基于学科核心素养培养的实验教学设计——以“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”为例

（大通县第二完全中学 青海西宁 810100）

生物学学科核心素养是学生在生物学课程学习过程中逐渐发展起来的，在解决真实情景中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格与关键能力。其中包含的重要一点是：能理性思考与论证生命现象及规律并具备一定的科学探究与合作能力。

1 前端分析

1.1 学习内容分析

“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”是人教版生物教材必修一第六章第一节“细胞的增殖”中一个经典的生物学实验。本实验的内容包括目的要求、原理、材料用具、方法步骤、结论和讨论等。为了便于学生操作，增强操作步骤的目的性和条理性，教材把装片制作过程中的步骤、方法、所需时间和操作目的以表格的形式展示出来，增强了教学内容的直观性。本实验的关键是进行装片的制作并利用显微镜观察，但是装片制作的难度较大且观察效果有限，所以在教材中处理为验证性实验。

1.2 学习者分析

本实验的授课对象是高一的学生，他们已经学习了临时装片的制作方法，初步掌握了装片制作所需要的操作技能，但本实验中解离、染色的时间要严格控制，压片时用力要恰当。这些都增加了装片制作的难度，对学生而言是一个挑战。对于观察，学生在之前的实验中已经能够熟练地使用显微镜观察不同细胞，也具备低倍镜转换到高倍镜的操作技能。同时，学生已经具备了一定的自主探究能力，能够利用虚拟仿真软件来完成实验过程。

1.3 学习环境分析

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出，教师在教学中应开展一系列具有探究性的学习活动，以此提高学生的生物科学素养。因此，本节课利用计算机多媒体教室并借助虚拟仿真软件来进行实验探究，突出教学手段和教学方法的现代化，并适应教学的个性化需求。

2 教学目标

①学会装片制作的操作技能，提高动手实践能力，掌握科学探究的基本思路和方法，学会对实验结果进行交流与讨论。

②能使用高倍显微镜观察根尖分生区细胞的有丝分裂，并运用其中的操作技能和科学思维对其他适宜材料进行观察研究，阐释不同材料的细胞分裂现象，总结细胞分裂规律。

③基于对细胞有丝分裂现象的观察，理解通过有丝分裂维持染色体数目稳定的科学规律，认同生命过程的精致和奇妙，形成生命观念，尝试以审美的视角举例阐释生命过程。

3 教学策略

本实验展示的是一个真实的细胞分裂现象。这种真实的情境能很好地调动学生的学习积极性，提高学生的求知欲。但是，由于本实验中洋葱根尖的培养需要在实验前3～4 d进行，而且装片制作时解离、漂洗、染色等步骤还需要一定的等待时间，使得实验所需时间长。加之，本实验中装片制作的难度较大，观察效果有限，而且解离最好在上午10时～下午2时，让全年级学生集中在这个时间段内进行实验不现实。笔者尝试将信息化条件下的虚拟仿真实验引入本实验教学中，实施知识发生过程式教学，在提高教学效果的同时发展学生的生物学学科核心素养。教学中，教师通过虚拟实验操作，使学生全感官参与学习，让学生在亲身体验装片制作过程的同时，真实地观察到细胞分裂不同时期的图像，进而总结细胞分裂规律，认同生命过程的精致和奇妙，落实生命观念培养的目标。

在本实验中，笔者选择支持交互操作的“东师理想生物虚拟实验平台”进行虚拟仿真实验。

4 教学媒体的选择

虚拟仿真实验软件有利于学生直观感受实验过程。教师同时利用“东师理想云教学平台”的“备课助手”制作教师版和学生版交互式课件辅助教学，便于呈现实验结论、注意事项等重点内容；利用计算机多媒体教室进行教学，可以呈现教学过程中的学生操作过程，也便于学生回顾、总结重点内容，既方便了教师教学，也方便了学生学习。

5 教学过程

5.1 复习引入

教师展示学生手绘的有丝分裂模式图，要求学生辨别图示的时期并用一句话概括该时期的特点。接着，创设过渡的问题情境：刚才观察的是同学们自己手绘的细胞分裂过程模式图，那细胞有丝分裂的真实图像是怎么样呢？想不想观察一下真实的细胞分裂图像呢？要观察细胞有丝分裂的真实图像，就要通过实验来进行观察，本节课就通过“洋葱根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验来观察一下细胞真实的有丝分裂图像。

