基于科學(xué)探究的高中生物實驗教學(xué)探索 論文

021年合肥市中小學(xué)教育教學(xué)論文評選

基于科學(xué)探究的高中生物實驗教學(xué)探索——以《探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式》教學(xué)為例

摘要：在生物學(xué)科學(xué)習(xí)中，實驗是實施科學(xué)探究最有效的手段之一。筆者通過日常實驗教學(xué)中的實踐，以《探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式》教學(xué)為例，進(jìn)行了一次基于探

究的實驗教學(xué)探索活動。在實驗教學(xué)中基于科學(xué)探究，指導(dǎo)學(xué)生自主對教材實驗進(jìn)行設(shè)計并完善實驗方案，使學(xué)生在不同層次進(jìn)行更深入的探究活動，從而強(qiáng)化學(xué)生實證意識、

培養(yǎng)他們質(zhì)疑精神，提高他們科學(xué)探究素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：科學(xué)探究，生物實驗教學(xué)，教學(xué)課例，探索

引言：正如其它自然科學(xué)一樣，實驗性是生物學(xué)科特點之一，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要方式，也是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。因

而，在高中生物教學(xué)中，實驗教學(xué)應(yīng)該地位非凡，實驗教學(xué)應(yīng)該是一種常態(tài)。然而，實際教學(xué)中筆者卻發(fā)現(xiàn)高中生物實驗教學(xué)寥寥無幾，我們普遍不夠重視。

部分學(xué)校和教師僅僅把實驗教學(xué)擺在教學(xué)的從屬地位，實驗教學(xué)策略不夠，嚴(yán)重制約了實驗教學(xué)的開展。很多教師更看重學(xué)生的成績，通過講—記—練的教學(xué)模式能使

學(xué)生考到不錯的分?jǐn)?shù)，忽略了實驗教學(xué)。因此，在很多老師眼中，高中生物實驗教學(xué)“可有可無”，或者僅有的一些實驗教學(xué)也是用來為公開課、示范課“裝點門面”。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)程序較為單一，往往是教師講解示范，學(xué)生模仿實驗，在這種過于強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)作用而忽視了學(xué)生的主體地位的情況下，學(xué)生的思維容易被限制，從而

產(chǎn)生心理惰性，降低了自主探究和實驗的欲望。與此同時，在實際教學(xué)過程中，實驗教學(xué)的目的往往局限于對教材知識的驗證，即使是教材中的探究類實驗，也經(jīng)常被教師以

驗證性的方式來完成。學(xué)生依據(jù)既定的實驗?zāi)康?、器材和實驗方法被動地完成整個實驗，實驗過程中強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的動手，忽視了學(xué)生的主動探究意識，缺乏對學(xué)生的科學(xué)探究意

識和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)?；谝陨锨闆r，筆者認(rèn)為只有改變教師的實驗教學(xué)觀念，打破原有教學(xué)方式的封閉

性和單一性，激發(fā)學(xué)生探究欲望，讓學(xué)生在自主探索中主動實驗，才能從根本上提高實驗教學(xué)的效果和學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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一、高中實驗教學(xué)應(yīng)注重科學(xué)探究科學(xué)探究通常是指通過自主的調(diào)查研究來認(rèn)識、解釋或解決科學(xué)問題，即從發(fā)現(xiàn)問

題到解決問題的活動過程或思維方式。《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中明確將生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)作為課程宗旨，即“生命觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“社

會責(zé)任”?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）解讀》中指出：“作為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的‘科學(xué)探究’是指學(xué)生能夠針對有價值的問題、疑問、難題或者想法進(jìn)行研究，

基于好奇與困惑來理解生命世界和建構(gòu)知識的意愿和能力?！薄翱茖W(xué)探究是生物學(xué)中不可缺少的、動態(tài)的部分?！痹诟咧猩锝滩闹袧B透了大量的科學(xué)探究思想，例如生物膜

流動鑲嵌模型的構(gòu)建、孟德爾通過假說-演繹法得到遺傳學(xué)兩大定律、生長素的發(fā)現(xiàn)等科學(xué)事實的探索歷程，學(xué)生通過體驗科學(xué)家的探究思路和過程，可以培養(yǎng)自己嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)

的思維方法和科學(xué)探究能力。實驗是實施科學(xué)探究最有效的手段之一，在2019人教版高中生物教材中提供了一

些探究類實驗，如探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式、探究植物細(xì)胞的吸水和失水等，這些實驗可以為生物教學(xué)提供探究性實驗的素材。然而，教材中高層次的、開放性的探究活動

卻十分有限，學(xué)生如何才能從不同層次的活動中學(xué)到探究方法和探究技能？這就需要教師對教材實驗進(jìn)行更深挖掘和創(chuàng)造性設(shè)計。一個基于科學(xué)探究的實驗教學(xué)活動設(shè)計，可

