浅谈开展课外实验对学生科学思维与实验探究能力的培养——以“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”为例

云南

随着《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》对学生科学思维与实验探究能力的要求越来越高，笔者以学生开展的课外生物实验“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”为例，详细介绍了在实验设计、实验操作、实验结果分析与评价三大环节中培养学生的科学思维与实验探究能力的过程，以期提升学生的学科核心素养。

1.开展课外生物实验的背景

随着新课程的改革，近年来人们逐渐认识到实验教学在高中生物教学中，尤其是在落实学科核心素养中发挥着极其重要的作用，各学校都在大力支持、推进开展实验教学的相关课程，然而因课堂教学时间有限，为突破时间、空间限制，有必要将实验教学从课堂延伸到课外。在课外实验教学中，教师只需发挥引导作用，更多的是小组学生合作探究学习。江西省的陈金喜老师在文章中提出通过高中生物实验的课外活动，能有效提高学生观察和动手实践等能力，培养学生的创造性思维。“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”是人教版高中生物教材选修1 中的实验，鉴于本实验存在实验周期长、实验操作难度大等问题，所以笔者将本实验教学安排为在教师的引导下到课外去开展的形式，参加成员为学校生物研究社的学生。通过实践证明，在开展课外实验的过程中，每一个环节都能很好地培养学生的科学思维与实验探究能力。

2.科学思维与实验探究能力培养的过程

2.1 通过实验设计培养学生的科学思维和实验探究能力

在正式开展实验之前，学生首先要进行实验设计，包括要了解需要用到的实验器材和实验方法。学生需要到实验室去核查有无相应的实验器材，若有则需查阅仪器的使用方法以及化学试剂的配制方法；若无相应器材则需购买或者改变实验方法采用其他器材代替。在设计实验方法的过程中，关于土壤的取样、选择培养基的设计、稀释涂布平板操作中稀释倍数的确定、统计平板上菌落数目的方法等诸多问题都引起了小组同学的激烈讨论，之后他们就去查阅课本和资料，请老师指导，最终完成预实验方案设计。在这个环节中，小组成员间实现了科学思维的碰撞，同时也提升了学生作答实验探究类题目的能力。

2.2 通过实验操作培养学生的科学思维和实验探究能力

学生在按照预实验设计方案开展实验的过程中，实验进展可能不太顺利，导致实验结果不是自己所预期的。比如把稀释涂布平板操作中的稀释倍数确定为104、105、106，结果所有选择培养基平板上的菌落数均小于30，不符合进行下一步计数分离尿素的细菌实验的条件。再比如用酚酞代替酚红进行脲酶鉴定，结果没有出现指示剂变红的现象。在实验失败后，小组同学分析了实验失败的原因，明确问题所在，并及时调整实验方案再次尝试。如“平板上菌落数均小于30”的问题，学生经仔细阅读课本后才发现“测定土壤中细菌的总数一般选用104、105、106倍稀释梯度的稀释液，而测定土壤中某类特定的细菌，因土壤样品的差异性，在第一次做分离细菌实验时为得到菌落数在30～300 的平板，最好将稀释倍数放宽一些”，于是学生把实验方案调整为“分别将103～107倍5 个稀释梯度的稀释液涂布至平板上，在35℃下培养48 h 进行观察统计”，实验结果显示，在103倍的稀释梯度下可得到符合要求的平板（菌落数为90 左右）。再比如“指示剂未变红”的问题，学生经查阅资料发现酚酞的变色范围是pH在8.2～10.0，而酚红的变色范围是pH 在6.8～8.0，即酚红在低pH 下会变为红色，而且反应灵敏，因此不能用酚酞代替酚红用于脲酶鉴定，学生后来又重新购买酚红再次尝试，实验获得成功。在实验操作的过程中，一方面培养了学生仔细研读课本、科研资料的好习惯；另一方面在发现问题和解决问题的过程中发展了学生的科学思维和实验探究能力，使他们养成实事求是、思维缜密的科研好习惯。

