有关探究式学习在生物实验中的实践与思考
（本文获2007年全区中学生物教学优秀论文评比一等奖）
广西华体体育（中国）股份有限公司生物组 兰意鲜
内容摘要：生物实验过程不仅是文化知识的运用与实践过程，更是培养学生求实创新、团结协作的个性品质的重要过程，教师应当在实验教学中，注重培养学生的各种思维能力，使学生初步学会科学探索实验学习的一般方法，激发独立思考与独立研究的能力。本文就生物实验学习中设计思路引导，实验选材探索及实验改进意见谈一点做法与体会。
关键词：探究式学习 生物实验 实践 体会
探究式学习是指从学科领域或现实社会生活中选择和确定研究主题，在教学中创设一种类似于学术研究的情境，通过学生自主、独立地发现问题、实验、操作、调查、信息搜集与处理、表达与交流等探索活动，获得知识、技能，发展情感和态度，特别是探索精神和创新能力的学习方式。探索式学习强调科学概念、科学方法、科学态度三者的综合和对科学研究过程的理解。观念上平等、开放、民主；过程中自主、体验、个性；形式上生动、多样、有趣。在探究性学习中，学生可以获得理智和情感体验、建构知识、掌握解决问题的方法。
生物科学是一门建立在观察实验基础上的自然学科，比其它学科更易于触及学生的思维及能力发展，所以在生物教学中以实验探究式学习作为研究性学习教学中起始阶段的选题，起点高（情境高于教材）而落点低（解决问题的基本技能、基本方法和基础理论直接或间接源于教材），既能让学生在问题解决过程中主动获取知识，还能学生培养解决问题的能力、方法和思维。对学生而言，实验过程中问题的解决不仅是一个知识输出的再现过程，更是一个知识信息重组和整合的获得性过程。此外，实验探究式学习还具有问题来源的实践性、问题过程的探究性、问题情境的新颖性、问题信息的整合性、问题解决的探索性、问题思维的开放性等多项特征。因此,要因地制宜地进行实验探究性学习，以下就自己的教学实践谈一点引导方法与体会。
１、注重实验探索设计，培养学生思维能力
教材编写体系侧重的是知识结构系统，不一定适合思维结构和教学结构。因此，有必要对教材进行深加工、再创造。如对教材“植物细胞的吸水和失水”实验的加工处理：按常规思维，植物对水分的吸收主要是通过根从土壤中吸收的，应直接以根作为研究对象，但直接用根效果不直观、不明显，所以尝试另辟新径，在学生已有知识的基础上（知道植物结构和功能的基本单位是细胞，根、茎、叶、花、果实、种子都由细胞构成），分组选用一种事先准备好的实验材料，切成三等份分别放入清水、淡盐水、浓盐水和不透水的薄膜包中，同时统计全班用了多少种植物，组织学生按照提出假说--决定探究方向的思路讨论,预测会有几种情况发生。学生能推测出细胞可能有三种情况:吸水,失水或既不吸水，也不失水。
随后观察实验结果。取出实验材料，要提醒学生尽量不带出水来。各小组比较①经浓盐水浸泡后的材料与薄膜包中材料比有什么差别？（各小组都得出：“变软了”）。问：“不同种类的植物在浓盐水中都变软了，这不可能是偶然巧合，肯定有什么规律” 。这规律是什么?②清水浸泡后的材料与薄膜包中材料相比有什么差别？（生答：“变硬了”），这也不可能是巧合，肯定有其规律。这规律又是什么?③再比较清水与浓盐水液面有无变化。学生发现清水液面下降，浓盐水液面上升。引导学生联系起来看问题，把“变硬与液面下降”“变软与液面上升”综合在一起分析。学生自然得出：细胞在浓盐水中失水，在清水中吸水的结论。继续引导学生分析、内化：“盐水对细胞来说是细胞外液，细胞液是细胞内液，二者浓度哪个大？”学生这才在头脑中抽象概括出普遍性的结论：这几种植物的细胞在比其自身细胞外液浓度大的环境中都失水了。说明“细胞液浓度小于细胞外液浓度时细胞失水”，再让学生独立分析，得出清水浸泡材料使其变硬是由“细胞内液浓度大于细胞外液浓度，细胞吸水”的结论。至于出现在淡盐水中的植物材料与薄膜包中材料基本相似的原因，学生自然会领悟出是细胞内外液浓度相等的结果。
