生物实验与学科核心素养培养的珠联璧合——浅谈“生物体维持pH 稳定的机制”实验的教学设计

内蒙古

“生物体维持pH 稳定的机制”是人教版教材必修3 第一章的实验，是在学生对内环境稳态的相关知识有了初步了解后所设定的一个实验，是《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》中建议的一项实验探究活动，其目的是通过观察向纯净水、缓冲液和生物材料中加入酸或者碱后溶液pH 的变化，来推测生物体是如何维持机体酸碱平衡的。内环境稳态的相关内容比较繁杂，每一种调节方式都以不同的机制和方式呈现，学生理解和记忆起来较为困难。为了让学生对这一部分的内容有更充分的理解，能系统地掌握相关知识，并解决相关问题，笔者对该实验进行了调整和改进，取得了较好的教学效果。

一、创新实验过程，培养实验设计能力

1.实验用具

用dislab pH 传感器代替pH 试纸，此操作可缩短实验时间，保证实验在1 课时内完成，实验结果也更为直观。另外，利用pH 传感器可以得到较为直观的数据和曲线，通过对实验结果的分析培养学生处理数据和分析数据的能力，这对于学生日常学习中利用曲线模型解决问题也有一定的促进作用（下面的图示分析是部分传感器上的数据截图）。

2.实验材料

生物实验材料选择的是生活中比较常见易获取的黄瓜、西红柿和鸡蛋，不仅可以通过观察加入酸或碱后溶液pH 的变化推测生物维持酸碱平衡的机制，还可以对比不同生物材料之间缓冲能力的大小。

3.实验处理

实验课的处理改变了以往教师给出实验操作步骤，学生按照实验步骤操作即可的模式。而是把实验目的在实验前告诉了学生，并和学生一起讨论合适的实验设计，也就是说这节课不是简单的重复操作，而是实验设计、材料准备以及实验中一些问题的解决都由教师和学生共同完成，这个过程不仅培养了学生的实验探究能力，更培养了学生的创新能力、独立思考能力和团队合作能力。

4.情境导入

在实验教学中改变了直入主题的教学方式，而是选用“紫甘蓝汁的酸碱指示剂作用”的小实验进行导入，通过花青素在不同pH 条件下的颜色变化，吸引学生的注意力，并激发他们去探究生物在获取营养物质或者新陈代谢的过程中酸性物质或碱性物质进入内环境后是否能维持内环境pH 的相对稳定，若能，通过什么样的机制来维持？从而引出该实验。

二、科学分析实验结果，培养科学思维

1.生物材料具有缓冲能力

由图1、图2 可知，在加入碱（NaOH）或酸（HCl）后，不同实验材料的pH 变化不同。且可以看到水的pH 变化较大，缓冲溶液的pH 基本没变，两种生物材料稀释液的pH 与水相比变化较小，但并不是我们在日常教学中给出的模式曲线。此现象说明生物材料中存在缓冲物质，但它们的缓冲能力是有限的。

图1 加入NaOH 后溶液pH 的变化

图2 加入HCl 后溶液pH 的变化

2.不同生物材料之间缓冲能力的比较

2.1 不同生物材料稀释液的pH 不同

图3、图4 是不同生物材料稀释液加入酸（HCl）或碱（NaOH）后pH 的变化数据，可以看到不同材料稀释液的pH 是不同的：西红柿稀释液是偏酸性的，蛋清稀释液是偏碱性的，最有意思的是蛋黄和蛋清只是隔着卵黄膜，蛋黄稀释液却是偏酸性的，二者稀释液的pH 差别还比较大，学生很疑惑，为什么会有如此大的差异？笔者并没有给学生明确的答案，而是就此现象引导学生课下通过查阅资料解决疑惑，从而培养学生查找信息、处理信息的能力。课后学生反馈的结果是由于蛋黄中不饱和脂肪酸含量较高，蛋清中含碱性基团的蛋白质较多，所以稀释液呈现出不同的pH。由此看来，即使是一个简单的实验现象，只要去认真地观察和思考，也会发现有很多需要解决的问题。同时借助于这个过程让学生通过自主学习获取知识，突破实验中生搬硬套的“模拟学习”，教学效果要好很多。其实这个实验现象给学生带来的困惑并不止于此，学生依然对这种成分的差异很疑惑，这种现象对小鸡的发育会有什么影响？这实际上又是一个新的研究课题。通过这样的“悬疑”，进一步激发了学生探究的动力。

