“三新”背景下提升高中生生物学实验自主设计能力的策略

文| 周 颖 胡全国 霍玉秀

科学思维、科学探究是生物学核心素养的重要组成部分。学生的实验自主设计能力需要建立在科学思维、科学探究的基础上，因此教师在“三新”背景下要重视培养学生的实验自主设计能力，探索有效的教学策略优化生物学实验教学，在培养学生实验自主设计能力的过程中发展学生的科学思维、科学探究素养。本文以人教版高中生物学“探究植物细胞的吸水和失水”实验为例，探究如何在实验教学中提升学生的实验自主设计能力。

一、实验目标

1.促进学生对生物学知识的掌握：通过生物学实验深入理解植物细胞吸水和失水发生的原理、条件和现象，引导学生从不同角度对质壁分离的现象进行观察和分析。

2.培养学生的实验设计能力：让学生经历自主探究实验的过程，在实验探究中了解生物学实验的一般方法和技能，通过自主探究培养分析、解决问题的能力，使其达到会做出假设和预期、会设计实验方案的要求。

3.提升学生的生物学核心素养：帮助学生树立生物学是以实验为基础的学科观念，培养学生尊重客观事实、实事求是、认真钻研的科学精神，发展学生的科学思维、科学探究素养，借助生物学实验培养学生的生物学核心素养。

二、实验重点与难点

（一）重点：对植物细胞质壁分离和复原现象进行观察和探究，理解渗透作用的原理，了解渗透作用在现实生活中的应用。

（二）难点：（1）实验操作方面：洋葱鳞片叶表皮临时装片的制作、吸水引流的操作。（2）实验设计方面：突出学生自主设计实验的过程。学生在如何提出问题、做出假设、设计实验、分析实验结果并得出结论等环节没有深刻理解和把握。

三、学生自主设计生物学实验的教学流程

（一）创设情境，导入新课

借助一个趣味小实验创设情境：教师取出一个萝卜，用刀切出三块质量和体积均相同的萝卜块，将其中的一个萝卜块放在装有清水的烧杯中，确保萝卜块完全浸在水中；将另一个萝卜块放在装有食盐水的烧杯中，食盐水的浓度要大；最后一块萝卜块则放在原来的萝卜上。放置一段时间后，让学生观察比较三个萝卜块的变化。

学生观察后很容易发现浸泡在清水中的萝卜块变大了，而浸泡在食盐水中的萝卜块比原来小了。教师说出实验现象之后让学生思考为什么会出现这样的现象。

教师接着用多媒体展示更多生活中的实例：包饺子时，饺子馅中放入盐，过一会馅料会出水；做糖拌西红柿时，西红柿中放入糖一会后也会出水，启发学生思考为什么会出水。教师提问：对这些现象，你有怎样的疑惑呢？学生针对教师的提问深入分析和思考，尝试运用所学知识解释这种现象。接着教师通过讲述引入实验探究的方法，并呈现实验探究的基本步骤：提出问题—提出假设—实验验证—得出结论。

（设计意图：利用学生身边熟悉的生活现象引发学生思考，以趣味小实验激活学生的思维，激发学生的学习兴趣。教师边展示相关的实例边提出问题，引导学生发现问题、思考问题，让学生经历实验观察、分析的过程，提升学生的观察能力和分析能力。）

（二）提出问题，做出假设

1.提出问题

教师提问：针对这些现象，你产生了哪些疑惑？针对这些疑惑，你会提出怎样的问题？

教师提出这个问题后要给予学生一定的时间思考，接着组织学生交流、讨论，让学生根据这些现象找出疑惑点，并提出问题。学生经过思考、讨论之后提出问题：植物细胞具有渗透系统吗？

2.做出假设

教师依然以问题引导学生思考和探究：对同学提出的问题，你会做出怎样的假设呢？

教师组织学生分组讨论，让学生针对自己的问题作出合理假设，给每个小组提供展示讨论成果的平台，调动学生讨论的积极性。

师：我们提出假设之后就要用实验来验证了。我们在前一课中学习了渗透系统，同学们都想到了将渗透系统作为实验的设计思路。围绕这个思路，我们具体要怎样来设计实验呢？实验中有哪些需要注意的地方？你能猜出实验结果是怎样的吗？