这里，若没有出现第三种情况的小组可继续布置一个探究性实验：“如何精确测定植物的细胞液浓度？”课后小组协作设计实验方案，课堂讨论交流。通过以上实验推论出根细胞在比其自身细胞液浓度小的环境中也应该吸水，那是否根的所有细胞都能吸水呢？引出根毛吸水的问题。根毛吸水既有内因（细胞壁薄而透性好，液泡大，细胞质少），又有外因（土壤溶液浓度低），学生很容易明白根毛吸水的道理，但吸水过程中根毛细胞液的浓度处于动态变化之中，还应通过幻示、教材的文字叙述等让学生明白。随后教师应继续因势利导解决教材中植物栽培、合理灌溉等问题，再创设情景，鼓励学生带着这节课的知识到生活中去，从拥有知识到应用知识解决实际问题，步入创新思维的过程，激发独立思考与创新能力。
生活中有诸多例子： ⑴凉拌菜、腌菜出汤现象是否即为植物失水、吸水表现？凉拌菜渗出的汤中是否含有丰富的营养物质？ ⑵吃咸菜多了为什么会感觉渴？为什么夏天喝浓度高的饮料越喝越渴？ ⑶打点滴时，盐水、葡萄糖液浓度太大行不行？如果把盐水或葡萄糖水换成无菌水行不行？ ⑷海洋中的植物为什么不会有“烧苗”现象的发生？ ⑸植物死细胞与水的关系和活细胞与水的关系一样吗？ 这些都可作为依据素质教育原理设计的一个“实验探究式学习的”例子。布置给学生课后完成。
在上述过程中,自始至终都以学生参与教学探究过程为主线，充分调动学生自主学习的积积极性，通过问题探究自主发现和获取知识，充分利用已有的知识去解决新的问题。学生不仅能学会，还能进一步达到“会学”，使获取知识与发展智力紧密结合，较好地避免了知识传授与能力培养的脱节问题。
２、改进实验材料，提高实验效果
实验中材料的选取是关系到实验成败的关键因素，因此对于实验材料的挑选也作了不少尝试，并主要通过学生的分组实验活动来比较、选择、优化。
⑴“渗透作用原理”的实验：该实验半透膜的选择是实验成功的重要一环。半透膜可选择的材料很多，可分为两大类：一类为生物材料，如鸡蛋的卵壳膜、鸡的嗉囔、动物的膀胱、肠衣、鱼的鳔、种子的种皮等；另一类为非生物材料，如醋酸纤维薄膜、玻璃纸等。让学生课前尽量广泛地收集实验材料，课堂上分组实验、比较，列表对比，找出各自的优缺点。学生讨论汇总后认为：两类材料相比，非生物材料比较好，而生物材料不仅取材麻烦，且材料一般较厚，影响水的扩散速度，使水柱上升速度太慢，影响直观效果（生物材料中，以鸡蛋的卵壳膜最好，鱼鳔较好，猪膀胱同样条件下液面上升很小，不适于演示实验），生物材料皆较粘软，不易捆扎密封。
⑵“观察植物细胞的有丝分裂”实验材料的选取：若采用书上规定的洋葱做材料，往往观察不到各时期分裂相细胞，实验效果差。所以要发动学生培养了各种不同植物的根：小麦、蚕豆、绿豆、黄豆、香葱、大蒜等，这样还能培养学生在育种过程中耐心,智慧与能力。小麦、豆类取粒大饱满的，要充分浸泡（一般2-3小时），控净水分，用双层纱布或毛巾等遮盖，并要经常洒水（若气温较低，洒些温水，始终保持纱布、毛巾湿润），若置于20℃-30℃环境中，2-3天即可长出3cm左右的根。大蒜取无冻无腐烂的新鲜材料，去皮，将蒜瓣串起，放在装满水的水槽内（或大烧杯内），室温（19-21℃）培养48小时，然后移入冰箱（4-8℃）培养，每24小时换水一次。在该温度下培养96小时左右，根长1.5-2cm，于上午8-9时将根尖剪入固定液（3份甲醇、1份冰醋酸）中固定2-24小时，更换新鲜固定液，放入4℃冰箱可保存一年之久。另一份，直接在室温下培养，让学生作对比讨论，为什么经低温处理的材料更易找到不同时期分裂相？固定的目的是什么？（主要是固定分生区细胞中的细胞器等精细结构）。
