基于微型化理念的高中生物学实验改进

摘要

基于微型化实验理念，从改减实验用具、改进实验操作、改善实验思路等方面对高中生物学实验进行改进，在提高高中生物学实验教学的可行性和随堂性的同时，提升学生的科学探究能力。

Graphical abstract

关键词

微型化理念 / 高中生物学实验 / 实验改进 / 信息技术

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：实验活动的设计应当符合学生的认知特点，注重从学生熟悉和感兴趣的事物出发，联系生活实际，充分利用各种器具和材料开展活动^［1］。高中生物学实验室中的实验仪器和设备非常有限，以至于很多经典的生物学实验教学无法正常开展。对此，将高中生物学实验改进成微型实验，是提高实验可行性和随堂性的一项重要路径。

1 微型实验的改造目的

生物学是一门自然科学，深入学习生物学科的过程离不开实验的加持。基于教师的策略指导，引导学生将高中生物学经典实验进行微型化改造。一方面，降低实验对昂贵仪器和设备的需求，提升实验教学的可行性；另一方面，引导学生改进和创新实验，能提升学生的科学思维和探究能力，从而让学生在实验操作过程中掌握生物学知识，领悟科学探究的过程与方法。

2 微型实验的改造路径

基于微型实验的理念，教师在经费和时间均有限的条件下，采取选择合适的实验材料、设计可行的实验流程、简化实验步骤等举措，均会直接影响到生物学实验教学的成效。因此，教师有必要做到：改减实验用具，提高实验的经济性；改进实验操作，提高实验的随堂性；改善实验思路，提高实验的可行性。

2.1 改减实验用具，提高实验的经济性

部分生物学实验需要大量的实验仪器或材料，加重了实验开展的经济成本和时间成本，而这也是很多教师放弃实验操作的重要原因。因此，改减实验所需用具，将对材料用具要求烦琐的实验改造成简单易行的小实验，不仅节约经济成本和时间成本，而且能起到培养科学探究能力的目的。

（1） 优化实验材料。实验材料选择恰当，是实验教学成功的关键。例如，在“检测生物组织中的脂肪”实验中，取花生子叶的切片需要用到刀片，这一步骤增强了实验的危险性，若采用植物油或凝固的动物油薄片来鉴定脂肪，就简化了实验步骤，且实验现象明显。又如：在“DNA的粗提取与鉴定”实验中，采用口腔上皮细胞替代洋葱细胞，实验材料易得；多倍体的香蕉中DNA含量较高，质地柔软方便研磨，也能明显缩短实验时间。因此，从实际出发，优化实验材料，使实验达到微型化和随堂化标准，可提高实验的推广性。

（2） 减少药品用量。在常规生物学实验中，可能会用丙酮、二苯胺等有毒且挥发性强的药品，或者是强酸、强碱等危险性大的试剂，正因为如此，相关实验经常会在实际教学中直接被省去。若有更好的试剂去替代它们，或者设计微型实验以减少其用量，则可以有效提升实验的可行性。例如。在“pH影响酶活性”的实验中，采用“多孔点滴板”来进行操作（图1-a），往点滴板的小孔内分别滴入一滴新鲜肝脏研磨液和不同pH的缓冲溶液，只需采用微小剂量的药品，即可观察到明显的实验效果（图1-b）。

2.2 改进实验操作，提高实验的随堂性

教材中有些生物学实验对时间和场地有较高要求，这在无形中提高了实验操作的门槛。对此，教师可引导学生自主设计实验方案，科学改进实验操作流程，提高实验的随堂性，让实验不再依赖于实验室，而是能随时随处可做，从而降低实验难度，达成实验操作的普及与推广。

（1） 设计生活化实验。设计生活化实验，是实验微型的重要手段之一。例如，在“pH影响酶活性”实验中，使用的新鲜肝脏研磨液气味较浓，且观测指标（如过氧化氢酶催化产生的气泡速率）较为微观，对学生的观察能力要求较高。而新鲜土豆片中含有H₂O₂酶，故可将土豆薄片置于H₂O₂溶液中，通过测量其在溶液中的上浮速度来判断H₂O₂酶活性的高低，以此将实验由微观变成宏观，由抽象化变成生活化。又如，在“检测生物组织中的还原糖”实验中，可在苹果薄片中央挖一个小洞，再在小洞处滴加少量斐林试剂并用酒精灯加热，即可观察到砖红色。毫无疑问，生活化实验具有灵活性、趣味性、创新性，学生对实验进行科学的设计和创新，亲身体验知识形成的过程，可真正实现寓教于乐。

