新课标视域下初中生物学创新实验的设计

摘要：本文通过对教材中原本文字的描述部分进行实验设计和转化，以“绿色植物的生活需要无机盐”实验作为设计载体，选取黑藻作为实验材料，针对学生的探究过程设计学习任务单，并选取可测量的观察指标，判断不同无机盐对植物生长的影响，为学生深度理解大概念和思维发展提供帮助，培养学生科学探究能力，全面促进学生科学思维的发展。

关键词：绿色植物；无机盐；创新实验；科学探究

文章编号：1003-7586（2024）05-0058-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

实验教学是国家课程方案和学科课程标准规定的重要教学内容，也是当今社会培养创新人才的重要实现途径。2019年教育部发布的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》重点提出要创新实验教学方式，并采用多种形式，例如综合运用观察、观测、模拟、体验等方式，促进传统实验教学与现代新兴科技的有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《义教课标》）也在课程理念中提出教学过程重实践的要求，强调通过实验、探究类学习活动，使学生加深对生物学概念的理解。基于以上教学的现实要求，如何以实验教学为载体，让学生从解决现实世界中真实的情境问题入手，从获取表层浅表的知识，逐渐转变为针对真实问题的深度思考，最终提升学生的核心素养水平，成了实验教学中亟待研究的问题。

本文基于《义教课标》的具体要求，以学生熟悉的自然环境作为真实情境，以“绿色植物的生活需要无机盐”作为核心概念设计了相关创新实验。该内容是重要概念“42植物通过吸收、运输和蒸腾作用等生理活动，获取养分，进行物质运输，供植物利用，其中大部分水通过蒸腾作用散失”下的次位概念“4.2.1植物根部吸收生活所需的水和无机盐，通过导管向上运输，供植物利用，其中大部分水通过蒸腾作用散失”的一部分。

本实验是北京版义务教育教科书《生物学-七年级-上册》（以下简称“教材”）第四章第一节的内容，本节内容中安排了学习活动“用蒸馏水和土壤浸出液培养幼苗”，但是对于无机盐对植物具体作用，教材中仅采用正常和缺乏N、P、K元素草莓叶片图片进行对比举例，未能给学生提供直接参与探究性实验活动的机会，导致学生无法通过完整的科学探究过程，实现对学科的深度理解。因此，本实验从实验材料的选择入手，创新性地采用黑藻作为实验材料。一方面是因为黑藻是一种水生植物，具有易获取、生长速度快等特点，通常以休眠芽进行无性繁殖，条件适宜时存活率高，其生长和形态结构特征与水环境中的无机盐密切相关。另一方面，黑藻的各部分形态结构变化容易观察，是实验教学的良好材料，能够取得较好的实验效果。本实验引导学生观察黑藻在缺乏无机盐的培养条件下生长过程中形态结构的变化，并选取相关指标，分析不同种类无机盐对黑藻生长的影响，从而帮助学生理解“绿色植物的生活需要无机盐”的概念。同时将科学思想和常规实验方法融入具体的实验设计之中，如从宏观到微观，从现象到本质，平行与对照实验的设计等，以此促进学生科学思维的发展和科学探究能力的提升。

1实验准备

1.1实验器材

黑藻（Hydrilla verticillata）、无土栽培培养液、缺元素培养液、蒸馏水、烧杯、量筒、解剖剪、镊子、尺子等。

1.2黑藻的选取

教师于当地河流中近岸处捞取黑藻放到实验室中进行培养，待其长到20 cm左右后，选取大小、长势基本一致的包含茎尖的8 cm黑藻茎段作为实验材料。

1.3培养液的配制

5％霍格兰培养液：量筒量取50 mL霍格兰培养液，加水稀释至1L（见表1）。5％缺元素培养液：分别用量筒量取50 mL缺N、P、K元素的霍格兰培养液，利用蒸馏水进行稀释，均加水稀释至1L。

2实验过程和结果

2.1实验过程

分别量取配置好的无土栽培培养液和蒸馏水450 mL，倒人到500 mL的烧杯中，加入两个长度为8 cm，带芽尖、无侧枝的黑藻茎段，放在相同的光照条件下进行培养，每3天更换一半培养液，45天后观察黑藻生长状况。

在实验过程中为提升学生的科学探究能力，增强学生对于实验设计以及概念的理解，落实深度学习理念，匹配了实验学习任务单（见表2），分别针对实验设计中基本的学科研究方法及探究过程设置“脚手架”，帮助学生形成对于这一概念的深度理解。