随后分组课堂实验，经解离、漂离、染色、制片、镜检发现，大蒜、蚕豆、绿豆的效果较好。在制片时若细胞铺展有重叠或太密集，可再次用带橡皮的铅笔敲打到单层，分生区内，平均每个视野（10×40）中至少能见到3-4个分裂相，在较好的标本上，1个视野能找全4个时期的典型分裂相。用大蒜、蚕豆、绿豆作实验材料的优点有，材料经济易得，不受季节影响，一年四季都可生根，（洋葱在5-6月实验技能考查时正处于休眠期，较难生根）培养方法简单，生根速度快，并可用温度、时间等条件控制根的生长。
３ 积极改进实验，培养独立研究能力
3.1 高中生物教材中“观察细胞质流动”的实验材料黑藻较难找，尝试用其它材料如紫鸭跖草、甘薯叶等代替，结果效果不太好，到目前为止，观察细胞质流动的最理想材料仍是黑藻。
首先让学生查资料，搞清黑藻亦称“水王孙”、“轮叶黑藻”，水鳖科，沉水草本，茎细长，叶线形、轮生、边缘有小锯齿，生于未污染的静水池沼中，分布广泛。实验前，动员学生分组采集并养在实验室大水槽中，放阳光充足的地方继续生长。实验时，进行对比实验，发现生长旺盛，植株肥大，茎粗壮，叶片肥厚且色泽鲜绿的反不如生长势较弱、茎细、叶薄且色泽淡黄的植株叶片实验效果好（这是学生始料未及的，引导学生探究原因）。经查资料分析发现这是因为黑藻叶片中的细胞呈立体多层状，叶片越肥厚，叶片中细胞层数越多，其中的叶绿体等细胞器不仅数量多，体积也大，整个细胞呈饱满状态，而生长势相对较弱的黑藻叶片中的细胞则相反，所以，后者叶片中细胞质的流动现象较前者要明显得多。
二是探索观察时间及材料处理。在黑藻叶片中。细胞质的流动是以叶绿体为参照物的。叶绿体是植物叶肉细胞中具有一定结构和功能的细胞器，在显微镜下，叶绿体常密集在核的附近或靠近细胞壁，能随光线的强弱而移动。由于叶绿体分布在细胞质基质中，还能随细胞质的流动而在细胞中做川流不息和循环往复的运动。但细胞质的流动受外界条件的影响很大。当外界温度低或光线暗的情况下，细胞质流动得慢，在显微镜下不能看到叶绿体有明显的位移；而当温度高或光线强的情况下，细胞质流动得较快，在显微镜下，可明显地观察到叶绿体随细胞质的流动而在细胞中做川流不息的逆时针（也有少数细胞作顺时针运动）运动。实践证明：在外界天气晴好、温度25℃左右的情况下，把培养黑藻的水槽放到阳光充足的窗台上，每天上午10时至下午4时的这段时间内，细胞质流动的速度是最快的，也是观察的最佳时间。对材料处理探究是从一道习题上引发的：“用什么方法能加速黑藻细胞质流动？”学生讨论，提出不少方法。如加温，放在20-25℃水中培养、光下培养、切伤部分叶片等，最后得出采用实验前2-3天对黑藻创伤处理，即将植株截成3cm左右的小段，放在盛水容器中阳光充足地方培养效果最好，现象明显得多。同时得到一条应急措施，加热水，将水温调到35-40℃左右即可发现细胞流动加快，实验效果很明显。
三是对材料观察部位的选择探索。我们通过观察发现，相同外界条件下，同一黑藻叶片不同部位的细胞中细胞质流动速度也不尽相同。学生通过观察比较，发现在黑藻叶片中轴区域，亦称“中脉”、“中肋”，即叶片中央一条主脉，通常由多层狭长而壁厚的细胞存在，在此区域及其附近，细胞质流动较快，观察时较容易看到细胞质的流动。
通过上述教学过程，他们经历了下述过程：思考分析→整理原有知识使之系统化→利用原有知识使之转化为推理能力→科学推理→得出结论。在这个过程中，学生通过思考和推理主动地获取知识，成为学习的主体，他们的思维会升华到一个新的高度，既拓展了思维的空间，又得到了批判性思维能力和创新思维能力的培养与训练
3．2 高中教材“第三章新陈代谢与酶”一节中“用过氧化氢酶证明酶的高效性及研究酶与强酸、强碱、温度的关系”的实验改进：（1）对照实验法:酶的高效性 （过氧化氢酶与过氧化氢溶液反应， Fe3+与过氧化氢溶液反应）（2）酶的活性受强酸、强碱、温度的影响 第一组: 2ml唾液淀粉酶+1mlH2O+2ml淀粉溶液；第二组：2ml唾液淀粉酶+1mlNaOH溶液+2ml淀粉溶液；第三组：2ml唾液淀粉酶+1mlHCl+2ml淀粉溶液；每组实验中注意淀粉溶液的温度：先是37℃的淀粉溶液，再是加冰的淀粉溶液，最后是正煮沸的淀粉溶液。通过对比实验得出结论：酶的活性受强酸、强碱、温度的影响,即酶的最大活性发挥需要适宜的条件(最适温度和最适ＰＨ)。在学生的自主实验中可能出现的问题：加入过氧化氢酶后过氧化氢溶液中反应过于剧烈或缓慢，引导学生思考：可能的原因是什么？应如何解决？
