高中生物学实验创新设计研究*

孙涛 杨子江 陶 慧

（1.邯郸市第一中学 河北邯郸 056006；2.邯郸市教育科学研究所 河北邯郸 056002）

鉴于课时、材料器具、课程理念陈旧等方面的原因，很多学校的生物学实验课程经历了“讲实验、听实验、背实验”到“照方抓药”做实验的历程。生物学新课标课程理念的深化落实和新高考实施方案的落地必将使以上实验教学模式成为历史。怎样设计开展生物实验教学才能把学科核心素养落到实处呢？笔者结合自己的课题研究、教学实践经验和反思，谈谈自己的看法。

一、生物学实验创新设计的策略

1.探究多种实验材料对实验结果的影响

实验材料的适宜与否直接关乎实验的成败，在实验中通过增加实验材料的选择范围，让学生明白“好的选材是成功的一半”。

例如,在还原糖的鉴定实验中，增加甘蔗汁和西瓜汁，让学生亲历这两种选材都无法鉴定出还原糖，通过这次“失败”来反思原因，进而得出甘蔗主要富含非还原糖——蔗糖，西瓜汁颜色鲜红，无法看清实验结果是否出现砖红色沉淀,进而让学生理解斐林试剂只能鉴定还原糖，选择实验材料时应考虑其是否有利于实验结果的观测。

2.探究不同试剂对实验效果的影响

实验试剂的选择也是一门学问，实验过程中可以增加实验试剂的种类，锻炼学生选择试剂的能力。

如在光合色素的提取实验中为什么提取试剂用无水乙醇？为什么蒸馏水不行呢？正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，这些问题教师不要直接灌输给学生，而是把两种试剂都准备好，让他们自行选择，亲自试验，然后自主分析原因，构建出光合色素易溶于有机溶剂，不溶于水的概念。

3.探究优化实验材料处理的方法

实验材料经过科学处理才能更好地满足实验要求，达到良好的实验效果。开展“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”时，按照课本中的实验材料处理方法，处理后的洋葱生根数量差异很大，有的洋葱生根较多，有的却生根很少，每组培养1个洋葱，根的数量不能保证本组同学正常开展实验，导致需要增加实验材料的投入。怎样增加洋葱生根的数量呢？课题组发现了“机械损伤法”，其具体操作是用剪刀剪去老根后，再适当减掉薄薄一层的鳞茎盘，注意不可减掉太厚，然后按教材提示方法进行常规培养，对照实验证明本方法培养的洋葱生根多、效果好且能明显缩短生根所需时间，方便易操作且效果稳定。

4.创新设计实验教具提升实验效果

工欲善其事必先利其器，改进或创新设计教具是提升生物学实验效果的主要方式之一。在实验教学中，以开发或创新设计实验教具为主题，推进项目式学习，可以提高学生的交流合作意识和创新能力。

在探究“影响酶活性的条件”时，生物学教材中列出了开展定性实验的提示，在后面又提出可以进行定量实验，但教材中并没有给出进行定量实验的相关器材。毫无疑问,定量实验优于定性实验，但难度大，要求高。教师可结合学情提供适合的脚手架，辅助学生研发定量测定酶活性的教具，为定量实验开创条件。

5.创新改进实验方法步骤

俗话说,条条大路通罗马。为了使实验程序更加简化、现象更加明显，教师要注重改进和创新实验方法步骤。在光合色素的提取过程中，教材给出的是研磨后加无水乙醇提取光合色素，程序较复杂，耗时比较长。怎样简化呢？通过生物科学史中萨克斯证明光合作用的产物是淀粉的实验，我们得到启发，可以用水浴锅加热无水乙醇萃取光合色素，提高了色素提取的效果。

再如，用纸层析法分离色素时，如何把滤液细线画的匀、细、直、浓呢？笔者启发学生展开想象，进行小组讨论，开展头脑风暴，提出了“玻片印章法”“钢笔画线法”“棉线打线法”等优秀创意。还有小组提出了“直尺压叶片法”，即直接把滤纸条放在叶片下，用直尺在需要画滤液细线处按压，重复几次，可以直接把色素转移到滤纸条上，免除了色素提取的步骤，大大节约了时间、实验器材和试剂，实验效果颇佳。