为了启发和引导学生，教师利用多媒体呈现渗透原理实验，让学生一边观看一边思考：渗透系统的组成是什么？植物细胞的渗透系统是怎样的？

（学生观看学习资料加以思考后回答）

教师综合分析知识，帮助学生确定实验假设，得出植物细胞原生质层相当于半透膜的实验预期结果，并得到“外界溶液浓度比细胞液浓度更低时，细胞吸水；当外界溶液浓度比细胞液浓度更高时细胞失水”的结论，将其作为实验预期的结果。

（设计意图：明确实验探究的过程，在提出问题、做出假设的环节中引导学生将实验探究的步骤落实到实验中，提出问题、组织学生交流、讨论，充分调动学生的学习积极性，引导学生在独立思考的基础上实现思维碰撞，提升学生分析、解决问题的能力。实验需要一定的知识作为基础，教师以多媒体展示新知识，加深学生对新知识的理解。）

（三）实验环节

教师提供质量浓度为0.3g/mL 和0.5g/mL 的蔗糖溶液、蒸馏水、尖头镊子、滴管、刀片、载玻片、盖玻片、显微镜以及吸水纸、紫色的洋葱鳞片叶等实验材料和用具，组织学生自主设计实验，让其借助实验对自己的假设进行验证。接着组织学生讨论，完善实验设计以及实验过程中需要注意的地方，指导学生按照实验设计方案完成实验。

步骤一：制作洋葱表皮临时装片，并观察。首先取材。选择紫色深的洋葱的外表皮，借助刀片和镊子撕取洋葱鳞片。其次制片。制片时要注意防止装片产生气泡，学生精准把握实验操作。最后观察洋葱细胞，通过显微镜看到洋葱细胞液泡大、呈现紫色，原生质层贴着细胞壁。

步骤二：观察质壁分离和复原。首先，观察洋葱表皮细胞的质壁分离现象，将蔗糖溶液从盖玻片的一侧滴入，用吸水纸从另一侧吸引，重复多次，观察实验现象，并记录下来。其次，观察细胞质壁分离的复原现象，将清水从盖玻片的一侧滴入，使用吸水纸从另一侧吸引，重复多次，观察并记录观察到的图像。

步骤三：学生展示自己绘制的细胞吸水、失水图像，解释实验现象，得到“质壁分离是植物细胞失水、质壁分离复原是植物细胞吸水”的实验结论，指导学生完成实验报告。

（设计意图：让学生自主设计实验，亲自动手操作实验，掌握实验每个步骤的操作技能，针对性训练和提升学生的生物学实验操作技能和实验设计水平。）

（四）改进实验方案

在实验中，实验采用紫色洋葱为材料，教师提出问题：为什么选择紫色洋葱作为实验材料呢？可否用无色洋葱来做这个实验呢？

生1：因为洋葱细胞液含有色素，可以更好地观察实验结果，所以不能用无色洋葱来做这个实验。

生2：我认为也可以选择无色洋葱来做这个实验，但要对洋葱进行染色，不过这样实验就更复杂了。

师：对，在实验过程中为了更好地观察，我们往往选用颜色较深的洋葱外层，洋葱越往里颜色越浅，不好观察。但是在实验过程中我们发现，撕取表皮细胞时很容易将细胞撕破，并且带有很多叶肉不好观察，加上要用最外层的材料，导致实验材料严重浪费。对于这一情况，你能改进吗？