3．3 此外，对“叶绿体中色素的提取和分离”也作了改进尝试 1、 材料代用品的研究 校园内外附近取绿色、新鲜的其它植物叶片代替菠菜，并放恒温箱烘干。 2、色素提取液的研究 用无水酒精2-5ml代替丙酮，减少了有毒物质对学生的毒害。 3、层析液的研究 用四氯化碳代替石油醚、丙酮、苯的混合物，无刺激，无毒。4、制备滤纸条的研究 干燥处理的滤纸顺纸纹方向剪成10cm×1cm纸条，一端剪去内角（剪角时最好使其与端线成75-800夹角） 5、 划线工具及方法的研究 用塑料薄片或盖玻片一边蘸取色素滤液按印反复3-5次，比毛细吸管省时省力，效果好。 6、 过滤装置研究 用一块干净细纱布叠成2-4层，铺于直径6cm培养皿上，将研磨后叶片倒在纱布上，收拢纱布用力挤捏，即可在培养皿中收集到色深液浓的色素滤液，大大缩短了实验时间。以上改进后的实验优点显而易见，既减少了有毒物质对学生的毒害，也缩短了实验时间（省去用铅笔画线和吹干滤液线的过程，收取色素液在接用纱布挤捏，易收集到滤液，时间又快），并且实验取材方便，而色素带齐全清晰明显，极大提高了学生的实验兴趣。
4 实验教学中的几点体会与思考
4.1 实验型探究式学习，不光是完成课程目标，培养创新精神和实践能力，还包括学会与各种人际交往和团队协作，尊重和欣赏别人的劳动，培养工作的责任心和计划性。在学习过程中不能光考虑强调实验成果的科学价值和实用价值，而忽视学生在达到这一成果过程中的科学体验和人格发展。
4.2 实验实质是尝试，任何发明创新都离不开尝试，有“尝”（提出假设，探测问题难易）才能“试”（探测解决方法及有效性），没有实验，生物学教学失去了应有的活力。除了完成教材必要的实验外，应适当增加实验内容、提高深度以促进学生分析、判断、推理、综合等思维活动。如因学校师资设备问题导致实验教学不能落实到位，设计简便有效可行的“家庭实验”或引导学生课外带着问题去观察不失为一条弥补途径。（如“植物向性运动的实验设计和观察”、“利用无土栽培技术培养植物”、“观察青蛙的发育过程”等，都可布置为家庭实验；而“调查媒体对生物科学技术发展的报道”、“学校附近生态环境调查”等采用小组调查撰写调查报告、小论文的形式进行教育活动）。学生从中独立发现或获取新知识、新方法、新思路、新见解都是创造性思维的体现。
4.3 探究式教学过程中，教师的角色与传统教学相比，发生了根本性转变。学生可大量依赖教材、教师和校园以外的资源，课堂已不再是学习的唯一场所，学习内容也不仅仅是教科书。教师失去了对教学内容的权威和垄断，教师工作从个体走向合作，从分科走向跨学科综合。教师必须适应角色变化，成为学习的指导者、组织者、促进者、开发者和管理者，而不是越俎代疱，将学生的探索研究引向既定结论，而是提供信息、启发思维、补充知识、介绍方法与线索、引导质疑、探究和创新，使学生自己成为真正意义上的探索者、研究者、发现者。
因此，在学生探究的过程中，教师应当引导学生不断地提出问题，使学习过程变成学生解决问题的过程，另外教师还要指导学生收集和利用学习资源，帮助学生设计发人恰当的学习活动。尤其在生物实验教学的探究式学习中，教师更应当注重培养学生的各种思维能力，创新能力，使学生初步学会科学探索实验学习的一般方法，激发独立思考与独立研究的能力。使学生自己成为真正意义上的创新者。
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