6.增设开放的探究性实验

我们知道，不下水永远不可能学会游泳，因此教师要增设开放的探究性实验以为学生提供足够的磨炼。教师可以通过化讲授为探究，即将需要讲授的概念转化为探究课题，让学生在完全未知的情境中去探究，然后经过探究获取新概念。比如，关于底物浓度对酶催化的化学反应速率的影响，很多教师是通过讲授法开展教学的。更好的做法是把这个知识点转化为探究性课题，让学生开展定量的探究性实验，配置一系列浓度梯度的底物浓度，其它条件相同且适宜，测定各底物浓度下的酶促反应速率，让学生依据得到的数据画出底物浓度对酶促反应速率的坐标曲线图。巧妙的创新设计夯实了学生的探究能力，树立了构建数学模型的思想，开阔了解决问题的思路，落实了生物学科核心素养。

二、“芝麻开花节节高”的生物学实验教学模式

节节高的教学模式将课本中的一个实验一分为三。分成具有递进上升关系的三个层次的分层实验来开展教学。第一层次为基础实验，即教材中的原始实验，目标是达到本实验的基本要求，掌握基本的材料选择、实验原理、操作技能、实验结果分析等；第二层次为提高实验，即针对基础实验过程中发现的问题，对基础实验进行创新和优化，以简化实验程序，缩短实验时间，提升实验效果；第三层次为开放的探究性实验，把要求学生阐述和理解的生物学概念转化为探究课题，或让学生自主提出感兴趣的探究课题。学生如实记录和分析实验结果，得出实验结论，自主生成生物学概念，最终形成生命观念，提升思维能力，培养探究兴趣。此外，教师要注意时间安排，可将课上、课下相结合。

三、“比较H2O2在不同条件下的分解”的实验创新设计案例

1.教材分析

“比较H2O2在不同条件下的分解”来自于2019年人教版必修1《分子与细胞》第5.1节“细胞的能量供应与利用”。整个高中阶段以本实验为例明确指出自变量、因变量、无关变量、对照实验的概念，为学生搭建了实验理论的基本框架，是后续各实验的基础。

2.教学目标

（1）通过定性及定量的探究催化剂的种类与反应速率的关系，建立酶具有高效性的概念，落实物质与能量、结构与功能的生命观念。

（2）通过创设投弹手甲虫的情景，让学生亲历提出问题、设计实验方案、控制自变量和无关变量，检测因变量，实施实验、记录分析数据并展示交流，熟悉科学探究的程序。

（3）通过将定性观察上升为定量分析，运用具体的实验数据建立数学模型，阐释和论证酶的高效性，促进思维能力的进阶。

（4）通过搜集资料、讨论等说出酶的创新应用的新设想。尝试用酶解决人们身边的疑难问题，造福人类、服务社会。

3.教学过程

（1）情境导入

观看视频，回答问题，导入新课。视频内容：投弹手甲虫体内有两个分开的腺体，一个腺体中储存着H2O2和对苯二酚，这两种化学物质在大部分时间里不发生反应。当其遇到危险时会将两个腺体中的物质发生混合，对苯二酚被迅速氧化产生剧烈的爆炸反应。投弹手甲虫体内每秒钟大约发生500次爆炸。

问题：投弹手甲虫的另一个腺体内储存着什么物质？酶的催化效率高吗？和无机催化剂相比呢？

师生小结：投弹手甲虫体内另一个腺体内储存着H2O2酶，酶的存活效率很高。酶和无机催化剂催化效率的高低需要通过探究实验才能找到答案。

设计意图：激发探究欲望，引出本节课的主题。

（2）开展实验

学生根据已给出的材料和学案分组讨论，设计实验方案，每小组选出一名代表进行组间交流，达成一致后，教师给予评价和补充。

①基础实验

教材中的实验是学生必须掌握的，也是开展实验改进的基础。教材实验分为四组，每组滴加等量的2mlH2O2溶液，第2组试管放在90℃左右的水浴中加热，第3组、4组试管中再分别滴加2滴FeCl3溶液和2滴新鲜的肝脏研磨液，观察各组气泡产生的多少与快慢程度。然后将两支带火星的卫生香分别放入3组和4组试管内，观察其能否复燃。学生在基础实验操作时面对的失败或挑战有：卫生香有时不仅不复燃，反而熄灭了？实验只能做定性观察吗？能否定量比较它们催化效率高低差异的程度呢？为解决问题，对实验进行创新改进。

