基于创新意识和科学思维的高中生物学实验教学

摘要

在高中生物学必修1教材实验的基础上，进一步开展关于过氧化氢酶的拓展探究实验，运用数学模型建构的方法直观且定量地呈现实验结果，充分发挥学生的创新意识和探究学习意识，有助于提升学生在实验设计和分析方面的科学探究能力，以及模型建构的科学思维。

Graphical abstract

关键词

创新意识 / 模型建构 / 过氧化氢酶 / 拓展探究实验 / 科学思维

本文是在安徽省教育科研项目“基于创新意识培养的高中生物学实验教学策略研究”的背景下，对结合实践教学开展的创新拓展实验课例的真实记录和探究总结，旨在对基于创新意识培养的实验策略研究进行提炼、充实和推广，助力高中生物学实验教学的高效与优化开展。

1 实验教学背景

1.1 教材分析

在人教版（2019年）高中生物学必修1第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”中，有两个用到过氧化氢酶的探究实验，分别是“比较过氧化氢在不同条件下的分解”和“影响酶活性的条件”，通过这两个实验，学生学习了对照实验设置的基本原则和变量控制的一般方法，并且了解到酶催化作用的高效性及pH会影响酶的活性。

1.2 课程标准

在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》的实施建议部分，关于探究性学习有这样的建议：应该鼓励学生自己观察、思考、提问，并在提出假设的基础上进行探究活动方案的设计和实施；重视探究性学习报告的完成和交流。教师应培养学生通过文字描述、数字表格、示意图、曲线图等方式完成报告，组织交流探究的过程和结果，并进行适当的评价。在加强和完善生物学实验教学中，建议教师注意实验设计应该多样化。可以设计低成本、低消耗、低（无）污染的教学实验，鼓励学生参与实验设计。在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质^［1］。

1.3 实验教学目标

（1） 科学探究：按照科学探究的一般步骤，设计探究方案并动手实践完成实验。

（2） 科学思维：学会设计对照实验，能科学控制自变量，有效观察、分析因变量，并能建构数学模型。

（3） 生命观念：通过实验，了解过氧化氢酶在生物体内普遍存在，加深酶对细胞代谢重要作用的认识。

（4） 社会责任：通过了解影响酶活性的条件，能解释生产、生活中酶的保存方法，提高社会责任感。

2 拓展探究实验内容

2.1 提出问题并确立拓展探究课题

教材实验中的过氧化氢酶是通过新鲜的肝脏研磨液来提供的，而因变量检测是用点燃后带火星的卫生香。学生据此提出问题：①新鲜的猪肝成本较高、不易研磨、易变质、腥味重且不易清洗，有没有经济易得、制备方便的替代材料？②教材实验的因变量检测方法是用带火星的卫生香，不环保、有安全隐患且只能定性分析，有没有同样直观但可以定量分析的替代方法？学生分为两个小组，分别针对上述两个问题展开讨论，查阅资料，最终确立两个拓展探究课题。第1小组针对问题1，确定实验课题：探究不同生物材料中过氧化氢酶的存在及活性。第2小组针对问题2，确定实验课题：用“滤纸上浮法”定量探究pH对过氧化氢酶活性的影响。

2.2 实验探究内容及结果

实验探究内容及结果如表1所示。

3 实验创新与改进

3.1 实验材料的创新

肝脏研磨液（含酶生物材料）具有难获取、成本高、腥味重、清洗困难、易变质、难储存（冷冻会导致酶活性下降）等缺点^［2］。学生选择的生物材料（苹果、马铃薯、酵母菌、香菜）易获取，成本低，种类丰富，好保存。

3.2 实验方法的创新

用带火星卫生香来检测实验结果的不足：①实验现象不稳定（气泡带出水汽导致卫生香熄灭，开放试管使气体逃逸导致助燃失败）；②卫生香燃烧污染环境，复燃过于剧烈存在安全隐患；③只能做定性分析，不能定量分析。“滤纸上浮法”的优点：①用自制简易工具实现多组实验操作同步化；②学生平板拍摄视频，可精确到0.01 s来得出实验数据；③定量分析，便于建构数学模型。

