创新教学设计优化生物实验教学

【摘要】本文认为中学生物课程中设置学生实验的基本目标是使学生在科学探究活动中理解生物学的基本观点、提高自身的科学探究能力等，提出教师可以在理解课标要求和教材编写意图的基础上，结合本校实验条件和学生能力，创新教学设计，优化实验教学等教学建议。

【关键词】生物 实验教学 创新 优化

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）07A-0029-03

中学生物学课程在学生核心素养发展方面的基本价值，是让学生形成基本的生命观和生物学基本观点，培养学生的理性思维、探究能力和社会责任。中学生物课程中所设置的学生实验，能促使学生在科学探究活动中深刻理解生物学的基本观点，提高自身的科学探究能力等，达到提升学生核心素养的最终目的。

人教版教材中的教师演示实验和学生分组实验，大多明确地阐述了实验的基本要素，如实验原理、实验材料和实验步骤等。有的教师为了更便捷地完成实验教学，往往将学生做实验变成听教师讲实验或看实验视频，此为灌輸式实验课;有的实验课上，学生靠模仿教师写好的实验步骤完成实验，此为缺乏思维训练的活动式实验课。学生在这两种实验课中，由于不理解实验原理和实验步骤，实验操作不规范，对实验现象也缺乏关注和思考。这两种实验课对学生的实验操作能力和实验思维能力的提高是不利的。教师如何根据实验教学目标创造性地使用教材资源以提高实验课堂教学的有效性？笔者认为，教师可以在理解课标要求和教材编写意图的基础上，结合本校实验条件和学生能力，创新教学设计，优化实验教学。

一、引导学生通过小组合作的形式设计和实施实验

例如人教版八年级实验《酒精对心率的影响》，本实验的教学目标是使用95%浓度的酒精配置不同浓度的酒精作用于水蚤，通过记录水蚤的心跳实验数据，分析说明酗酒对人体健康的危害。本实验是探究实验，教材没有明确如何设计对照组，也没有明确的实验步骤，学生又缺乏影响心率因素的相关知识，所以实验设计中如何设计对照组，是学生学习的难点。由于教学的难度较大，许多教师采用演示实验或观看教学视频的方式完成该实验的教学，导致实验教学的有效性较低。

教师应根据教学目标设计教学活动，改变教学方式以提高学生自主学习的积极性，促使学生改变被动的学习方式，提高实验课堂教学的有效性。教师可在课前引导实验小组查询相关资料，引导各实验小组在了解影响心率的因素后，提出本组的实验假设，再根据实验假设设计实验探究的方案。在课堂上，各小组轮流展示、分享各自的探究方案，师生共同讨论完善，如某小组提出的方案为：在观测实验对象处于正常状态的心率后，由低到高分别滴加不同浓度的酒精，然后再观测其心率变化并记录。有学生对此提出异议：此方案同一只实验对象在不同浓度酒精中的心率变化，会受到上一次低浓度酒精的影响，因而会不准确。该小组同时提出本组方案：同时用不同的实验对象在不同浓度的酒精中进行实验，将观测所得数据进行对比分析。针对此方案，前一个小组马上指出每个实验对象情况不一，容易出现误差。还有小组提出：只用一只实验对象，每隔一段时间滴加不同浓度酒精，达到一定时间后再进行观测，对比正常状态时的数据。其他组指出：时间太长，不能马上反馈数据。其他小组也根据自己的设计提出改进意见。最终，学生达成一致，即每组用不同的实验对象在不同浓度的酒精中进行实验，这样全班实验共形成两种对照组，一种是各小组内的清水与一定浓度的酒精的对照组，另一种是不同小组不同浓度酒精的对照组;以全班所有小组的实验数据作为本实验的结果，通过分析班级大数据获得结论。

学生通过参与实验设计，理解了如何根据实验目的设计对照组、如何处理单一变量和控制无关变量的干扰。实验设计完成后，学生就会积极讨论如何做实验了。这样的实验课，学生动手实验的积极性比在教师的指令下模仿实验更高，学生通过观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论，提高了科学探究能力，还学会了团队合作。此外，也可以把教材设置的教师演示实验设计成学生探究实验，提高实验教学的有效性。