以讓學(xué)生在探索的過程中發(fā)現(xiàn)一些平時碰不到的問題，學(xué)生在對這些問題進(jìn)行分析，嘗試和解決的過程，就是發(fā)展他們探索和創(chuàng)新能力、強(qiáng)化實證意識、培養(yǎng)質(zhì)疑精神的過程，

同時也可以進(jìn)一步提高學(xué)生理論水平和實驗設(shè)計能力。下面將以教材實驗《探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式》教學(xué)為例，展示筆者在實驗教學(xué)中體現(xiàn)科學(xué)探究思想的探索。

二、基于科學(xué)探究的實驗教學(xué)案例實驗《探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式》是2019人教版必修1《細(xì)胞的能量供應(yīng)與利用》

的第一課時，本實驗對學(xué)生理解細(xì)胞呼吸的方式和條件有重要作用。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，通常是教師按部就班地展示教材中的實驗裝置圖，分析如何控制實驗自變量即有氧

和無氧條件，講解如何對實驗因變量進(jìn)行檢測，即用澄清的石灰水檢測CO2、酸性的重鉻酸鉀溶液檢測酒精，然后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗以得出的“在有氧條件下，酵母菌通過細(xì)

胞呼吸產(chǎn)生大量的

CO

；在無氧條件下，酵母菌通過細(xì)胞呼吸產(chǎn)生酒精，還產(chǎn)生少量的2CO”的結(jié)論。這樣的實驗活動，學(xué)生按照教師的指令操作，動手能力得到鍛煉，同時

2實驗也能得到較高的成功率，完成課程教學(xué)的目標(biāo)。但實際上科學(xué)探究體現(xiàn)了多少呢？

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學(xué)生僅僅是利用教師準(zhǔn)備好的方案，進(jìn)行了教師和教材安排好的實驗流程，得到了預(yù)期的結(jié)果，而學(xué)生無法針對有價值的問題進(jìn)行研究，更不能體現(xiàn)基于好奇與困惑來理解生

命世界和建構(gòu)知識的意愿和能力，學(xué)生的主動探究不夠使得本節(jié)實驗課成為一次低層次的活動。針對上述問題，筆者基于科學(xué)探究，以學(xué)生為主體，對本課題進(jìn)行了改進(jìn)和提

升，以期指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層次的科學(xué)探究活動。1.問題提出

筆者在課堂中展示礦泉水瓶中用葡萄和適量酵母菌混合而成的葡萄汁。學(xué)生聽打開瓶蓋的聲音，聞瓶中的氣味，發(fā)現(xiàn)葡萄汁變成了葡萄酒，同時產(chǎn)生了氣體。這樣生活化

的生物學(xué)情境，有效激發(fā)了他們探索的興趣。他們討論，得出原因：酵母菌的呼吸作用產(chǎn)生了酒精和

CO

。在了解酵母菌是一種兼性厭氧型真菌的基礎(chǔ)上，他們很容易提出

2“葡萄酒是在什么條件下產(chǎn)生的？”“酵母菌在有氧和無氧條件下都能產(chǎn)生酒精和CO2

嗎？”等問題。學(xué)生主動提出這些問題，可以激發(fā)他們深入探究的欲望，促使他們合作討論解決的方案。

2.方案確定

通過提示引導(dǎo)學(xué)生分組合作，討論出實驗的基本思路和預(yù)期結(jié)果及結(jié)論，并展示出來。提示1：你打算分幾組實驗？提示2：怎樣控制有氧和無氧的條件？提示3：如何檢

測產(chǎn)物中的

CO

和酒精？提示

4：如何保證酵母菌在整個實驗過程中正常生活？學(xué)生探2討并展示。實際教學(xué)中，各組學(xué)生都能寫出基本的實驗思路，但方案中或多或少都有一

些不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤健＝處熣故静糠中〗M的方案，進(jìn)行“大家來找茬”環(huán)節(jié)，各小組通過分析實驗方案，共同討論并完善各方案中對自變量的控制、因變量的檢測、無關(guān)變量的控

制等。最終，經(jīng)過討論，師生共同得出實驗思路（圖1）：圖1實驗基本思路

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在將實驗思路具體化的時候，學(xué)生又會面臨新的問題，比如“用什么容器培養(yǎng)酵母菌？”“怎樣才能既保證容器氣密性，又能方便地將產(chǎn)生的氣體導(dǎo)出檢測呢？”。筆者

在教學(xué)過程中給出幾種候選容器，學(xué)生討論各種容器的可行性，最終選定了注射器作為反應(yīng)容器，通過抽入空氣和食用油來控制有氧和無氧條件，通過輸液管將產(chǎn)生的氣體導(dǎo)

