高中生物学实验专题复习的PBL实践

王 君 胡景瑞 李锦山

(浙江省缙云中学)

一直以来,实验都是选考复习的重、难点。教师在实验专题复习的过程中,常将目标定位于掌握教科书实验的流程以及相关实验设计能力的提高,复习方式主要是讲授和大量练习。学生在教师讲解实验的过程中,只能想象实验操作和实验结果,缺乏实验体验,很难学以致用,更难发展科学思维和科学探究素养,在选考中失分也较多。在新课标引领下的选考复习中,我们的实验复习应该指向动手做实验,并关注实验内在的知识结构关联以及学生学科素养能力的发展,这样才更利于学生整体实验能力的提升,突破实验专题复习。

1.PBL教学法简介

PBL是一套设计学习情境的完整方法,是以问题为导向、以学生为中心的教学教育方式。教学过程从一个亟待解决的问题出发,该问题被称为驱动问题。把学习的过程放置到复杂、有意义的真实问题情境中,通过学生之间的相互讨论、相互合作来解决该问题,最终培养学生自主学习、合作学习、终身学习的能力。其基本流程如图。将PBL教学法应用于实验复习,让学生围绕问题,以小组合作的方式展开探究,最终解决问题,对扩增课堂复习的容量、提高复习效率和提升学生生物学素养起到事半功倍的作用。

图 PBL教学流程图

2.PBL实验复习实践案例

下面以“探究环境因素对光合作用的影响”一节的复习为例,介绍高中生物学实验专题复习的PBL实践。

2.1 设置情境,提出问题

以人口增长与粮食危机、水稻和玉米等粮食作物的种植为情境,通过调查或网络检索获取的资料,整理出农业生产上提高农作物光合作用强度的措施。在此基础上提出问题:同是粮食作物,水稻固定低浓度的CO2能力比玉米差,不同CO2浓度对植物的光合作用有怎样的影响呢?

设计意图:求知欲的产生是学生认知的先决条件。由资料的收集到真实情境的展示再转化为生物学科问题,提出本节的核心问题“CO2浓度与光合速率的关系如何”,并引导学生提出“CO2浓度越大光合速率越大”的假设,激发进一步探究的学习兴趣。

2.2 制订方案,合作探究

教师提供实验材料:水稻绿色叶片,玉米绿色叶片,打孔器,注射器,清水,冰块,不同浓度的碳酸氢钠,精密pH试纸,台灯,40 W灯泡3只,100 W灯泡3只,温度计,3种颜色玻璃纸各2组,计时器,烧杯等(注意,冰块、灯泡、玻璃纸等数量有限)。

教师分解核心问题:①如何选择实验材料?②如何获得不同浓度的CO2进行对照实验?③选择什么作为指标检测因变量?

学生实践过程:自主选择材料,并设计实验。教师适时引导,注意组间异质。形成完整实验设计后,展示并相互评价。

甲组设计的实验步骤:①在暗处,将台灯分别装上100 W灯泡,放在不同的实验台上。取 100 mL 烧杯5个,均倒入70 mL不同浓度的碳酸氢钠溶液,放在距台灯10 cm的地方,此时不要开灯。②用打孔器将叶片打出直径为0.5 cm的圆片若干。注意叶片的选择,叶片的薄厚、颜色、鲜嫩程度要尽可能一致。③将小圆形叶片置于注射器中,拉动注射器,使其吸入清水,再推动活塞,排出残留空气。然后用手堵住注射器前部小孔,并缓缓拉动活塞,使小圆形叶片内的气体逸出。这一动作可重复几次。④将12片处理好的小圆形叶片,分别放入盛有清水的2个烧杯中,并置于暗处。这时的叶片由于细胞间隙充满了水,应该全部沉到水底。⑤打开台灯。⑥室温以25℃为宜。⑦观察并记录同一时间内两个实验装置中小圆形叶片浮起的数量。

教师追问:①此实验有哪些注意事项,如打孔、抽气操作时要注意什么?②如何避免温度对实验的影响?③因变量的捕获有其他方法吗?

学生回答问题,并梳理实验流程书写的模板。

设计意图:小组合作探究实验,可以夯实学生的生物学知识,让学生体会实验过程,提升其创新思维、创造能力。实验变量、实验步骤均需学生自己讨论分析合作探究获得,学生们不必拘泥于现有的实验操作步骤。这对培养学生的独立思考能力和创新思维大有裨益。本节复习课中,我们将核心问题分解成问题串,以问题串的形式引领学生,逐步开展实验,同时实验结束也以问题串的形式进行细节落实和反思梳理。教学过程重探究、总结与反思,这样利于基础的夯实和思维的拓展。引导学生梳理实验流程,有助于实现“授之以渔”的教学目标。

2.3 交流分享,反馈评价

教师引导学生完成任务:

任务①,讨论为什么单位时间内上浮的叶片数量能代表光合速率大小,与甲组实验变量设置相似,使用40 W灯泡的小组,实验结果如何,两组的差异性原因是什么。

任务②,设计实验结果记录表,见表1。寻找和自己小组实验设计相比,符合“单因子”变量的小组,将两组表格数据绘制成坐标图,对比分析。整理实验结果记录的方式和模板。

表1 不同NaHCO3浓度下单位时间内气泡冒出数量

任务③,思考生产实践中,我们如何提高CO2浓度进而影响植物的光合作用?

