生物学深度实验教学设计

江苏省常州市北郊初级中学(213002) 邰玉韦

深度学习强调学生全身心投入、经历深刻思维探索过程、获得深度生命体验。在主动加工、深度理解的基础上，学习者能够批判性地学习新知识，并将它们融入原有的认知结构中，经过高层次思维过程，灵活运用所学知识和能力[1]。深度实验教学是基于深刻理解实验原理、思想、方法、内在价值的基础上，指向学科关键能力及学科核心素养培养的实验教学方式。笔者从实验情境创新、实验内容重组、实验技术创新三方面，给出深度实验设计案例。

1 实验情境创新，激发思维碰撞，促进深度参与

生物学是一门以观察和实验为导向的学科，借助“趣味实验”情境的创设，融合真实性情境问题，可以激活学生的形象思维，促进学生思考现象背后的本质，提升生物课堂教学的魅力[2]。

例如在“探索生命的方法”一节教学中，教材中提供了“蚯蚓在什么样的物体上爬得快”的探究实验内容，并提供了玻璃板和硬纸板等实验器材，设计的意图是让学生体验一次完整的探究过程，并感悟和理解科学探究的一般方法。 在探究过程中通过对蚯蚓在硬纸板上和玻璃板上两种运动状态的对照观察，帮助学生理解实验变量的含义，并初步学会设计对照实验、控制单一变量和重复实验等具体方法。但该探究实验的设计具有一定的局限性，单一变量比较难控制，如蚯蚓的活动状态、硬纸板的粗糙度和干湿情况的选择，观察指标“速度”的判断、蚯蚓运动路程的计算等实施起来有一定的难度，造成探究结果呈现不稳定性。笔者就这一节实验教学开设了多次公开课，尝试着进行了3次实验优化创新，都收到较好的课堂实践效果。

(1)第1次创新：保留探究“蚯蚓在什么样的物体上爬得快”的实验内容，将实验器材进行了优化改进，A组提供了黑色粗糙磨砂纸，并保持一定湿度，模拟蚯蚓生活的自然土壤环境；B组提供了大小、厚度一样的黑色硬卡纸，并保持与A组基本相同的湿度。

(2)第2次创新：设计实验“蚯蚓对清水和洗洁精稀释液不同的刺激会产生怎样的反应”代替了原实验内容，尝试并感悟科学探究的一般方法，并能通过此实验探究的方法分析解决生活中的实际问题，如洗洁精的使用安全问题，增强爱护小动物的意识和情感，培养合作精神和科学探究的方法等。

(3)第3次优化创新：保留“蚯蚓在什么样的物体上爬得快”的实验探究内容，将实验器材和实验方法进行了优化改进。A组提供了有机玻璃板与边长为1 cm的正方形A4方格纸；B组提供了有机玻璃板、磨砂贴膜与边长为1 cm的正方形A4方格纸，从定性实验逐渐走向半定量实验，并提供了一种新的判断蚯蚓运动状态快慢的观察指标(视角)，帮助学生学会设置对照实验，确定单一变量和重复实验的方法，有效解决本节课的重点和难点。

上述3次实验探究情境的创新设计，既关注了学生的兴趣、学习接受能力，又为学生提供了真实的生活情境和事实来支撑概念的形成，激发学生的思维碰撞，促进学生深度参与。在教师的适当鼓励和有效引导下，学生感受到体验的快乐和成功的喜悦，促进了学生兴趣的养成和维持以及个性的发展。

2 实验内容重组，架构逻辑体系，促进深度理解

《义务教育生物学课程标准(2011年版)》强调：围绕着生物学重要概念来组织并开展教学活动，能有效地提高教学效益，促进学生对知识的深入理解。教师可以结合学校和学生的实际，精选恰当、丰富的实验内容，在整体架构实验内容体系的基础上，对实验教学进行富有创造性的重组设计，并注重选择学生理解生物学概念所必需的实验原理、实验思想、实验方法和实验技能等，促进学生对生物学重要概念的理解和应用，以及对科学过程的理解，培养学生生物学核心素养。

例如在“人体的消化与吸收”一节教学中，教师需要帮助学生形成重要概念：“说出小肠是消化的主要器官的结构特点”。在传统教学中，针对口腔对淀粉、糖类和蛋白质三大营养成分的消化，大多数教师会选择开展“淀粉在口腔中的化学性消化”这个实验。通过细细咀嚼馒头味道的体验，或用实验器材模拟馒头在口腔中的变化，并通过观察馒头咀嚼物滴加碘液后发生的颜色变化，最后证明口腔的唾液淀粉酶能促进淀粉分解成麦芽糖，口腔具有初步消化淀粉的作用。但以上实验并没有证据说明口腔能不能消化脂肪和蛋白质成分。为了进一步解释口腔、胃和小肠对淀粉、糖类和蛋白质的消化所发挥的作用，多数教师还会选用模型建构(见图1)的方法帮助学生进行比较归纳和分析推理，得出结论：口腔具有初步消化淀粉的作用；胃具有初步消化蛋白质的作用；小肠具有消化淀粉、蛋白质和脂肪的作用。这样的活动仅仅停留在让学生记住一些生物学事实，没有为学生提供具有代表性的证据来为学生的概念形成提供支撑，也没有从消化器官的结构特点，如含有消化液的种类多少与不同等角度去建立概念，学生没有形成结构与功能相适应的生命观念。当然，也有优秀的生物教师进行了实验内容重组，开展了如下系列实验活动。