（2） 设计模拟实验。

“用样方法调查植物种群密度”实验需要在大自然中进行操作，出于安全性考虑，教师可将其改为教室内操作的模拟实验。方法是：让学生挑选任意一种规格的方格纸，抓一把黄豆和一把黑豆到托盘中，混匀之后随机撒在方格纸上，分别模拟草地上的双子叶植物和其他杂草的分布情况。教师要求学生在30 s内快速估算出黄豆的数目。由于在极短时间内就需要找到答案，学生通常只会数部分方格中黄豆的数目，计算平均值之后再乘以方格的数目，连续重复以上步骤3次，最终估算并记录出所有黄豆的数目，并将所得数据填入表格中。从教学效果看，设计的模拟实验能有效减少药品、材料的用量，从而培养学生的绿色环保意识。

2.3 改善实验思路，提高实验的可行性

对于需要昂贵仪器或药品的实验，一般高中生物学实验室无法达到这样的经济条件，对此，教师可通过改善实验思路、设计费时少且实验现象明显的实验加以解决。

（1） 运用信息技术。

PCR和酶切等分子实验需要的PCR仪价格昂贵，普通的高中生物学实验室中难以配备。分子生物学的实验微观且抽象，如果只是教师的口头讲解，很难引起学生的共鸣。采用虚拟实验室即可解决此类困扰，目前较为流行的是NOBOOK虚拟实验室。利用网络虚拟实验室进行虚拟实验操作，一方面可简化实验流程，另一方面可提高实验的安全性和可行性。客观上，信息技术的加持，有利于学生养成与时俱进的思维习惯，从而为其学习能力的提升打下坚实的基础。

（2） 运用自制仪器。

在“绿叶色素提取和分离”的实验中，若要定量计算4种色素的具体含量，其常规操作需要借用分光光度计进行精确测量。然而，分光光度计价格昂贵且使用寿命短，不适用于高中生物学实验室。因此，教师可购买价格便宜的光照强度测量仪，鼓励学生自制“色素吸光度测量仪”，从而将定性实验转化成定量实验。学生运用铁架台、手电筒和比色皿等材料自制的“吸光度测量仪”如图2所示，用其可分别测量在不同波长条件下透过色素和无水乙醇的光照强度，以此计算出色素在不同波长条件下的吸光度，从而达到计算色素含量的目的。

3 教学反思

微型实验以用料少、耗时短、节约环保等多种优势已被很多高中教师广泛运用于实验课堂中，但微型化理念下的实验教学仍有需要重视的要点。

3.1 重视实验的科学性

微型实验一般是对教材实验的优化和改进，但受场地、仪器、材料等因素的限制，只能对实验方法和操作步骤进行简化与修改。在此过程中，我们尤其要重视实验的科学性和规范性，切不可为了简化实验而违背实验的基本原则。

3.2 重视实验的生活化

“生活即教育”，生物学实验往往源于生活，设计实验时尤其要重视实验的生活化^［2］。教师应引导学生从生活源头去寻找实验灵感、收集实验材料、改装实验仪器，鼓励学生尽量利用生活中的材料进行实验，总结生活规律，解释生活现象。

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] 王丽.自制实验装置在高中生物学实验中的应用：以“绿叶中色素的提取和分离”实验为例［J］.生物学通报，2025，60（10）：64-67，95.

基金资助

“2022年度广东省中小学教师教育科研能力提升计划项目”专项课题“信息技术与高中生物实验教学融合的实践研究”(2022YQJK364)

2023年广东省中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0专项科研课题“信息技术融合高中生物实验教学的案例开发研究”(TSGCKT2023229)

深圳市坪山区教育科学2024年度规划课题“高中生物数字化实验教学的案例研究”(PSGHZDKT2024133)