2.3 通过实验结果分析与评价培养学生的科学思维和实验探究能力

学生在对实验结果进行分析与评价时，发现了实验中存在一些不严谨的地方，导致实验结果不太可靠，于是他们对实验进行完善补充。比如在观察、记录选择培养基平板上菌落的特征时，学生发现有菌落连到一起的现象，于是他们提出了2 个问题：（1）一个菌落有没有可能是由多种细菌融合形成的？（2）形状、大小、颜色等相似的菌落有没有可能是由不同类型的菌种形成的？在思考讨论之后，学生认为不能利用初筛的平板来记录菌落的特征，要对初筛的菌落进行进一步的分离纯化，而且要进行细胞水平的显微镜观察，最后再记录菌落的特征。再比如在对分解尿素的细菌进行计数时，有的学生提出“在以尿素为唯一氮源的选择培养基上长出的细菌不一定能分解尿素，有可能是它离能分解尿素的细菌距离很近，可以直接利用尿素分解完的产物，因此有必要进行进一步的鉴定，鉴定呈阳性菌后再进行计数”。针对“记录菌落特征”的问题，学生将选择培养基上不同特征的菌落采用平板划线法分别接种到新的选择培养基上，35℃下培养48 h，并进行革兰氏染色，之后在1 000 倍的油镜下显微观察，结果如图所示：A 型菌落白色、球形、凸起、边缘整齐、湿润，革兰氏染色为紫色、细胞呈球状；B 型菌落黄色、球形、凸起、边缘整齐、湿润，革兰氏染色为紫色、细胞呈杆状；C 型菌落白色、扁平、边缘不规则、干燥，革兰氏染色为红色、细胞呈球状。

选择培养基上的菌落形态及革兰氏染色显微图

针对“分解尿素的细菌鉴定”的问题，课本上只是很简单地介绍了原理和方法，没有具体的操作步骤，学生采用类比推理的研究方法，参照选修1课本上的“分离纤维素分解菌”的实验对“酚红加入的时间”和“固、液培养基鉴定比较”2 个问题展开了深入探究。针对“酚红加入的时间”，他们设计了“在培养基灭菌之前加入酚红”“在培养基灭菌之后分解尿素的细菌长出之前加入酚红”“在分解尿素的细菌长出之后加入酚红”3 个实验组进行对比，对A 型菌进行了探究，结果显示只有在灭菌之后加入酚红指示剂才会变成红色，且无论在分解尿素的细菌长出之前或之后加入显色效果均很明显。学生又利用孟德尔的“由少到多、由简单到复杂”的研究方法，鉴定了B 型菌和C 型菌，结果与A 型菌相同。基于“脲酶属于胞外酶”这一推测，依据假说-演绎的研究思路，学生首先提出假设：液体培养基鉴定比固体培养基鉴定效果更好。接下来他们在分解尿素的细菌长出之前和之后分别加入酚红指示剂，用量为每200 mL 的培养基加入5 mL 2 g/L 的酚红指示剂，首先挑取A 型菌接种到试管液体培养基中，在35℃、100 rpm 的条件下进行培养，结果在培养20 h 左右，酚红指示剂均变成红色，且效果很明显。学生又用同样的方法鉴定了B 型菌和C 型菌，均在培养20 h 左右出现明显的红色，均证明菌落为脲酶阳性菌，与固体培养基鉴定结果一致，最终通过实验验证了学生的假设“液体培养基鉴定效果更好”是正确的。在这一环节中培养了学生严谨的科学研究习惯，把他们的科学思维向更深的层次进行了拓展和延伸，通过“脲酶液体鉴定”这一改良实验，让学生学会运用所学知识来创新性地解决当前所遇到的实际问题，真正有效地培养了他们的实验探究能力。

教师在引导学生分析“选择培养基是否起到筛选作用和实验所用培养基是否灭菌合格”这些问题时，要让学生去观察比较“选择培养基”“牛肉膏蛋白胨培养基”“不接种的空白培养基”的菌落生长情况，学生会发现选择培养基上的菌落数远小于牛肉膏蛋白胨培养基上的菌落数，而空白培养基上没有菌落生长，由此得出结论：选择培养基的确起到筛选的作用且培养基是灭菌合格的。之后教师再来强调实验设计中要遵循“对照原则”“平行重复原则”“单一变量原则”等实验设计原则的意义。并让学生反思在他们的实验设计中有没有必要遵循这些原则，若有必要，该实验设计是否遵循了这些原则。通过这一环节有效地培养了学生对实验设计遵循原则的理解和认可。

3.总结与展望

在本节课外生物实验中，学生参与了整个课题研究过程，包括实验设计、实验操作、实验结果分析与评价，使学生熟练地掌握了微生物实验的一般研究思路方法和常用技术手段，极大地提高了学生微生物实验操作的能力，同时通过理论和实践相结合，教会了学生在发现问题后要学会查阅资料、讨论交流，然后对实验方案进行完善，让学生在实验中理解科学方法的本质，加深对实验探究和科学思维的体验，让课外生物实验成为最能帮助学生培养科学思维和实验探究能力的载体，让其发挥提升学生学科核心素养的作用。本课题的研究并不仅局限于上文中提到的内容，对于学有余力的同学，可以进一步去探究如何设计实验来比较各种分解尿素的细菌的分解能力。通过进一步地思考与探究，相信学生科学思维和实验探究能力会得到更大的提高。