(1)实验1:利用口腔中的唾液分别开展消化淀粉、蛋白质和脂肪的实验活动，然后用生物学方法去检验消化后的物质成分变化情况，结果发现只有淀粉成分被分解了，蛋白质和脂肪没有被分解，说明口腔只能初步消化淀粉。

(2)实验2:利用人工模拟胃液分别开展消化淀粉、蛋白质和脂肪的实验活动，再用生物学方法去检验消化后的物质成分变化，结果发现蛋白质被初步分解了，淀粉和脂肪并没有被分解，说明胃只能初步消化蛋白质。

(3)实验3:利用人工模拟肠液分别开展消化淀粉、蛋白质和脂肪的实验活动，再用生物学方法去检验消化后的物质成分变化，结果发现蛋白质、淀粉和脂肪都被分解了，说明小肠能够消化分解蛋白质、淀粉和脂肪，小肠是主要的消化器官。

图1 人体主要消化器官消化物质所发挥的作用模型建构

再如在“人体的消化与吸收”一节教学中，教师还需要帮助学生形成重要概念：“说出小肠是吸收的主要器官的结构特点”。在传统教学中，如果仅仅通过表1的归类总结，并不能收到良好的教学效果，学生很难真正从消化器官的结构特点(如小肠内表面有皱襞和绒毛，小肠绒毛内有丰富的毛细血管等)的视角去感受和体验，不能真正建立科学的概念。一位生物教师进行了如下实验创新设计：

表1 人体主要的消化器官吸收营养成分归类总结

为每个学习小组提供实物猪胃、猪小肠和猪大肠以及相应的实验器材，通过合作方式完成3个学习任务。①用手指抚摸胃、小肠、大肠的内表面；②将胃、小肠、大肠放入盛有清水的培养皿中，借助放大镜或用肉眼仔细观察其内表面；③讨论并完成表2。通过实验观察和对比分析，学生理解了小肠是吸收的主要器官的结构特点，这样的教学效果是难忘的，因为学生亲自体验过了，经历了深度的实践。

表2 人体主要的消化器官结构特点

3 实验技术创新，重视模型建构，解决实际问题

《义务教育生物学课程标准(2011年版)》在“教学建议”中强调：关注重要概念的学习，需要加强和完善生物学实验教学，力争实验设计多样化和创新化，可以采用生物材料设计实验，也可以设计模拟性实验，尤其是难懂的、抽象的概念知识在现有条件下又无法完成的观察现象，还可以在实验教学中适当引入现代化信息技术。基于类比实验或数据分析推理，通过建构概念模型，促进学生对重要概念的深度理解和应用，提升学生的综合分析、逻辑推理等思维能力，培养学生思维的灵活性和有效沟通能力。

例如在“绿色植物的蒸腾作用”一节教学中，教师需帮助学生形成重要概念：“在蒸腾作用中，水变成水蒸气时，会吸收周围的热量，从而降低植物叶片表面的温度，避免因强烈阳光的照射而灼伤叶片。”传统教学中，许多教师常通过类比实验或比喻的方式帮助学生理解这一概念，如：①在手背上涂擦酒精，并利用其挥发性让学生体验到手背瞬间有凉丝丝的感觉；②用生活中的“烧水”现象来解释，把一壶冷水烧开的过程需要从外界吸收大量的热量；③用生活俗语“大树底下好乘凉”进行隐喻等。这样的教学方式，虽然学生在一定程度上理解了概念，但还没有深入到概念的事实与本质，理解深度不够，并没有给学生留下深刻的印象，没有真正解决教学中的实际问题和难点(即蒸腾作用对叶片表面温度的影响)。一位教师利用信息技术进行了实验创新，效果很好。选用的实验器材为朗威DISLab6.5数据采集器、温度传感器(2个)、绿萝、光源等。实验步骤：①连接计算机、数据采集器和温度传感器；打开计算机中的实验软件，点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，显示当前环境温度；②使用透明胶将温度传感器的探针1和探针2分别粘在新鲜植物叶片和被烫过叶片的背面，计算机会显示当前叶片表面温度；③最后，将两组植物放在较强光下进行2～3 h的暴晒，或打开灯源，使环境温度升高。观察测得的数据或生成的图像，发现新鲜的植物叶片因进行了蒸腾作用，其连接的探针显示的温度明显低于被烫过的叶片。依据实验数据进行结果对比分析，学生更容易直观理解“绿色植物的蒸腾作用可以降低植物叶片表面的温度”概念。

总之，生物学教育不应该传授给学生一些支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，教师应当慎重选择一些重要的生物学观念，指向真正解决学生的实际问题，并通过实验活动或实践活动的创新设计，帮助学生理解与整合学科内部知识的联系。