朱云鵬

摘 要 以“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”這一實驗為例，探討如何對創(chuàng)設(shè)情境、實驗環(huán)節(jié)、實驗設(shè)計、評價與總結(jié)這些實驗教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，從而順利地發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 學(xué)科核心素養(yǎng) 實驗教學(xué)創(chuàng)新 內(nèi)環(huán)境

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。新課程改革中倡導(dǎo)的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及社會責(zé)任。下面以人教版高中生物必修三第一章第二節(jié)“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”這一實驗為例，探討如何在高中生物實驗教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 創(chuàng)設(shè)探究情景，提升社會責(zé)任感

本實驗選取“酸堿體質(zhì)理論”這一熱點問題。該理論認(rèn)為：體質(zhì)的酸化是百病之源，而體質(zhì)酸化是由于吃了“酸性食物”引起的。所謂的酸性食物，如：魚、肉、米飯、酒等人類的主副食品。在舉出實例后，教師提出問題串：①機(jī)體自身代謝以及食物在消化吸收后經(jīng)代謝會不會產(chǎn)生一些酸性或堿性物質(zhì)？②當(dāng)這些物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境，內(nèi)環(huán)境能否維持pH的穩(wěn)定呢？③生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制又是什么？

針對問題①，教師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，然后匯報討論結(jié)果。有的學(xué)生結(jié)合已學(xué)的生物學(xué)知識，提出：機(jī)體在劇烈運(yùn)動之后會產(chǎn)生乳酸這一酸性物質(zhì)。有的學(xué)生則聯(lián)系生活提出：蘇打水這一食物屬于堿性物質(zhì)。在肯定學(xué)生回答之后，教師繼續(xù)追問問題②，引導(dǎo)學(xué)生利用pH傳感器、滴數(shù)傳感器以及磁力攪拌器等組裝實驗裝置，開展實驗探究，獨立解決。在綜合全班學(xué)生的實驗結(jié)果之后（圖1），得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，持續(xù)向血漿中加入HCI或NaOH，血漿能夠維持pH的穩(wěn)定。這樣從而否定了“酸堿體質(zhì)理論”。

利用社會熱點問題創(chuàng)設(shè)問題情境，一方面有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲，另一方面能培養(yǎng)學(xué)生正確地運(yùn)用所學(xué)的生物學(xué)知識和方法，依托實驗，對社會熱點議題做出理性解釋，辨別迷信和偽科學(xué)，從而增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

2 拓展實驗環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生探究能力

針對問題③，教材中實驗是通過比較自來水、緩沖溶液（如NaHPO4、KH2P04等溶液，在加入酸或堿時，能使pH的變化減弱）和生物材料在加入酸或堿后pH的變化，推測生物體可能是含有緩沖物質(zhì)用于維持pH穩(wěn)定。在實際教學(xué)中，這樣通過類比推理得出的可能性結(jié)果得不到學(xué)生的認(rèn)可。所以，教師在模擬實驗的基礎(chǔ)上，新增化學(xué)分析實驗，證明血漿中確實含有緩沖物質(zhì)。教師引導(dǎo)學(xué)生推測：血漿中可能存在的緩沖物質(zhì)是什么？學(xué)生聯(lián)系細(xì)胞呼吸可以生成CO2，推測出內(nèi)環(huán)境中可能存在的緩沖物質(zhì)是H2C03/HCO3-。并聯(lián)系化學(xué)知識：因為HCO3、H2CO3、CO32-這3種基團(tuán)或分子在溶液中可通過電離或水解產(chǎn)生彼此，所以只要確定溶液中含有其中一個，即可說明溶液中含有HCO3-/H2CO3又因HCO3、CO32-都可與鹽酸發(fā)生反應(yīng)生成CO2。因此，學(xué)生找到實驗的設(shè)計思路：通過向材料中滴加HCl，檢測是否有CO2的生成，來確定溶液中是否含有H2CO3/HCO3這對緩沖物質(zhì)。

教材原有實驗和改進(jìn)后實驗的比較見表1。

3 質(zhì)疑實驗設(shè)計，發(fā)展批判性思維

質(zhì)疑就是對已有材料提出問題，是培養(yǎng)學(xué)生批判性思維的開始。學(xué)生通過質(zhì)疑、分析、推論、認(rèn)證，學(xué)習(xí)多角度分析和解決問題，從而培養(yǎng)批判性思維的培養(yǎng)。