学生讨论,回答问题,图形转换,并整理实验结果记录方式和模板。

设计意图:实验复习中,要关注学生对实验原理的分析、对实验结果的记录,也要引导学生注重实验原理和结果在生活实践中的应用。虽然学生实验的自变量是CO2浓度,但因变量的测量手段并不唯一,学生选择的植物种类、光照强度、光质也是不同的,这样就存在了组间异质,小组间进行相互对照时,学生可以根据实验变量的差异,借助生生评价和师生点评,发现问题,相互促进,发展批判性思维,同时深入理解实验变量之间的联系,得到更多的结论。三个不同层次任务的设计主要是围绕科学探究素养展开的,见表2,旨在通过任务的完成聚焦科学探究素养的考查,提升答题能力。

表2 分析与讨论题的科学探究素养和答题要求

2.4 总结延伸,回归本质

整理各组的自变量设置,因变量检测和无关变量控制方法,结合各组的实验结果,与实验假设和目的对比,总结本节实验得到的结论,形成实验报告。为了深入探讨多因素对作物光合作用的影响,课后进行延伸实验,4～5人小组自主设计探究还有哪些环境因素对光合速率有影响,它们之间有怎样的联系?如何进行多因素影响的实验?

设计意图:PBL教学能在很大程度上提高学生的学习能力,具体体现在“勤于设计,勤于观察,勤于记录,勤于分析,勤于总结”五个方面。本节最后的总结和延伸,通过梳理变量,引导学生透过实验本质掌握研究事物的方法,形成实验报告。

3.反思与建议

第一,从复习目的来看,实验专题复习过程要立足学生核心素养的发展。实验专题复习仍要着眼于“做”,让学生真正的动手操作,才能有效落实复习目标。PBL教学倡导学生对实验项目进行自主设计,使得学生能够在实践活动当中充分发挥创造性思维,同时让他们分析解决问题的能力和实践动手的能力也得到很大程度的提高,进而达到素质教育的目的。学生在做中学,在实验中成长,形成正确的求知观、探索观、科学的态度观。

第二,从复习手段来看,实验专题复习应该有完整的体系。比如,每个实验复习时,合理使用PBL教学流程范式,将要梳理的零散知识点穿插于实验流程或在讨论题中进行讨论,这样利于复习线索的把握“学有所依”和基础知识的夯实。

表3 实验专题复习的PBL实验教学流程表

第三,从复习效果来看,实验专题复习要能提升学生的解题能力。根据近年来的选考题分析,浙江实验题考查是基于情境开展实验的设计,可以考查实验结果的记录、结论的获得、实验原理的分析等。而这些方面都可以利用PBL教学法进行反复练习。复习时,我们可以利用现成的教学资源,引导学生发现可探究的问题。如在“叶绿素的提取和分离实验”中,课本给出实验材料是菠菜叶片,根据时令的不同,可选择枯黄叶、苋菜叶等材料代替。学生在选择不同实验材料的过程中,能够领会到实验选择的多样性,实验结果结论的可变性,实验本身的多层次、多角度,从而能够更好地去分析与归纳实验。实验步骤也可以拓展和创新,如“制作根尖细胞有丝分裂临时装片”实验中的漂洗步骤去除,调整染色液浓度等,再引导学生分组实验,对比分析实验现象,得出实验结论,进而加深学生对于实验流程和实验变量的理解,提升解题能力。

使用PBL教学流程进行实验专题设计,要求师生均具有一定的实验素养基础。比如,情境的设置要合理,问题的提出要具有一定的探究意义,要符合“最近发展区”理论。又如,教师需要深入思考应该提供哪些实验材料,如何提升小组合作与分工的有效性,如何设置指向高阶思维发展的、有梯度的任务,如何确定适合的、新颖的拓展延伸实验新方向等问题。

总之,实验的考查是对学生生物学素养的考查,也是对学生运用实验探究物质及其变化的本质和科学规律能力的考查,是生物学核心素养发展的重要体现。教学实验复习的过程中,要落实学生的生物学素养的发展,就需要教师转变实验复习课的教学理念,运用更合适的教学方式,制造更多的动手机会,使用更丰富的教学评价方法,以提升复习效率,发展学生的生物学素养。