3.3 实验装置的创新与改进

学校配备了氧气传感器，可以用于第1小组实验精准测定反应过程中氧气的产生量，数据同步到电脑，便于定量分析和建构数学模型。第2小组学生创新性地自制了简易装置来进行“滤纸上浮”操作，材料经济易得，效果直观并可定量分析。

3.4 建构数学模型，呈现实验结果

两个小组的实验均为定量实验，在测定出各组的实验结果数据后，学生用Excel软件制作柱状图（图1）和曲线图（图2）形式的数学模型，在建构数学模型的过程中体会到图象模型的直观性，在分析模型与概括结论的过程中又提升了分析图表、获取信息、归纳概括的科学思维和能力。

4 实验评价与反思

通过拓展探究实验课的开展，实现了以下教学目标：学生学习自主化，学生自主做出假设，设计和操作实验，能更好地参与课题，汲取知识；实验过程创新化，生物材料的选择、定量检测教具的制作、氧气传感器的使用，以及建构数学模型呈现实验结果等创新化举措拓宽了学生的视野，点燃了学生的智慧；学习活动多样化，让学生动脑想、动手做、动口说，集思广益，合作探究，全方位多角度体验探究性实验。学习小组开展的拓展探究实验也适合推广作为生物学实验课堂上的分组实验。实验也依然有可以改进和继续探究的问题，如生物实验材料中过氧化氢酶含量并没有办法通过本次实验做出准确的测定，pH对过氧化氢酶活性影响的实验可以再增设具有更细pH梯度的实验组，进行酶的最适pH探究实验等^［3］。

5 结语

在开展拓展性探究实验课程时，要充分相信学生，发挥学生的创新意识和探究学习能力，引导学生发现并提出问题，按照科学探究的一般思路，选择合适的材料，制作简便易操作的实验器具，小组分工合作，设计并实施实验，构建量化模型，充分调动学生的探究学习主动性和能动性，可极大提升学生的科学探究能力和科学思维，对学生生物学科核心素养的养成也有着良好的推动作用。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 裘佳萍.基于科学探究的酶相关实验的整合与优化设计［J］.生物学教学，2021，46（10）：47-48.

[3] 唐小敏，何韬.“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验改进［J］.中学生物教学，2022（09）：55-56.

[4] 拓宽学生的视野，如采用例 2 太空课堂实验等策略，潜移默化地发挥初中物理学科的育人功能。

[5] 初中物理核心素养的提升需要教师深刻理解知识育人的本质。在实际教学中，教师要杜绝物理教学的简单与肤浅，采取丰富多彩的活动去深度挖掘物理概念的内涵，才能起到育人的功能。教师属于站在终点看起点，追求育人效果，故物理课堂设计要以促进学生真探究、真活动、真对话、有生成、真解决、真发展为标准。这就需要课堂既有广度，又有深度，广度恰当，深度合理，学科育人的功能才能得以体现，核心素养的达成才能符合预设的台阶。作为一线教师，更应该深刻理解好课的关键点——认真备课。只有加深对教材的理解，研究透新教材，弄懂物理思维方法和关键能力，才能做好物理教育加法，切实提升学生物理核心素养。好课的源头是“备课”，不投入大量的时间备课，就一定不会有好课。要“投入”才会有“产出”，不认真备课，就是没有足够的思考，仅凭经验教学，这样的课堂无法让教学活动与学生的认知、逻辑发展需求高度吻合。课前要使劲备课，使巧劲，巧到课上所有学生都使劲，所有的结论都由学生表达出来，即：不要奢望将学生教会，而要努力将他们问懂！这样的课堂才可达到较好的育人效果。做好教学加法的关键，就是要教师不断地学习、思考，让教育理念与课程标准统一，让素养符合新时代教师的需要。以“创新”育“创造”，以“素养”挖“潜能”，必定在“蓄·激·挖”三部曲中，使切实提升学生物理核心素养成为常态。

基金资助

2023年安徽省教育科学研究项目“基于创新意识培养的高中生物学实验教学策略研究”(JK23114)

江苏省2024年度教师发展研究课题“乡村振兴中的乡村学校高质量发展策略研究”(2024jsfz-c18)