入澄清的石灰水進(jìn)行

CO

的檢測（圖

2）。在這個過程中學(xué)生感受到了真實研究工作中2可能遇到的問題，并嘗試聯(lián)系過去的知識經(jīng)驗來解決問題。

圖

2

實驗裝置（左：無氧

右：有氧）3.實驗開展

教師指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)操作步驟和注意事項（圖3）進(jìn)行分組實驗，探究有氧和無氧條件下酵母菌呼吸作用的產(chǎn)物，并以表格的形式記錄實驗結(jié)果。

圖

3

實驗流程4.結(jié)果分析

各小組都可觀察到兩組試管中澄清石灰水渾濁度的區(qū)別，得出酵母菌在有氧條件下能產(chǎn)生大量

CO

，無氧條件下能產(chǎn)生少量

CO

的結(jié)論。但也有小組發(fā)現(xiàn)新問題：空氣中

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也有CO，如何證明使石灰水變渾濁的

CO是酵母菌呼吸作用產(chǎn)生的呢？學(xué)生開始討論，22

最終提出解決方案：用注射器將空氣直接打入澄清的石灰水中，看是否能使之變渾濁。實驗證明空氣中CO含量較低，不足以使澄清石灰水變渾濁，因此使得澄清石灰水變渾

2濁的CO是酵母菌呼吸作用產(chǎn)生的。

2由于課堂時間限制，培養(yǎng)液中殘留的葡萄糖也與重鉻酸鉀發(fā)生了反應(yīng)，所以學(xué)生觀

察到有氧和無氧組的培養(yǎng)液都與酸性重鉻酸鉀都發(fā)生了顏色反應(yīng)，變?yōu)榛揖G色。這與他們的預(yù)期是不符的，這種認(rèn)知矛盾再次激發(fā)了探究的欲望。為了解決這個問題，學(xué)生討

論并提出兩種方案：將酒精蒸餾出來檢測，或者延長反應(yīng)時間以將培養(yǎng)液中的葡萄糖消耗殆盡。

教師展示培養(yǎng)24小時后的實驗結(jié)果，并使用酒精傳感器現(xiàn)場演示檢測有氧和無氧條件下酵母菌呼吸作用的產(chǎn)物中是否有酒精（圖4）。

圖

4

用酒精傳感器檢測酵母菌有氧和無氧條件下產(chǎn)生酒精的情況（注：傳感器初始值為0.007%）

學(xué)生在對實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析的過程中，不斷地發(fā)現(xiàn)新問題，通過設(shè)疑—設(shè)計方案—解決問題—得出結(jié)論，在動手動腦相結(jié)合中進(jìn)一步培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。

三、基于科學(xué)探究的實驗教學(xué)案例的反思基于科學(xué)探究的實驗教學(xué)設(shè)計能夠高度體現(xiàn)新課程中以教師主導(dǎo)、學(xué)生為主體的要

求，這些不同層次的探究過程既激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維，又能培養(yǎng)他們敢于質(zhì)疑和批判的精神，從而使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到真正的培養(yǎng)。筆者在教學(xué)活動的實際環(huán)節(jié)中，給了學(xué)

生一定的自主權(quán)，讓他們自己發(fā)現(xiàn)問題，產(chǎn)生好奇與困惑，主動尋找合適的途徑去解決這些問題。同時，教師在課堂上緊扣教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行有目的的誘導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生對實驗方

案進(jìn)行修正和完善，在此過程中，教師充當(dāng)了組織者，讓學(xué)生相對獨立地進(jìn)行科學(xué)探究活動，這種深入的探究活動極大程度地實現(xiàn)了學(xué)生動腦與動手的主體作用，激發(fā)了學(xué)生

的探究興趣。在探究過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)預(yù)料不到的問題，這時教師抓住時機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生52021年合肥市中小學(xué)教育教學(xué)論文評選

進(jìn)一步探索，實現(xiàn)課堂中預(yù)設(shè)和生成的有機(jī)結(jié)合，讓本節(jié)實驗教學(xué)活動更加生動活潑。如在用傳感器檢測酒精時，有氧組的酵母菌也產(chǎn)生了酒精，筆者將這個現(xiàn)象也作為學(xué)生

的探究素材，引導(dǎo)學(xué)生課下設(shè)計實驗探索原因。然而，本次實驗教學(xué)，雖然學(xué)生提出的問題很多，但并不是所有的問題都有探究價

值，筆者指導(dǎo)的還不夠，學(xué)生也沒有充足的時間對他們有價值的問題進(jìn)行充分地探索。一次基于科學(xué)探究的實驗教學(xué)探索，想要從根本上提高學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

的。但是，筆者相信，只有我們教師本身轉(zhuǎn)變思想，擺正理論教學(xué)與實驗教學(xué)的關(guān)系，認(rèn)識到在實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的重要性，才能積極有效的去實施實驗教

學(xué)、拓展課堂實驗的功能，最終提升實驗教學(xué)品質(zhì)。參考文獻(xiàn)

[1]

劉恩山，曹保義：普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017

年版）解讀[M].北京：高等教育出版社