高中生命科学实验有效拓展与改进的实践研究

高中生命科学实验有效拓展与改进的实践研究

传统实验教学的目的更多是服务于考试，很多学校依然采用的是“教师讲解实验步骤，学生按部就班操作”的验证性实验教学方式，这对于学生科学探究精神和自主学习能力的培养明显不利。如何利用实验教学培养学生的创新精神和实践能力一直是生命科学教师思考的问题。基于上述原因，不少学者、教师都对实验课形式的改进和课外延伸的重要性开展了系列研究。近期笔者在华东师范大学教育硕士李增娇、高斌的全力配合下，针对上海市生命科学教材设计并实施了4个改进实验、6个拓展实验和8个家庭实验，并利用实验报告、自我评价等方式对学生进行了学业评价。实践证明：学生观察能力、操作能力、设计能力、分析和思维能力都得到了充分锻炼，协作意识显著提高，为一线教师积累了一些可借鉴的实验教学案例。

一、现阶段教材实验的特点分析与统计

上海生命科学课程标准对教材中的实验共分为三类：A.初步学会；B.学会；C.设计。其中A级学习水平的实验共10个，B级学习水平的实验共12个，C级学习水平的实验只有1个。然而从学生方面来看，学生对生命科学实验非常感兴趣，但是缺乏一定的实验设计和实验操作能力。从目前的生物高考和会考来看，对学生实验设计能力的要求越来越高，所以教师如果能够对教材实验进行改进和拓展，将促进学生生物科学素养的提高。

对于上海《生命科学》教材中的实验类型，可将其分为两类：验证类—对于一些已知的生物学结论或现象进行验证；探究类—对于一些未知的生物学问题进行探究和分析。每一种实验类型中又包含观察实验和活动、构建模型等子类型。另外我们对两种实验类型所占的比例进行了统计：上海二期课改生命科学教材（第一册至第三册）共安排实验23个（不包括“想一想 做一做”等小栏目），其中验证类实验8个，占35%；探究类实验15个，占65%。探究类实验超过了一半的比例。其中在以往教材中属于验证类的实验，新教材也增加了其探究的成分。比如：在“食物中主要营养成分的鉴定”实验中，教材不仅要求学生对已知成分进行鉴定，同时请学生对未知样品中营养成分的存在进行鉴定；在“植物细胞有丝的观察”实验中，教材上要求学生进一步探究影响有丝发生的因素，充分体现了新课程的“倡导探究学习”理念及实验教学在中学生物学教学中的重要作用。

二、上海市现阶段高中生命科学实验教学现状

1.教师对生命科学实验教学的研究不足

在传统教育观念的影响下，很多教师认为实验教学只是依附于理论教学，没有充分认识到实验教学的重要性。一些教师对如何组织实验教学、如何有效开发实验资源、如何指导探究实验、如何引导学生进行实验的改进和创新缺乏研究。新课程实施以来，由于工作量增多，教师在实验前很少进行预实验，所以对实验

材料和实验过程可能存在的问题预估不足，在真正上实验课的时候，学生仍然按照教师抄写的实验步骤机械地进行实验，实验操作能力和探究能力得不到提高。

2.实验内容与课时之间的矛盾

二期课改教材中的实验数量比一期课改教材增加了，但是生物课程的课时并未增加，有的学校课时还有所减少。为了提高实验教学效率，节省课时，很多学校只选择会考必考的基本实验进行教学，而放弃了选做实验。还有一些学校甚至把做实验变成了背实验和讲实验，学生在考完试之后已经完全忘记实验的内容。

三、实验拓展与改进的现状调查

我们对上海市黄浦区、虹口区、浦东新区及长宁区的8所高11名高中教师以及黄浦区的1名教研员进行了访谈。访谈共设计了12道题目，其中1～11题是开放性的题目，主要是关于目前上海高中生命科学实验拓展与延伸的开展情况及影响因素，第12题是请教师对教材中实验的可操作性进行评分。

我们发现，所有被访教师都或多或少地对教材中的实验进行过改进。然而受到传统教学观念的影响，加之生物课程紧张的课时，很少有教师鼓励学生进行思考并对实验进行改进。所有被访教师都是在实验教学遇到问题之后，自己进行摸索和改进。绝大多数被访教师认为生物教师进行实验改进和拓展的最主要原因是课时紧张。被访的教师都认为上海高中生命科学学业水平测试实验考在一定程度上推动了高中生命科学实验教学。会考中的实验考是一把“双刃剑”，一方面，促进了学生的学习积极性，另一方面，教师必须在有限的课时内完成生物课内容的教学，这样才能保证学生的会考成绩，所以这种情况不允许教师有更多的时间考虑对实验进行拓展延伸。

