仅凭一份尿液样本不能断定某人患糖尿病，食糖过多使血糖暂时过高，也会导致尿液中暂时出现葡萄糖。从而理解任何确诊或治疗决策都不能基于某一单项检测结果。此外，通过关注糖尿病，鼓励学生宣传关爱生命的观念和知识，崇尚健康的生活方式。再如在“种群的特征”的教学中，引导学生从年龄结构的角度解读全面二胎政策，关注社会议题。