基于科学探究素养的高中生物学创新实验的教学设计——以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”一课为例

广东 张 莹

高中生物学以提高学生学科核心素养为宗旨，高度关注学生学习过程中的实践经历，强调学生学习的过程。实验课堂具有高度可行性和科学实践性，是促进学生学科核心素养形成和发展的关键途径之一。本文以2019 年人教版高中生物学教材必修1“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验课为例，以学生为课堂主人翁，重构实验课堂，调动学生的科学探究主观能动性，开发学生的潜在能力，达成对实验教学目标和价值的实践与思考。

1.教学内容分析

1.1 教材分析

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是学习细胞呼吸规律、过程和应用之前的一个探究性实验，是本章的重点内容，是培养学生科学思维和科学探究能力的优秀课题之一，同时也是学生学习选择性必修3“发酵工程”的基础。

教材设置了对比实验分析酵母菌细胞呼吸的规律，但在实际实施过程中学生的疑问让老师面露难色，例如无法判断无氧装置中氧气的含量、无法保证课堂教学设计的连贯性以及如何降低实验误差等问题。为此，需要教师在提供学习资料、优化实验装置和增强实验科学性、可行性的前提下，引导学生在教材实验基础上循序渐进地开展新课题，并以此驱动学生对生物现象和规律的好奇心，使学生学会利用科学知识解决生活实践中的实际问题，发展学生的科学思维，提升学生的科学探究能力，培养学生勇于创新的科学精神。

1.2 学情分析

通过对必修1《分子与细胞》前几章的学习，学生在相关生活经验的基础上，完善了已有的知识框架。实验分析和实验设计一直是学生的薄弱项，却是高考重点考核的内容。本节课需要学生有较高的科学思维和科学探究能力，实验过程中，教师对学生进行安全教育的同时要规范学生操作。为解决课时紧张、设计方案不完善等问题，教师应引导学生通过小组合作的方式对实验装置、因变量检测等方面进行调整和完善，然后分享、互评并提出新的问题，从而促进学生达成科学探究素养的素质教育目标。

1.3 教学目标

课堂教学最终效果主要取决于教学目标的价值取向，要落实对学生学科核心素养的培养，就要求教师在设计课堂教学目标时，除充分考虑基础知识和技能外，还要精准定位学科核心素养的培养目标，这样才能保持教学不偏离航道。

1.3.1 知识与技能

通过学习，学生能概述有氧呼吸和无氧呼吸的概念及过程。（生命观念）

通过学习，学生能从身边资料中获取信息，尝试解释生物学现象；学生能独立完成和评价教材基础实验，对生物学问题进行初步探究。（科学思维、科学探究）

1.3.2 过程与方法

通过小组合作探究学习，学生能掌握细胞呼吸过程、分析和完善实验方案，以此培养学生的团结意识和解决问题的能力。

1.3.3 情感态度与价值观

通过分组实验探究，学生能体验团结协作带来的愉悦并形成正确、严谨的科学观。

通过学习细胞呼吸原理的应用，学生的目光关注到生产、生活中的实际问题，增强了学生的民族自豪感。（社会责任）

2.教学过程展示

2.1 情境创设，设置问题串，夯实基础，激发学习热情

教师播放“我国葡萄酒历史”和“生活中馒头制作过程”，引入酵母菌细胞的呼吸方式，学生观看视频并思考问题：①酿酒的条件是什么？②发面的条件是什么？为什么面团会变得蓬松？③为什么馒头没有酒味？这说明酵母菌细胞的代谢方式有什么特点？④请说出探究酵母菌细胞在不同条件下的呼吸产物实验的实验思路。

问题①②③是引导学生联系生活经验与课本基础知识；问题④是让学生明确实验原理和实验过程，为后面的实验设计和实验改进做铺垫。（生命观念、科学思维）

设计意图：让实验更贴近生活，有利于提高学生的兴趣，增强学生对祖国的归属感和责任感。（社会责任）

2.2 立足“观察现象—提出问题—做出假设—实验验证”的科学方法，体验探究乐趣

教师接着提出问题⑤你认为本实验有哪些不妥之处？能否想办法改进？

首先，学生观察实验材料不难发现市面上包装好的酵母菌处于休眠状态导致实验时间过长，根据教师提供的教学资料，可用活化后的干酵母复水代替教材中使用的不易保存的、活性较低的新鲜酵母，从而提高教学效率。（酵母菌活化方法：以干酵母∶5%葡萄糖溶液＝1∶20 的比例配制酵母菌活化液，40℃恒温水浴20min，将酵母菌液和葡萄糖溶液以2∶1 的体积比混合。）