二、师生共同探究提高课堂实验效率的方法

实验课只有40分钟时间，除了实验前的讨论学习，留给学生动手实验的时间非常少，这就限制了学生重复实验的次数，降低了实验完成的可能性，许多学生还没有看到预设的实验结果就到下课时间了。有效控制实验的影响因素，可以缩短学生动手操作的时间，提高课堂实验的效率，从而提高实验课堂教学的有效性;因地制宜地改进教材提供的实验材料、实验试剂、实验装置、实验反应条件，可以提高学生实验的效率。

（一）实验材料的创新

教材提供的实验材料往往受到地域、气候的影响，难以获取进而影响实验的开展。教师应根据本地的特点，寻找适合的、价格适宜的实验材料。

例如人教版八年级实验《酒精对心率的影响》。教材建议用水蚤作为观察材料，城市水质日益被破坏，还有季节等因素导致难以获取水蚤;需要使用显微镜观察水蚤的心跳，但是制作装片过于繁琐，而且水蚤不易固定在视野中，心率也较快，学生在计数时极易出现误差，甚至无法获得实验数据。有的教师尝试用观察小鱼呼吸频率代替心率，还有用观察蜗牛的心率代替观察水蚤的心率，但测量效果和科学性都不理想。琵琶清道夫原产地在巴西和委内瑞拉，后传入我国，目前是我国南方较常见的一种底栖小型鱼类，个体大小正好适合放置于培养皿中，它会吸附在培养皿的玻璃上，其胸腹部扁平且接近透明，心脏的位置及其活动一目了然，可用肉眼直接进行观察。琵琶清道夫获得渠道多，其价格为几元钱一只，容易养殖，可以在不同班级间重复使用。实验结束后应将清道夫放置于水族箱中净化水质，避免对自然水域造成不良影响。

（二）实验试剂的创新

教材提供的实验试剂有的不明确是何种物质，有的实验效果不佳，教师可根据教学的需要，选择效果更佳的试剂种类，或是灵活调整试剂的浓度等，以提高对照实验的效果。

例如人教版高一实验《植物细胞的吸水和失水》。在这个实验中，教材的建议是将紫色洋葱鳞片叶放置在0.3g/ml的蔗糖溶液中，通过观察洋葱外表皮鳞片叶细胞紫色的液泡的大小变化来观察成熟植物细胞渗透失水而发生质壁分离的现象，从而理解原生质层具有选择透过性。而细胞壁是全透性的，水分子和溶解在水里的物质都能够自由通过。按照教材提供的试剂（0.3g/ml的蔗糖溶液）和方法（将洋葱外表皮鳞片置于试剂中），只能证明水分子是可以出入原生质层的物质，即原生质层是选择透过性膜，不能同时证明细胞壁具有全透性，而原生质层具有选择透过性。经研究得知，红墨水中含有多种水溶性大分子，如果将无色透明的洋葱内表皮鳞片叶浸入0.3g/ml的蔗糖与红墨水的混合溶液中，可以观察到红色混合液体不断地浸入原生质层和细胞壁之间的空隙中（在细胞内的面积越来越多），接着滴加清水，则会看到红色混合液体不断地离开细胞（在细胞内的面积越来越少），经过改进，在B、C方案中观察中细胞失水时，在显微镜下可以观察到细胞壁和原生质層中之间充满了红色的蔗糖溶液，这一现象直接证明了细胞壁的全透性，更加有利于学生得出“成熟植物细胞的原生质层充当半透膜”这一正确结论，使学生更好地理解这一生物学核心概念。

（三）实验装置的改进

教材提供的实验装置往往只考虑简单易行，忽略是否存在影响实验数据准确性的因素，为了提高实验的科学性和严谨性，教师应在经济可行的前提下，对实验装置进行改良，消除与实验有关的影响因素。

例如人教版七年级实验《测定食物中的能量》。教材提供的参考实验装置（如图2）存在两大缺点，一是由于酒精灯的火容易被风吹灭、锥形瓶无盖、石棉网吸收大量热量等原因使食物燃烧时热量散失严重，直接导致能量测量产生较大的误差;二是不利于重复测量，因为食物燃烧完后，石棉网吸收的热量使温度计继续缓慢上升，每次实验持续比较长的时间，所以间隔较长时间才能重复测定。