②提高实验

使用自制教具——酶的高效性实验演示仪开展定量实验探究[1]。教师出示酶的高效性实验演示仪的零部件：锥形瓶、三通旋塞、双孔橡胶塞、大注射器、小注射器等，让学生完成组装,并讨论其使用方法。是否给出相关提示，可以依据学生的反应情况而定。相关提示以问题串的形式提出：如何加入反应物？如何加入催化剂？加入哪种催化剂？如何收集所产生的气体？如何检测所产生的气体？如何观察卫生香的复燃现象？学生思考和交流后得出仪器使用方法：安装教具；在5ml注射器中加入一定量的H2O2溶液；在锥形瓶中加入一定量的肝脏研磨液；转动三通旋塞，连通反应瓶和大注射器，产生的气体会进入100ml注射器中；反应结束后转动三通旋塞，连通大注射器和玻璃管出口，在玻璃管出口放置带火星的卫生香，观察复燃现象。学生开始进行实验操作，记录反应时间和收集到的氧气体积。本装置收集到的气体不含水汽形成的气泡，避免了水汽泡沫导致卫生香熄灭，卫生香的复燃现象也更加明显。学生可依据一定时间段内收集O2的体积，计算出酶促反应的速率，将定性实验提升为定量实验。

学生通过自主研究讨论自制教具使用方法的活动，亲历处理问题的挑战与磨练，提升了动手操作能力。

随后启发引导学生发现问题：无机催化剂中FeCl3的催化效率最高吗？还有其它无机催化剂也能催化H202分解吗？教材实验中肝脏研磨液中H202酶的分子数是多少？本实验实验没有严格遵循哪一实验原则？为解决以上问题，学生进入开放的探究性实验阶段。

③开放的探究性实验

学生查阅文献资料后提出：用化学试剂H2O2酶替代肝脏研磨液。因为化学试剂H2O2酶的分子数可计算，可以使本实验遵循等量对照原则。学生经查阅资料发现无机催化剂MnO2、FeCl3和KI都可以催化H202分解，通过将等物质的量的MnO2、FeCl3和KI加入到等量的H2O2溶液中，观察现象，发现MnO2的催化效率最高。最后决定用MnO2替代FeCl3。因为MnO2的催化效率比FeCl3和KI高，应选用催化效率高的无机催化剂来和酶比较催化效率，才能使酶具有高效性更严谨。

比较H202酶和无机催化剂中效率较高的MnO2的催化效率，使实验结论“酶与无机催化剂相比具有高效性”更加科学严谨。强调要基于证据得出严谨的结论。树立质疑精神，也强调了设计实验时所应遵循的等量原则。

教师提出问题：底物含量和酶含量对酶促反应速率有怎样的影响？学生分组讨论，设计方案，展示交流并实施，记录数据，绘出曲线图。

在考试题里会经常遇到底物含量和酶含量对酶促反应速率的影响，教师一般会根据直接给出的曲线图进行阐释性的讲解，学生理解起来难度较高。我们可以进行创新设计，让学生通过实验操作获得实验数据，得出结论，自主生成相关知识。“自己发现”的新知识更易于理解，也培养了其学习的成就感、自豪感和自信心。

教师可以通过表扬学生自己发现探究课题，如有小组提出过氧化氢酶只分布于肝脏吗？其它动植物材料中含有吗？含量有差异吗？

学生选择经济易得的探究材料，比如梨、土豆、苹果、香蕉、菠菜、白菜、花生、猪心、猪肝等进行探究，发现所探究的动植物材料中普遍含有H2O2酶，动物体内H2O2酶的含量一般比植物体内高。所选材料中猪肝H2O2酶的含量最高。

通过研究多种动植物材料中的过氧化氢酶含量的多少，为教材中选用肝脏研磨液提供实验证据，为开展课外实验提供参考资料。

（3）布置作业

学生书写实验报告，如实记录实验结果，查阅资料，编辑视频“酶的应用”。灵活运用酶的特性，开展头脑风暴，给出应用酶解决身边疑难问题的创新思路。活学活用酶的高效性，努力去承担社会责任。树立服务社会造福人类的意识和担当。

结语

生物学教学的首要任务是落实生物学学科核心素养的要求。生物学实验是落实这一要求的重要途径。教师要足够重视生物学实验的创新设计，巧妙利用学生对生物学实验的热情和兴趣，润物细无声地把科学思维和科学探究充分落实到生物学实验中，通过分析实验结果形成生命观念，培养学生像科学家那样热爱思考、乐于探究、勇于承担社会责任。