2.2 不同生物材料稀释液的缓冲能力不同

从图3、图4 中，可以看到西红柿稀释液的缓冲能力较强，蛋黄稀释液的缓冲能力是最弱的，为什么会有这样的现象？学生讨论后给出了较为合理的解释：小鸡的发育过程中物质的变化相对较小，而西红柿由小长大、由绿变红的发育和成熟过程中物质变化较大，对缓冲能力的要求较高。实验不是终止于实验结果，更重要的是去激发学生更多的思考和探索。通过这样的过程，不仅培养了学生尊重客观事实的科学精神，更让学生学会了如何科学合理地处理实验中问题的科学思路。

图3 不同生物材料加入HCl 后pH 的变化

图4 不同生物材料加入NaOH 后pH 的变化

三、透析实验中的生活现象，培养健康的生命观

pH 传感器可以呈现溶液在加入酸或碱后pH 的动态变化，图5 是蛋黄稀释液与西红柿稀释液在加入酸或碱后pH 动态变化的曲线。通过这样的动态变化能更直观地比较这两种材料的缓冲能力。它们的共性是在加入过量的酸或碱后，pH 都会发生明显的变化，这说明生物材料的缓冲能力是有限的。笔者引导学生联想到，若这种现象发生在人体内，可能会引发一些疾病。所以在实验操作结束后，学生对实验结果有了直观体验的基础上，笔者引入“呼吸性碱中毒”（由于肺过度通气导致血液中CO2减少、pH 升高导致的疾病）的病例。通过视频展示了呼吸性碱中毒的症状以及解决办法，即通过用塑料袋或纸袋罩住患者口鼻，使呼出的CO2重新吸入来减轻症状。通过这样的学习历程，不仅让学生明白酸碱失衡对机体健康的影响，同时也获取了相应的医学常识，进而培养了学生正确对待健康和生活的生命观。

图5 蛋黄与西红柿稀释液缓冲能力动态曲线截图

四、建构概念模型，梳理知识脉络

基于实验中对生物材料维持pH相对稳定的直观体验，笔者在实验后进行了课题延伸。让学生借助于实验并结合教材的内容，构建内环境稳态的概念模型。通过这一项教学活动，将内环境中比较琐碎的知识系统化，重新整合知识并建立知识之间的联系，形成知识网络，让学生从整体上系统地把握了内环境稳态的相关知识。图6 是学生构建的概念模型。

五、反思教学过程，切合高考命题

1.pH 传感器的实验现象较为直观，效果更好；而且也能够明显缩短实验时间。

2.通过给出实验目的，让学生自主设计、分析实验，并通过实际操作检验实验方案的可行性，从而明确实际设计应该注意的问题和遵循的原则。生物是一门实验性学科，日常教学中教师不仅要教会学生如何分析实验、对错误的实验进行修正，还要让学生学会通过设计实验来达到实验的目的。这一点在高考中也有所体现，例如从2019 年全国卷中都有涉及对实验思路设计的考查，尤其是全国卷Ⅰ第29 题第3 问，需要用较长的语言描述实验思路。期望通过这样的教学模式提升学生这方面的能力。

3.通过实验设计层层深入，从现象到本质引导学生构建模型。利用模型构建简化原有知识，建立知识之间新的结构和联系。让学生对知识有了更系统的把握，同时也培养了他们的逻辑思维能力。

4.通过对稳态失衡相关疾病的引入，丰富了学生的生活常识，也让学生学有所用，通过所学的知识解释相关的生活现象。

实验可以人为地变革、控制或模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现，从而去认识自然现象、自然性质、自然规律。模型法是以建立模型来揭示原形的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法中的一种特有形式。本实验设计通过实验过程为理论教学提供事实支撑，进而构建概念模型，从现象到本质地获取知识，符合学生的认知规律，让学生对知识的把握更准确、牢固。通过模型的应用，使学生思维活动的条理性和针对性更强，二者相辅相成，相得益彰，使教学更有成效。实验教学过程中，将生物学科核心素养潜移默化于教学之中，跳出传统的以“教”和“模拟”为主的实验教学模式，让学生的科学探究、科学思维及健康的生命观念都得到了有效的培养和提升。