学生陷入沉思，都在思考怎样来改进。此时教师组织学生交流、讨论，鼓励学生大胆表达自己的观点和想法。师生共同探讨，最终得到改进方案：对洋葱内表皮颜色浅的材料，可以将红墨水加入蔗糖溶液中开展实验，便于观察。对于表皮细胞和叶肉细胞结合紧密的情况，将洋葱鳞片叶从鳞茎上全部剥离下来后，将上表皮朝外晒一晒，可以蒸发掉叶片的一部分水分，叶片变软后叶肉细胞和表皮细胞的结合没那么紧密，这时就很容易撕取完整的表皮细胞。

（设计意图：通过引导学生改进实验方案，训练学生的实验自主设计能力，提供改进实验方案的思路，鼓励学生从改进实验材料、实验试剂与装置以及实验步骤等方面思考。对实验材料的改进，教师首先引导学生对实验材料产生的效果加以分析，然后从效果呈现、操作等方面分析材料的不足，从而找出更容易观察或者操作更简单的材料。）

（五）课堂总结

完成生物学实验后引导学生结合自己完成的实验尝试解释教学一开始提出的问题：饺子馅加入盐之后为什么会出水？糖拌西红柿为什么也会出水？引导学生思考、讨论。

生：成熟的植物细胞可以组成渗透系统，相当于半透膜。液泡内部的细胞液和外界溶液会产生浓度差，此时会发生渗透作用，细胞会出现吸水和失水。当外界浓度比细胞液浓度大时，细胞会失水，当外界浓度比细胞液浓度小时，细胞会吸水。糖拌西红柿和加盐饺子馅的外界浓度都比细胞液浓度大，因此细胞失水，就出现了出水现象。

（设计意图：总结整个课堂教学内容，凸显课堂的首尾连接；让学生运用所学知识解释课堂刚开始提出的问题，凸显知识的实用性，提升学生运用生物学知识解决现实问题的能力。教师也能通过这个环节了解学生对知识的掌握程度。）

四、教学反思

（一）成功之处

本次实验教学的过程，有一定的成功之处：通过创设趣味情境导出新课，激发了学生的学习兴趣，在实验过程中凸显学生的主体性。

1.创设趣味情境，激发学生的学习兴趣

情境创设是构建有效课堂的重要因素，新课标也强调要创设问题探究的情境，增强学生的体验感。生物学实验自主设计对学生提出了更高的要求，这就导致部分学生对生物学实验教学产生了抵触、排斥的心理，缺乏设计实验的兴趣和动机。针对这一问题，笔者结合学生的现实生活和学习需求创设实验探究的真实情境，将学生设计生物学实验的动机激发出来，以情境引导学生主动思考、探索，实现从“要我设计”到“我要设计”的转变。以趣味的小实验吸引学生的注意力，并借助生活中糖拌西红柿、饺子馅的案例提出问题，引出“水分进出植物细胞”的实验课题，激发学生的学习兴趣。

2.突出学生主体性，让学生自主设计实验

在本次实验教学中，凸显学生自主思考和探究的过程，给予学生广阔的思考、探索空间，引导学生经历提出问题、做出假设、实验验证、实验改进、实验总结的过程，让学生掌握实验探究的一般方法和步骤，提升学生的实验能力和素养。在实验探究过程中凸显学生的主体性。教师引导学生自主设计实验方案，突出“探究”的过程，帮助学生理解和领会科学探究的过程，提升学生做出假设、设计实验方案的能力。笔者在必要时发挥引导、启发作用，让学生自主设计实验方案，明确实验步骤，并引导学生改进实验方案，有效拓展实验内容，引导学生交流、探讨和实践，从而获得新知识。

（二）不足之处

本次实验教学也存在一定的不足，学生对实验探究的基本步骤比较陌生，教师要系统展示探究实验的步骤和过程，让学生明确实验设计的流程和方向，减少学生的迷茫。另外，实验操作方面存在问题：学生平时接触实验仪器、进行实验操作的机会较少，因此在操作显微镜、制作洋葱表皮临时装片以及引流的过程中存在一定的问题，对实验步骤掌控不到位，导致实验操作的过程不够流畅，并且在一定程度上影响了最终的实验现象观察。教师应该及时给予帮助和指导，规范学生的实验操作。