学生识图，回忆有丝分裂各个时期的特征并作答。

设计意图：教师利用学生自己手绘的有丝分裂模式图，引导学生复习巩固有丝分裂的基础知识并过渡到新授课的内容，帮助学生形成知识网络图，激发学生学习兴趣。

5.2 探究新知

5.2.1 探究一：实验目的及原理

教师利用虚拟仿真实验平台的交互式课件展示本实验的实验目的并做简单介绍：（1）制作洋葱根尖细胞装片；（2）观察植物细胞有丝分裂的过程，识别有丝分裂的不同时期，通过统计每一时期的细胞数与计数细胞总数的比例来比较细胞周期不同时期的时间长短。接着，展示实验原理（图1）。

师生共同探讨本实验材料的选材依据：根尖包括根冠、分生区、伸长区和成熟区，只有分生区细胞有丝分裂旺盛，所以选择分生区细胞作为实验材料。分生区细胞在根尖中0～3 mm处，呈正方形、排列紧密。强调实验材料的正确选择是实验成功的关键，教师列举科学史上孟德尔选择豌豆、摩尔根选择果蝇做实验取得成功的例子，引导学生设计实验方案时学会选择恰当的实验材料，从而落实科学探究培养的目标。

各小组开展探究活动，探讨并解决以下问题：（1）材料为何选择根尖分生区细胞？（2）分生区细胞在根尖中的什么位置上？（3）在观察时如何找到分生区细胞？

设计意图：教师引导学生根据所学的知识对实验材料的选择，做出科学的解释，学会实验设计中材料选择的依据和一般原则，明确实验成功的关键是选择合适的实验材料。

5.2.2 探究二：实验设计中的一些探究问题

教师展示实验设计要解决的2个探究问题（图2）：（1）观察细胞有丝分裂的实验应选择哪种材料？（2）请将实验过程和所需时间填写完整。

学生在虚拟仿真实验平台的学生版交互式课件中根据预习的内容对所探究的问题做出解答，并在自己的交互式课件中查看答案正确与否（图3）。依次完成2个探究问题，学生可以知晓并熟悉实验材料的选择和实验具体操作的步骤，学会进行实验的方法和技能，助力独立完成实验。

设计意图：教师通过引导学生解决平台设计的2个重要探究问题，让学生知晓并熟悉实验材料的选择和实验具体操作的步骤，有助于后期实验的顺利进行。

5.2.3 探究三：实验过程

教师在虚拟仿真实验平台边讲解操作要点边分步骤演示（图4），加深学生对实验过程中的操作步骤和操作技巧的记忆，并就实验过程中的注意事项形成初步印象。

学生观看演示过程，熟悉操作步骤。

设计意图：教师通过动态演示实验过程，实施知识发生过程式教学，充分利用视听媒体使学生全感官参与学习。

5.3 实践操作

5.3.1 实践操作一：个人独立操作

教师指导学生在自己的电脑上打开学生版交互式课件中的虚拟仿真实验进行实践操作，并巡回指导，观察学生操作中存在的问题与创新之处。

学生在虚拟仿真实验平台上独立进行实验操作，明确实验步骤中每一步操作所用试剂、操作目的、所需时间长短、注意事项等（图5）。

设计意图：教师培养学生虚拟仿真实验的操作技能，体验完整的实验过程，并以此发展学生独立利用虚拟仿真实验平台进行实验探究的能力。

5.3.2 实践操作二：学生操作观摩

教师根据在巡回指导时发现学生操作中的亮点，请有创新之处的学生在自己的电脑上独立进行实验操作，并利用多媒体小哨兵系统，将学生的操作投影到教室的白板上，请其他学生观摩。

学生观摩学习优秀学生的操作过程，大胆分享自己的实验心得，解释自己操作中的独到之处，探讨实验中出现的问题。

设计意图：学生通过实验过程的共享，加深对实验过程的理解。教师要鼓励学生分享体会，培养学生的表达和交流能力。

5.4 实验评价与反馈

教师简单地小结实验，梳理实验注意事项，组织学生分享对本节实验课的收获、感悟和存在的疑问。

学生自主评价本节实验课的成果。

设计意图：教师采用学生自评的方式进行形成性评价，可以更好地掌握学生在实验理解、实验操作、实验收获等方面的情况。

6 教学反思

本实验探究活动具有一定的复杂性，如果进行真实实验，学生很难在有限的时间内完成装片的制作，而且观察效果也有限，所以选择了虚拟仿真实验进行替代，在一定程度上弥补了不能进行真实实验的遗憾。虚拟仿真实验教学可以在较短时间内让学生经历实验设计、实验操作、实验观察等环节，并使学生巩固实验设计的基本原则及实验操作的细节，促进学生形成正确的生命观念，发展学生的科学思维，提高学生的科学探究能力。