以实验 促思维

徐丹丹 闫孟宸 顾涛

摘   要：本文以“动物细胞培养”为例，通过让学生讨论明确实验目的、设计实验方案，亲历“动物细胞培养的实验探究”的过程，对实验数据统计分析并得出一般规律，学习生物知识的同时指导健康的生活。阐述如何在高中生物实验教学中培养学生的科学思维。

关键词：动物细胞培养;科学探究;科学思维

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，它具有与其他自然科学相同的性质。学习生物学既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法[ 1 ]。因此，本课题旨在通过讨论明确实验目的、设计实验方案，亲历“动物细胞培养的实验探究”的过程，对实验数据统计分析并得出一般规律，学习生物知识的同时指导健康的生活，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度。

1  高中细胞生物学内容分析

生命观念是生物学核心概念的呈现方式，是贯穿本学科不同内容的主线，也是高中生可以学习和能够理解的学习内容。学生对生命观念的建立要以概念性知识的教学为基础[ 2 ]。《普通高中生物学课程标准》（2017版）中与细胞生物学相关的大概念主要出现在两个模块。一是必修1《分子与细胞》中：细胞是生物体结构和生命活动的基本单位;细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖[ 1 ];二是选择性必修3《生物技术与工程》中细胞工程通过细胞水平上的操作，获得有用的生物体或产品[ 1 ]。前者为基础知识内容，帮助学生形成结构与功能、物质与能量、稳态与平衡的生命观念;后者既是对必修内容的扩展和应用，又是对生物技术和工程的认识和理解。

“动物细胞培养”一节内容是动物细胞工程中的基础技术。通过本节内容的学习，学生需要领会“动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程”这一重要概念。为了让学生能够深刻理解和应用这一重要的生物学概念，本节内容的学习应该结合实验教学，结合理论知识培养学生独立操作的能力，进一步加强对理论知识的理解，从而发展学生的生物学科核心素养。

2  基于动物细胞培养技术的实验教学

生物学科核心素养的形成需要教师给学生创造思考的情境和氛围，实验教学可以充分调动学生的学习激情，引导学生针对某一真实情境的问题进行积极的思考，在解决某一问题的过程中逐步提高学生的科学探究能力，尝试提出多种解决问题的方法，不禁锢学生的思维，形成科学思维。

但是由于中学实验仪器和教学时间的限制，相关实验教师常以讲解实验和观看视频进行教学。本课题组与大学实验室合作，在让学生体验动物细胞培养技术的基础上，加入相关实验变量调整，提升学生科学探究水平。

2.1  从生活出发，确定研究问题

癌症风险是目前人类发展和健康的主要障碍，如何科学有效地治疗癌症，哪些物质可以抑制癌细胞的繁殖，效果如何等问题成为同学们讨论后一致认为比较关注的问题。随后根据实验室条件，确定实验材料为人肺癌A549细胞株。

学生进一步讨论并查阅资料，发现良好的生活习惯和饮食习惯是预防癌症发生有效方法之一。结合实际的实验条件，最终确定实验问题：探究不同浓度的阿司匹林和维生素C对人肺癌A549细胞株繁殖的抑制效果。在集体激烈的讨论过程中，学生需要考虑实验的变量、实验的科学性、可行性甚至已经在思考具体的实验方案。教师的“放手”留给学生更多的空白，也留给学生更多的创造性，这一过程比任何言语都更有教育的意义。

2.2  制定实验方案

实验方案的制订需要考虑到实验操作的可行性、科学性、对照实验以及平行、重复等原则。在老师的指导下，小组成员通过阅读相关的文献和书籍资料，确定合适的药物浓度。通过空白对照排除实验中包括培养液等无关变量对细胞数目的影响。實验数据的收集方案，学生利用教材中的知识，用台盼蓝染色后再计数以排除死细胞的干扰。

制订合理可行的实验方案是实验能否顺利开始的关键。“实验员”们利用集体的智慧，充分利用课堂中所学习的实验原理，“七嘴八舌”的讨论过程比教师任何的语言都更有力量。最终确定的实验方案如下：

复苏细胞后，培养细胞增殖到一定的数量后消化。接种至96孔板，加不同浓度维C（实验组6组+空白对照2组）和阿司匹林（实验组6组+空白对照2组），每组平行重复。

维生素C组的浓度分别为0.1 mg/ml、0.4 mg/ml、0.8 mg/ml、1.2 mg/ml、1.6 mg/ml、2 mg/ml、4 mg/ml。阿司匹林组的浓度分别为1 mmol/l、4 mmol/l、6 mmol/l、8 mmol/l、10 mmol/l、12 mmol/l。对照组1加入培养液和等量的细胞，不加任何药物。对照组2仅加入细胞培养液，不接种细胞，不加入任何药物。每组实验均设置五个平行对照组。每24小时观察一次各组细胞的生长状况，并取样染色后计数。

2.3  实验方案的实施与优化

实施实验方案的过程中，小组成员针对遇到的新问题，不断优化和细化实验设计方案。例如阿司匹林药物用量非常少，在称量时误差较大，而且不容易完全溶解于水中。学生通过去药店咨询后换成阿司匹林泡腾片，并且增加配置的总液体体积，解决了由于称量药物过少而带来的误差。

在不断的发现新问题，解决新问题的过程中，学生的科学思维不断完善，对于科学探究实验的过程也有体验性、思考性的理解。培养了学生的创新能力、实验操作能力、理论与实践相结合能力。

2.4  实验数据的处理

通过实际的实验需求和统计的数据类型，学生设计了用于实验中细胞数目统计见表1。对实验数据的收集以及实验结果的处理也是科学探究中重要组成，学生通过收集实验数据，处理实验数据，通过实验数据的处理初步得出实验结果的过程中锻炼了学生的思维能力，归纳与分析能力。在实验实施的过程中，学生不仅仅理解掌握了动物细胞培养的基本操作，他们的思维也发生了递进式的体验，将已有的静态知识活化为具体操作过程中的应用，逐步解决问题。

3  教学反思

从真实的科学问题出发，让学生亲历实验的过程，有求知、有思考、有讨论、有操作、有总结、有收获。让学生能够在真实的问题情境中设计实验、实验操作、数据处理以及解决实验过程遇到的各种“意外”。但介于本实验的涉及到的实验数据处理比较复杂，学生的能力发展并没有到达真正进行科学实验数据处理的水平，在最终实验数据处理的科学性和有限性等方面还需要继续优化。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通髙中生物学课程标准：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 刘恩山. 生命观念是生物学学科核心素养的标志[J]. 生物学通报， 2018， 53（1）：18-20.