大多数教师认为：对教材实验进行合理改进，并尝试拓展与延伸，不仅不会浪费时间，反而会提高教师的教学效率和教学效果，提高学生的生命科学素养。

四、实验拓展与改进的可操作性调查

我们对上海生命科学教材实验的可操作性向上海各区的教师进行了调查，经过统计分析得出了各实验可操作性综合评分（见表1）。实验的可操作性一般包括以下几个方面：实验原理是否清楚明了；实验步骤是否简单易行；实验器材是否容易获得；实验效果是否达到预期；是否能在规定的课时内完成该实验等。实验的可操作性用星级来代表，其中三星代表非常容易操作，两星代表操作性尚可，一星代表不易操作。

表1 教材实验可操作性分析

其中，10个实验的可操作性为三星，6个实验的可操作性为两星，7个实验的可操作性为一星，对于两星和一星的实验，教师可以尝试进行改进。

五、教材实验可改进之处分析

在与被访谈教师交流并查阅相关文献之后，我们对上海生命科学教材中23个实验的操作难点及可改进之处进行了梳理（见表2）。

表2 教材实验操作难点和可改进之处

表2（续）

颤藻和水绵细胞的比较观察 颤藻和水绵的保存环境 水生藻类的观察

探究酶的高效性 Fe3+对H2O2的催化作用缓慢 反应试管须静置2～3分钟，再进行氧气的验证

探究影响酶活性的因素（选做） 反应时间要控制准确 可选用土豆作为实验材料叶绿体中色素的提取和分离 画绿叶细线 可以把绿叶细线改成圆点

探究影响光合作用的因素 实验内容较多，很难在一节课完成 只探究一个影响因素，改为演示实验

酵母菌的呼吸方式 装置的气密性无法完全保证；酵母菌的反应温度和时间不好控制；装置庞大 利用注射针筒改进实验装置，简单直观

观察牛蛙的脊髓反射现象 制作脊蛙的过程，学生感到恐惧 可改为演示实验

小麦胚芽鞘的向光弯曲 小麦幼苗较小，后排学生观察不清楚 可放在投影机上放大或多准备几份演示材料，便于全体学生观察

DNA分子模型的构建 模型材料较小，容易丢失 可以引导学生选择其他材料进行搭建

DNA的粗提取和物理性状的观察（选做） 利用洋葱获得的粗提取物较少 可选用香蕉、草莓等材料

植物细胞有丝的观察 实验材料的最适发根温度、发根长度和是否存在有丝高峰较难控制 可利用不同的实验材料进行进一步探究

植物花粉母细胞减数的观察（选做） 同一花药中，减数基本同步，无法观察各时期 在同一花序选择大小不同花蕾

植物细胞分化的观察 利用龙胆紫可能导致染色过深 可改用碘液

性状分离比的模拟实验 实验材料单一 可发动学生自己寻找实验材料

果蝇唾液腺细胞染色体观察 学生无法很好地辨认染色体 可利用显微投影仪显示学生的观察结果

探究化学因子对蚕豆根尖细胞变异的影响（选做） 催芽的时间、温度、ZnCl2处理的时间 教师在实验前先摸索，以使实验材料处于最佳状态

模拟种群数量估计（选做） 课时紧张，课上无法完成 可利用豆子改为家庭实验

植物物种多样性的调查 样方的选择易带有倾向性 选择学校生物园等物种相对较多的地方

水质污染对生物的影响 实验材料的选择 根据气温来选择水的放置时间，勿选择加酶洗衣粉

实验改进中我们一定要基于原有的教材实验，因地制宜，注重实验的科学性和可操作性，改进后的实验器材还应更加环保，同时还可以尝试将大学的部分实验引入高中课堂。

六、“酵母菌的呼吸方式”实验改进

1.实验分析

“酵母菌的呼吸方式”实验是高中《生命科学》第一册第四章第三节的一个演示实验，通过该演示实验，让学生了解酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸，但是代谢产物不同，产出的二氧化碳的量也不同的结论。教材实验围绕对实验结果的分析，引出有氧呼吸和无氧呼吸的概念和机理。

