趙麗 袁毅君 安建平 余燕 王文華

摘 要：觀察實驗對學生生物科學素養(yǎng)的培養(yǎng)有著特殊地位和重要意義，本文通過對課改前后高中生物教材中所開設的觀察實驗的比較分析，以典型的“線粒體觀察實驗”為例，就其在直觀觀察能力及其他層次能力培養(yǎng)中的作用進行論述。針對觀察實驗教學的特點和功能提出培養(yǎng)學生直觀觀察能力、獨立能力以及創(chuàng)新能力的有效策略，為探索中學生物教學中觀察實驗的教學方法以及如何培養(yǎng)學生的生物科學素養(yǎng)提供借鑒與參考。

關鍵詞：高中生物實驗教學；觀察實驗；生物科學素養(yǎng)；線粒體

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2016）34-0094-04

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.34.052

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學，生物新課改新教材最大的特點就是新增了大量探究性實驗，其目的在于加強實驗教學，培養(yǎng)學生實驗和觀察能力，突出生物學科實驗教學的特色[1]。觀察性實驗作為生物教學的一種有效補充和延伸具有極其重要的作用[2]，

“線粒體觀察實驗”是人教版高中生物教材中第一個全面而系統(tǒng)的培養(yǎng)和提高學生直觀觀察能力的觀察實驗。該觀察實驗原理簡明易懂，操作簡單基礎，能增強學生學習的信心，激發(fā)探究生物奧秘的興趣。而且，線粒體作為重要的細胞器之一，學生對其進行具象觀察具有極其重要的意義。在實驗過程的每個步驟中，教師要循序漸進的引導學生直觀觀察，以達到培養(yǎng)學生生物科學素養(yǎng)的目的[3]。

然而，實際教學中許多教師把觀察實驗變成了說實驗、背實驗的狀況[4]。使學生連最基本的觀察能力、操作能力都得不到訓練，更不用說培養(yǎng)更高層次的能力。鑒于此，加強和改進觀察實驗教學，提高實驗教學的有效性[5]，讓學生掌握直觀觀察能力、操作能力，提高學生的獨立能力、思維能力和創(chuàng)新能力，使觀察實驗切實成為培養(yǎng)和提高生物科學素養(yǎng)的有效途徑。

一、高中生物教材中觀察實驗的概況

生物學科教學中觀察性實驗的教學是比較薄弱的環(huán)節(jié)，在實際教學中存在各種問題。比如：應試教育的影響、教師的自身能力限制、教學時間有限、學校實驗設備欠缺、學生只注重考試成績等[6]。分析高中生物課程改革前后教材中的觀察實驗，表1歸納了新舊教材中觀察實驗項目，顯示出：舊教材中有9個觀察實驗，其中“顯微鏡的使用”、“用高倍顯微鏡觀察葉綠體”等都是以學生使用顯微鏡為主要訓練方面，實驗材料單一、課程安排簡單，培養(yǎng)一些簡單觀察能力和動手能力，不能全面提高學生生物科學素養(yǎng)；新教材中實驗數(shù)量明顯增加，觀察項目多樣，材料不僅僅局限于植物，動物和微生物也作為實驗材料，而且新增其他類型實驗滲透著直觀觀察能力及其他生物科學素養(yǎng)的培養(yǎng)[5]。舊教材中所存在的缺陷和新教材中所體現(xiàn)出的優(yōu)越性顯而易見。（見表1 ）

二、觀察實驗對學生生物科學素養(yǎng)的培養(yǎng)

（一）生物科學素養(yǎng)的含義

中華人民共和國教育部制定的《普通高中生物課程標準（實驗）》指出生物科學素養(yǎng)是公民參加社會生活、經(jīng)濟活動、生產(chǎn)實踐和個人決策所需的生物科學知識、探究能力以及相關的情感態(tài)度與價值觀。反映一個人對生物科學領域中核心的基礎內(nèi)容掌握和應用水平，以及在已有基礎上不斷提高自身科學素養(yǎng)的能力[7]?？茖W素養(yǎng)包括的觀察能力、思維能力和實踐能力就成為提高生物科學素養(yǎng)進而提高科學素養(yǎng)的一種有效途徑[8]。

（二）培養(yǎng)生物科學素養(yǎng)的意義

生物學中幾乎所有的知識都是通過觀察、實驗、調(diào)查等實踐活動積累的。觀察實驗作為培養(yǎng)學生直觀觀察能力最重要的途徑，其特殊的教育任務是不能忽視的[8]。伴隨科技進步進行的新課程改革是以提高學生生物科學素養(yǎng)為核心理念的[9]，明確提出“提高生物科學素養(yǎng)”，尤其要培養(yǎng)學生的獨立能力，發(fā)展學生的科學創(chuàng)新能力[10]。當今社會科學技術已經(jīng)滲透到了社會的各個層面，作為21世紀的領先科學，生物在幫助學生提高生物科學素養(yǎng)，理解理論與實際的關系等方面有不可替代的作用。

（三）通過直觀觀察培養(yǎng)生物科學素養(yǎng)