2.2实验结果

学生对不同培养液培养的黑藻进行观察，对比各组黑藻的生长状况（见图1），通过讨论选取株高、分支数和根长三项指标进行测量，求取平均值后，整理数据如表3所示。

2.3实验结果分析与讨论

2.3.1黑藻的生长需要无机盐

学生通过学习进阶任务单的指引，对比实验过程中各组黑藻的生长情况，讨论并分析无机盐对植物生长的影响。学生观察发现与CK组相比，缺少无机盐培养的黑藻生长情况均出现生长缓慢现象。学生对于观察结果进行分析讨论得出，缺乏无机盐致使植物生长缓慢，因此无机盐是植物生长所需的营养物质。学生通过对数据进行对比发现不同种类的无机盐对植物生长的影响也不相同。其中，黑藻的平均株高为CK>-K>-P>-N>H20；分支数依次为CK=-K>-P=H2O>-N，H2O处理组的分支叶片和茎秆颜色为黄白半透明状，-P处理组的侧枝一直以芽的形式存在，没有继续生长；H2O、-N、-P处理组的黑藻没有长出新根，根长依次为CK>-K；CK组的叶片颜色最深，-N处理组的叶片颜色呈黄绿色，-K处理组的叶片有不同程度的焦黄色。基于以上结果，学生进一步分析得出：缺乏N、P、K其中任何一种无机盐都会导致植物生长状况受到抑制，但不同种类无机盐对黑藻生长的影响却不相同，需要对实验结果继续进行深入研究。

2.3.2不同种类无机盐对黑藻生活有影响

学生基于植物生长与细胞分裂分化的相关知识，对表3数据进行深入分析讨论：植物的生长、侧枝和根的形成是细胞生长、分裂和分化的结果。-N处理组的平均株高、分支数和根长均低于CK组，且平均分支和根长为0，说明含N元素的无机盐可以促进细胞生长、分裂和分化，使植物枝繁叶茂；P处理组的平均分支数为1，且侧芽生长十分缓慢，根长为0，说明含P元素的无机盐可以促进细胞的分裂和生长，从而促进幼苗发育；-K处理组的平均株高、分支数和根长均显著高于-N和-P处理组，但其部分叶片蜡黄，茎秆更细，说明含钾的无机盐可以使植物茎秆健壮，抗倒伏，促进叶片中淀粉合成。学生还注意到H2O处理的黑藻侧枝颜色为白色透明状，进而推测除N、P、K三种无机盐外，其他种类无机盐可参与植物叶绿素的合成。

为验证上述结论，学生向培养液中补充缺乏的无机盐继续培养，缺元素培养的各组黑藻长势均有不同程度的恢复，H2O处理组黑藻的侧枝没有明显生长且叶片颜色没有变化，但顶芽中生长的幼叶为绿色。据此，学生得出结论，植物生长的任一时刻缺乏任何一种无机盐都会对植物生长发育产生不同程度的影响，且无机盐可能是植物体某些结构的重要组成部分。

3反思与建议

3.1通过实际体验，增强学生对于实验设计的深度理解

实践体验是学生体验科学探究的重要途径，可以增强学生对于实验中所蕴含的概念的深度理解。教师通过设计分层任务，实现基于核心问题的驱动，引导学生探究不同种类无机盐对绿色植物生活的影响，帮助学生认识含N、P、K的无机盐对植物生长发育的影响。在实验过程中教师指导学生运用跨学科知识配置缺元素培养液，长期培养和观察黑藻，选取和测量观测指标，增强了学生实验探究的能力。

3.2丰富的资源供给，为学生科学思维的形成奠定了基础

科学思维的形成是学生获得科学结论的必要条件。教师利用缺乏无机盐的培养液水培黑藻的实验，有效弥补了课本上图片举例的局限性，从而提高学生的学习兴趣。教师结合当地的自然资源，帮助学生选取实验材料，指导学生运用细胞分裂、分化过程的相关知识，尝试分析不同种类无机盐对绿色植物生长的影响。学习任务单的进阶式问题设计能够帮助学生在探究活动过程中主动获得证据，从而构建和理解“绿色植物的生活需要无机盐”概念，为学生科学思维的形成奠定了基础。

3.3实验结果作为证据，为重要概念的建构提供有效支撑

概念的构建是学生思维过程中的结构化成果。“植物生活需要无机盐”这一概念需要学生理解“无机盐是营养物质”和“无机盐对植物生活有影响”两个次位概念，本实验旨在让学生通过设计、实施实验，收集证据，并基于实验数据的处理与分析逐步形成概念。这不仅能够帮助学生形成学科特有的思维方法，提高科学探究的能力，同时也为学生构建概念提供有效支撑，并进一步帮助学生实现对于概念的深度理解。