2.课标的要求

学习水平：A级。

3.教学目标

知识与技能：通过演示实验，指导细胞的有氧呼吸和无氧呼吸的异同。 过程与方法：经历实验观察、分析、讨论、思考、探究，知道细胞呼吸的过程和实质。

情感态度与价值观：通过实验活动，加深对新陈代谢的认识，理解物质和能量的关系。

4.改进原因

改进的原因主要有以下四点：（1）教材提供的实验装置庞大复杂。（2）有氧组要用到空气泵作为实验装置供氧，不是所有学校都具备这个条件；而使用洗耳

球供氧，操作不方便，没办法长时间提供氧气。（3）有氧组误差比较大。由于教师无法准确掌握反应时间，所以有氧组很可能已进行无氧呼吸，这时学生同样能闻到酒味，无法很好地区别有氧呼吸与无氧呼吸。（4）由于BTB溶液是利用NaOH配制，如果有氧组反应时间过长，BTB溶液的颜色会发生由蓝变黄又变绿的现象，这是由于溶液中的NaHCO3与CO2反应生成Na2CO3使得pH值又升高的结果，很容易使学生产生误解。

5.改进后的实验药品与器材

干酵母、10%的葡萄糖溶液20 mL、BTB溶液、质量分数10%的NaOH溶液、10 mL玻璃注射器、橡皮、烧杯、试管、量筒、橡胶管、温度计、玻璃棒。

6.改进后的实验方法及步骤

实验前，在烧杯中加入2 g干酵母和20 mL蒸馏水，搅拌均匀，置于40～45℃水浴中活化1小时（如图1所示）。

图1

在烧杯中加入20 mL葡萄糖溶液，10 mL已活化的酵母菌液，制成酵母菌培养液。

取2支注射器，分别标记有氧和无氧。有氧组设置：用有氧组注射器缓慢吸入5 mL酵母菌培养液，平放。轻轻振荡装有NaOH的广口瓶，除去瓶中空气里的CO2，用有氧组注射器吸入NaOH溶液瓶中的空气5 mL，然后将针头扎在橡皮上密封。无氧组设置：用无氧组注射器缓慢吸入5 mL酵母菌培养液，倒置，排尽注射器中的气体，然后将针头扎在橡皮上密封。如果气温低，可将2支注射器针头端向下，放在40 ℃左右水浴中保温10 min（如图2所示）。在反应期间，要随时注意有氧组注射器中体积变化，如果体积大于10 mL，说明已进行无氧呼吸，此时应立即停止反应，进行检测。

CO2的检测：取3个小烧杯，分别加入等量的BTB溶液，将2支注射器连接橡胶管后，将气体注入其中2个小烧杯，与第三只烧杯对比颜色，以检测CO2的产生量。

酒精的检测：取2个小烧杯，将2支注射器中的溶液缓慢倒入烧杯，可直接闻一闻，初步鉴定酒精的产生。也可利用酸性重铬酸钾溶液检测酒精的产生。

7.实验结果分析

图3是一组学生的CO2鉴定结果，从图中我们可以清晰地看到有氧组的鉴定结果为浅绿色，而无氧组为深绿色，说明有氧呼吸产生的CO2量要多于无氧呼吸。

8.自我评价问卷设计

“酵母菌的呼吸方式”实验改进

请根据以下所述符合你实际情况的程度选择对应的选项，画。

1.完全符合；2.基本符合；3.一般；4.基本不符合；5. 不符合。

①我能说出酵母菌呼吸作用的特点。

1 2 3 4 5

②我能够说出酵母菌呼吸作用产物的鉴定方法。

1 2 3 4 5

③我已经学会了针筒法的基本操作步骤。

1 2 3 4 5

④我认为我的实验结果比较成功。

1 2 3 4 5

你认为利用改进实验的实验材料和实验方法进行实验是否取得了更好的实验效果？

你认为本实验还能进行哪些其他改进？

9.实验教学反思

在有氧呼吸的反应过程中，一定要随时观察刻度线的变化，通过注射器的刻度变化可以非常清楚地了解有氧呼吸的进行过程，某些小组因为观察不够及时认真，导致实验结果出现偏差。

*本文获第四届城市教育装备合作与发展工作交流会征文一等奖。