講授式的理念和手段在觀察實驗中已經(jīng)無法具體實施，要培養(yǎng)生物科學素養(yǎng)最首要的途徑是轉變教學理念。若通過直觀觀察激發(fā)學生的興趣，調(diào)動學生積極性，教學就會事半功倍。教師結合觀察實驗的特點，引導學生體會由外到內(nèi)、由整體到局部、由宏觀到微觀的觀察技巧[6]，創(chuàng)造性地開展教學。許多生物現(xiàn)象靠傳統(tǒng)教學無法呈現(xiàn)，若以多媒體技術將傳統(tǒng)靜態(tài)圖形轉變?yōu)閯討B(tài)課件演示，讓學生理解實驗現(xiàn)象的完整動態(tài)過程[11]，改變了傳統(tǒng)教學枯燥、呆板的形式。另外以學生利用理論來解決實際問題的方式也可以培養(yǎng)學生的生物科學素養(yǎng)。

三、新教材中“線粒體觀察實驗”在教學中對學生生物科學素養(yǎng)的培養(yǎng)

直觀觀察能力是科學素養(yǎng)中最基礎的方面，是指在自然條件下通過感覺器官或借助科學儀器，全面、深入、正確地觀察、認知客觀研究對象的能力[12]。若科學素養(yǎng)是金字塔形，直觀觀察能力則是金字塔的塔基或塔底，故科學的學習應該從直觀觀察入手，以善于發(fā)現(xiàn)觀察對象的細微變化及本質特征為方向。觀察實驗涉及的主要有：直觀觀察生物的外部形態(tài)的能力和從生物的不同層次借助科學儀器直觀觀察內(nèi)部結構的能力[13]。

（一）通過“線粒體觀察實驗”培養(yǎng)學生直觀觀察能力

1.選取最佳觀察材料。線粒體廣泛存在于動、植物細胞中，為細胞各項生命活動提供所需要的能量。教材中以人口腔上皮細胞作為實驗材料進行觀察，實際教學中教師應引導學生以其他生物作為實驗材料進行觀察。比如，蘚類的葉、菠菜葉、洋蔥鱗片葉、綠豆芽、蔥、雞肝等。指導學生制作臨時裝片，熟練顯微鏡的操作技巧。在觀察過程中，先在低倍鏡下直觀觀察各種細胞的整體形態(tài)，分辨出是哪種材料的細胞；然后轉到高倍鏡下觀察，選取一個好的視野仔細觀察細胞的亞顯微結構線粒體。進行對比、分析，找出最典型的線粒體。實驗中的每一步都在提高學生對實驗現(xiàn)象敏銳的直觀觀察能力。教師還可以通過多媒體技術展示各種細胞結構、線粒體亞顯微結構的照片或視頻，激發(fā)學生的興趣，對觀察實驗充滿期待后進入實驗操作。

2.通過實驗方案的實施多點培養(yǎng)直觀觀察能力。顯微鏡下觀察材料的標準是“薄而透明”，直觀觀察就必須將實驗材料制作成裝片或涂片。線粒體本身無色，通過染色才能達到直觀觀察的目的。活細胞染料健那綠（Janus green B）是專一性對線粒體超活染色的，氧化性物質使健那綠保持被氧化狀態(tài)呈藍綠色，而細胞質中的健那綠被還原成無色狀態(tài)，從而顯示出線粒體的形態(tài)。教師進行預實驗過程中發(fā)現(xiàn)，對于不同材料染液的濃度和染色時間、所取細胞數(shù)量、制作裝片時對細胞的分散、撕取材料是否理想和線粒體的提取、提純和涂布等，都對直觀觀察的效果有很大影響。

教師可以通過實驗演示就這些內(nèi)容進行示范，同時引導學生積極回答并深入思考。采集口腔上皮細胞時用什么方法刮取既能取得一定數(shù)目細胞又不傷害口腔，怎樣操作才能使細胞分散而平展。撕取洋蔥鱗葉內(nèi)表皮時怎樣做才能觀察到單層細胞區(qū)域。綠豆黃化葉苗的用量、線粒體提取的溫度、三次離心時離心機的轉速應該是多少，染色過程中染液的濃度和染色時間分別有什么要求。

演示實驗對于加深學生感性認識和培養(yǎng)學生觀察能力是非常有效的。以上這些問題的答案就成為學生獨立實驗成敗的關鍵。演示實驗中處理材料的每個細節(jié)都在培養(yǎng)學生直觀觀察能力，為學生獨立完成觀察實驗，培養(yǎng)學生的獨立能力以及發(fā)揮學生主觀能動性，積極進行思維創(chuàng)新奠定了基礎。

（二）“線粒體觀察實驗”在培養(yǎng)其他能力方面的作用

1.儀器操作——動手能力的培養(yǎng)。實驗課堂中儀器操作能力才應是學生最主要的收獲[14]。線粒體的直觀觀察必須借助光學顯微鏡。而光學顯微鏡的使用需安放、對光、調(diào)焦、觀察等復雜的步驟，初學者常常由于操作不當而導致實驗失敗。