关于难以控制自变量以及无法对实验结果进行定量分析的问题，学生可以通过小组合作的方式利用注射器改造实验装置，而后对装置进行分组、展示、互评。例如，有氧呼吸组利用FeCl3催化H2O2分解制备O2，既可以为酵母菌细胞呼吸提供充足O2，又省去了设计除CO2的实验装置（图1）；无氧呼吸组利用针筒和三通阀保证无氧环境，在解决课时紧张、设备复杂问题的同时，定量分析实验结果，使实验评价更直观、准确（图2）。

图1 有氧条件下探究酵母菌呼吸方式实验装置

图2 无氧条件下探究酵母菌呼吸方式实验装置

教师引导学生结合渗透作用原理分析影响酵母菌细胞呼吸速率的因素：①培养液中葡萄糖的作用是什么？②如何防止酵母菌细胞过度失水影响生命活动？并以此开展探究课题——探究葡萄糖溶液的最适浓度。

在细胞呼吸产物检测的过程中，学生对比两组实验组发现培养液均使酸性条件下的重铬酸钾溶液由橙色变为灰绿色。教师可先引导学生进行知识迁移：①这个氧化还原反应中，酒精充当了什么？②出现灰绿色就直接证明溶液中含有酒精吗？因此可利用蒸馏法分离酒精，再利用酒精检测仪进行检测（图3），既保证实验结果的准确性，又可读取酒精的含量，做到定性检测与定量检测协调统一。同理，检测CO2可利用CO2检测仪（图4）。

图3 利用酒精检测仪定量检测

图4 利用CO2 检测仪定量检测

设计意图：以问题作为引导，分析材料获取信息，把学生置于实验探究当中，学生通过自主思考和合作探究的方式学习隐含在问题背后的科学规律，体验科学探究的乐趣，把握科学本质，领会学科核心素养内涵，养成勇于创新的科学精神。

2.3 注重课堂生成，增强“提出问题”的能力

教师整理学生在课堂探究过程中的疑惑并组织学生思考：①溴麝香草酚蓝水溶液遇自来水变绿色的原因是什么？②血糖检测仪检测酵母菌培养液中葡萄糖含量时，为什么显示数据异常？③关于提高酵母菌细胞呼吸速率，还可以开展什么研究课题？

设计意图：余文森教授说过，“预设与生成既有对立性，也有统一性，课堂教学既需要预设，也需要生成。预设与生成是课堂教学的两翼。”教师在解决实验过程中问题的同时，在本节课的基础上再提出新问题，并合理引导、利用学生思维的闪光点，从“接受学习”模式转换为“发现学习”模式，发展学生的批判性思维和创造性思维。

3.教学体会反思

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》中提出，探究学习是落实学科核心素养的关键。生物学作为一门研究自然规律的学科，具有自身独特的研究思维和魅力，为了使课堂和教育目的更科学、更丰满，使之具有更好的育人价值，教师必须转变教学观念，针对类似于“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验课重点落实对学生科学思维和科学探究素养的培养，为学生科学概念的形成提供事实证据。根据学生实际情况，批判性选择或者改编教材，整合多种教学资源和教学内容，优化教学设计，是创新课堂的核心环节。本节课从中国葡萄酒的酿制历史、生活中的馒头制作过程等情境出发，升华实验教学目标，培养了学生的社会责任。引导学生对教材实验进行改进，解决了装置连接较复杂、实验耗时太长（“让空气间歇性地依次通过3 个锥形瓶”“将实验装置放到25～35℃的环境中培养8～10h”等）、自变量控制不严格和酒精检测存在不合理性等问题，使学生更直观、更科学地体验了实验过程。学生通过观察实验结果、收集实验证据（利用酒精检测仪、血糖仪、CO2检测仪等及时反馈和互动评价），使实验评价更可信，并及时修正了原有的认知错误或者实验失误，最终自主形成知识建构。学生在微观视角理解细胞呼吸规律，拓宽了对生命结构与功能、物质与能量的认识，逐渐促进了生命观念的形成。

课后教师还可根据学生的兴趣开展子课题（“探究酵母菌培养液与葡萄糖溶液的最适体积比”“探究复水活化时间对干酵母活性的影响”等），突破传统边界，重设课堂教学时空，创造科学探究的学习氛围和学习机会，主动开拓课程资源，让学生将生物科学与社会文明发展密切结合，使学科核心素养在实验课堂中循序渐进地形成，为学生职业发展的规划和学习动力的形成助力。