在設(shè)計化學(xué)分析實驗方案時，教師引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑：僅憑向血漿中滴加HCI，檢測是否有CO2的生成，得出的結(jié)論是否嚴(yán)謹(jǐn)？學(xué)生根據(jù)實驗設(shè)計的對照性原則，能夠想到缺少對照實驗是無法得出嚴(yán)謹(jǐn)結(jié)論的，應(yīng)增加向蒸餾水滴加HCI，作為對照組。緊接著，教師繼續(xù)引導(dǎo)：如何檢測CO2的生成？學(xué)生提出可通過觀察氣泡的產(chǎn)生來確定。但在實際反復(fù)操作后，并沒有觀察到氣泡的產(chǎn)生。教師繼續(xù)鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，對實驗現(xiàn)象提出合理的解釋。有的學(xué)生認(rèn)為當(dāng)實際結(jié)果與預(yù)測結(jié)果不符時，說明假設(shè)錯誤，也就是說血漿中根本沒有H2CO3/HCO3-。而更多的學(xué)生則提出：可能因為血漿中HC03含量太低，雖然實際生成了CO2，但卻無法觀察到氣泡。繼而，教師引導(dǎo)學(xué)生利用CO2傳感器改進(jìn)實驗裝置，重復(fù)實驗。發(fā)現(xiàn)：未加入HCl時，兩組裝置的CO2含量曲線都沒有上升;在滴加HCl之后，相較于蒸餾水組，血漿組的CO2含量曲線明顯上升（圖2）。最終，學(xué)生得出結(jié)論：血漿中確實含有緩沖物質(zhì)H2CO3/HCO3-用于維持pH的穩(wěn)定。

絲絲入扣的質(zhì)疑讓學(xué)生在實驗預(yù)期和真實結(jié)果中，在小組討論和交流中，碰撞出智慧的火花，在完善實驗設(shè)計的同時發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度。因此，教師在實驗教學(xué)中，應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生對已有的實驗材料、實驗方案、實驗結(jié)果以及在實驗過程中出現(xiàn)的一些不嚴(yán)謹(jǐn)、不合理、難以理解的地方，提出問題，層層深入地啟發(fā)學(xué)生對實驗原理和設(shè)計思路的認(rèn)識和理解。學(xué)生在解決質(zhì)疑的過程中，水到渠成地發(fā)展了批判性思維。

4 模擬動畫總結(jié)，樹立生命觀念

教師利用師生共同設(shè)計的“模擬人體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制”的動畫演示，展示當(dāng)酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)進(jìn)入人體內(nèi)環(huán)境中發(fā)生的相應(yīng)代謝過程，并同時以曲線的形式呈現(xiàn)內(nèi)環(huán)境中pH變化。利用計算機(jī)輔助教學(xué)軟件模擬人體的pH穩(wěn)定的維持，通過數(shù)學(xué)模型建立幫助學(xué)生達(dá)成生物體穩(wěn)態(tài)與平衡這一生命觀念。

5 教學(xué)反思

改進(jìn)后的實驗相對于教材實驗的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾點：①信息技術(shù)的合理運(yùn)用。內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過于抽象，運(yùn)用信息技術(shù)支撐課堂教學(xué)，形象直觀，可以幫助學(xué)生更好地理解知識內(nèi)容。②實驗方法的創(chuàng)新。在教科書模擬實驗的基礎(chǔ)之上，新增了化學(xué)分析的實驗方法，明確找到血漿中H2CO3/HCO3這對緩沖物質(zhì)，增大了實驗結(jié)論的說服力。③檢測技術(shù)和實驗材料的改進(jìn)。對比發(fā)現(xiàn)利用傳感器技術(shù)能夠幫助學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型從定量的角度分析實驗結(jié)果。本實驗選擇的材料是血漿，相較于教材中選用的豬肝勻漿和馬鈴薯勻漿，其優(yōu)勢在于排除細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的干擾，是內(nèi)環(huán)境的組成之一，可以直接反映內(nèi)環(huán)境的pH變化。