图3改进后的实验装置显著的优点是：第一，取材方便、制作容易、安装简单。废品站有大量的易拉罐，将易拉罐切成两截，一半当锅装水，一半当灶，锅往灶上一放即可。第二，大大减少热量的无关散失，实验现象非常明显，实验时间大大缩短。因为铝罐可直接加热，灶可挡风，灶内垫的铝箔纸是反射热源的好材料。第三，温度计能固定不碰壁。泡沫盖将温度计固定，而温度计上的橡皮筋能调节温度计浸在水中的深度。

（四）实验反应时间的控制

对于实验条件，教材常常没有给出明确的说明，教师只能根据现有的条件对实验方法给予改进，教师应引导学生在遵循基本的原则和要求的前提下，探究实验反应的各个环节所需的最佳条件。

例如人教版高二选修一必做实验《腐乳的制作》。该实验的能力目标要求学生体验腐乳制作的实验操作流程，探索培养毛霉的温度和时间，探索盐及香辛料的用量，寻找避免杂菌污染的方法。但是教材中只是给出了基础知识和实验设计以及操作提示的简略框架，实验虽然简单，但是由于影响因素较多，所以在实际操作过程中很容易失败。本实验的时间跨度非常长（约50天），分为前期发酵和后期发酵两部分，属于典型的长周期实验。如何改进实验，控制实验的影响因素，有效缩短发酵所需的时间，是本实验的教学重点和难点。经过多次探究，笔者发现引导学生从以下几个方面对本实验进行改进效果较好：购买毛霉菌种代替自然菌种，提前一天按质量比例（菌种∶凉开水=1∶50）配制好毛霉菌液，然后将切好的块状豆腐浸润其中完成接种，确保实验初期就有足够多的毛霉;在装坛后的腐乳汤中加入一定量的蛋白酶制剂使腐乳后期发酵由40天左右缩短到15天左右;用封口膜密封代替纱布覆盖，由于毛霉菌生长受湿度影响大，可使用保鲜膜代替单层纱布覆盖，否则易因豆腐失水过多导致毛霉生长不旺;在腐乳制作过程中容易发生细菌、大肠杆菌等杂菌污染，为保证实验正常进行，实验前用75%的酒精对实验装置和所用物品进行消毒，尽量做到排除杂菌干扰。

三、利用信息技术，优化实验数据处理方法

在学生实验结束后，各实验小组根据本组的数据分析得出实验结论。由于实验时间较短，实验小组重复实验的次数少，甚至有的小组只能做一次实验，只有一个实验数据。实验数据少，则实验结果往往具有偶然性，实验结论就会产生偏差。如果将全班的数据一起整合分析，就会得出基于大数据处理下的比较科学的结论。例如在人教版八年级实验《酒精对清道夫心率的影响》中，由于学生分成多个实验小组分别完成不同浓度的酒精对一只琵琶清道夫心率的影响实验，仅依靠一个实验小组的实验数据，容易出现误差或不可比性，而通过云平台（平板电脑），学生可以在课堂实验后上传本组实验数据，与其他组数据汇总，生成全班的大数据，在学生对数据进行分析、讨论时更全面地呈现实验结果，帮助学生更快、更好地得出相应的结论。学校没有云平台条件的，也可设计统计表格（利用黑板或课件），将全班各小组的数据进行汇总，整合成全班的大数据，保证实验设计的科学性。

生物学是一门自然科学，实验教学是生物学课程中非常重要的一部分，是提高学生核心素养的重要途径。对教材设计的实验进行改进创新，对教师来说是一个很大的挑战。有利于培养和提高学生生物学科素养的创新教学设计才有实施的价值，教师只有在理解课标、理解生物学实验教学在培养学生核心素养中的价值之后，才能形成有利于本校实验教学的创新设计。

作者简介：曾哲（1971— ），女，广西玉林人，中学高级教师，教育硕士，南宁师范大学硕士研究生导师，国家二级心理咨询师，南宁市生物学科带头人，研究方向：中学生物教学与评价。

（责编 刘小瑗）