教師可以通過多種方式讓學生掌握正確使用光學顯微鏡。安放好顯微鏡后，先進行對光，引導學生總結對光時“三個轉動”及光線經(jīng)過的路徑，使學生對光學顯微鏡的工作原理有基本的了解。通過目鏡看到明亮的視野時將玻片放在載物臺上，調(diào)節(jié)使標本正對通光孔。旋轉粗準焦螺旋和細準焦螺旋，看到線粒體在每個細胞中的分布。選定特征明顯的區(qū)域轉到高倍鏡，調(diào)節(jié)細準焦螺旋看到細胞核周圍的胞質中分布著一些被染成藍綠色的顆粒狀或短棒狀結構，反復微調(diào)，藍綠色會呈現(xiàn)出生動的明暗變化[15]，即為線粒體。

這個過程中教師不直接參與實驗，以引導學生獨立正確使用高倍顯微鏡為培養(yǎng)目標[16]。以綠豆黃化幼苗為材料，會涉及低溫高速離心機的使用，但高中階段主要以光學顯微的使用來培養(yǎng)學生的操作能力，為學生設計實驗和獨立組織實驗奠定基礎。

2.培養(yǎng)思維能力和創(chuàng)新能力。思維是人腦對客觀事物的一般特征和規(guī)律的一種間接的、概括的反映[17]。觀察是與思維緊密聯(lián)系的，觀察僅僅是獲取和積累一些直觀表象的方法，更重要的是要通過對表象進行科學的分析、比較、綜合、概括等抽象的思維活動，找出事物的本質[18]。觀察實驗教學中觀察能力和思維能力的培養(yǎng)是不可分離的。

實驗中選用的人口腔上皮細胞與洋蔥鱗葉內(nèi)表皮細胞是動、植物細胞的代表。通過具體的操作、觀察，對比直觀觀察的結果感受兩類細胞的區(qū)別。教師引導學生思考，為什么選擇幼嫩的無色或淺色材料，除人口腔上皮細胞還可以選擇哪些動物細胞。學生設計探究實驗并預測結果，通過實驗操作驗證預測，對實驗結果進行對比分析。讓學生通過對不同實驗材料的觀察，認識細胞結構的普適性。這個過程會不斷有問題出現(xiàn)，解決問題的過程就是發(fā)揮學生主觀能動性，積極進行思維活動的重要環(huán)節(jié)。學生的思維能力、創(chuàng)新能力會在不斷尋求答案過程中鍛煉和提高。學生親自參與了問題的提出、假設、實驗及驗證解決，經(jīng)歷與科學家相似的探究過程[19]。使學生的觀察能力和動手能力進一步得到了提高和發(fā)展，在此基礎上培養(yǎng)了思維能力，提高了創(chuàng)新能力。

（三）天水市八所高中“線粒體觀察實驗”開設情況調(diào)查

通過調(diào)查天水市八所高中觀察實驗的開設狀況以及實驗室的現(xiàn)狀，總體情況見表2。

表2顯示實際所開設的觀察實驗項目總共5項，還不到新課標實驗項目要求的一半，見圖1。而且八所高中并不是每個學校都開展5項實驗，見圖2。開設觀察實驗項目最多的是一中，5個項目全都開設；九中開設4個；三中開設3個；四中和十中開設了2個；六中和八中沒有開設，可見學校領導的重視程度不夠，教學資源的分配嚴重失衡。其中所關注的“線粒體觀察實驗”目前在調(diào)查的八所高中都沒有實際面向學生開設。實際教學中“線粒體觀察實驗”只有九中教師組織個別興趣小組的學生進行過實驗，結果也不明顯，其他實驗教師只是通過講授方式進行。

顯然重點高中在教學資源相對豐富的條件下對觀察實驗的開展都達不到新課標所要求的一半，而且即便做了觀察實驗的學生，由于各種因素的影響也達不到培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的要求。對于沒做觀察實驗的學生就談不上通過觀察實驗來培養(yǎng)學生生物科學素養(yǎng)，所以觀察實驗教學仍然是教學中極其薄弱的一個環(huán)節(jié)，新課標提倡的素質教育基本沒有實施，成為了一紙空文。

四、展望

應試教育終將走向素質教育是教育改革及時代發(fā)展的必然。在素質教育模式下，社會和學校更加注重對學生能力的培養(yǎng)，也就是現(xiàn)在所提倡的科學素養(yǎng)。觀察實驗教學是培養(yǎng)和提高學生生物科學素養(yǎng)最重要、最便捷、最有效的途徑，也是聯(lián)系生物科學和生活實踐的基本橋梁。在實驗過程中讓學生“在做中學”，自己動手操作體驗，遇到問題獨立思考，尋找解決的辦法。教師在整個過程中只是起輔助作用，當學生遇到問題時給學生點撥、指導、鼓勵學生積極探索。這種教學氛圍完全符合“教師主導，學生主體”的新課程理念，因此，生物實驗教學將成為新課改之后生物教學的一個重點和熱點，它在培養(yǎng)學生觀察能力、思維能力、創(chuàng)新能力等方面具有十分重要的意義。

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