例谈高中生物学自主实验的探究
2022-06-08
现阶段，高中生物学实验课通常是教师讲解，学生按照教师所给材料及教材设定的实验步骤完成实验。在实验过程中学生缺乏独立思考，更难谈及实验创新。实验与生物学的发展是紧密联系的，也是高中生物学教学、高考的重要内容。下面结合高中生物学教学实际，以案例的形式对高中生物学实验课进行改进。
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1 案例1：探究气孔的功能
1.1 实验原理
若将保卫细胞浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，保卫细胞会因渗透作用失水，气孔关闭;将保卫细胞浸润在清水中，保卫细胞会因渗透作用吸水，气孔开放。
1.2 材料用具
蚕豆叶，清水，0.3 g/mL的蔗糖溶液，刀片，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸，培养皿，显微镜，手机。
1.3 方法步骤
（1） 制作蚕豆叶下表皮的临时装片。
在载玻片中央滴1～2滴清水。取蚕豆叶片，从背面向内折叠，在折叠处轻轻撕拉，折断处有无色的表皮（下表皮）。用镊子夹取一小块表皮，置于载玻片中央的液滴中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。
（2） 观察气孔。
取镜、对光后，将制好的临时装片置于低倍镜下观察。
先用低倍物镜观察，再用高倍物镜观察，可观察到蚕豆叶的表皮细胞、保卫细胞以及气孔，如图1所示。
从盖玻片一侧滴入质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复几次后，观察气孔的变化，如图2所示。
观察到气孔关闭后，从盖玻片一侧滴入清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复几次后，观察气孔的变化，如图3所示。
1.4 实验评价
通过查阅资料，明确气孔的开放、关闭与保卫细胞吸水、失水之间的关系。教师引导学生根据教材实验“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”，探究保卫细胞吸水、失水的条件以及实验步骤的设计。4～5月正是蚕豆生长旺盛的日子。教师带领学生去大田中采集相同部位长势相似的蚕豆叶片，培训学生制作装片及使用光学显微镜。用手机对光学显微镜视野中观察到的现象进行拍摄记录也是需要重点培训的内容。
完成实验后，教师要求学生根据自己所做的实验提出合适的问题。如“光学显微镜下蚕豆表皮细胞与保卫细胞的颜色有何区别？两者在结构上又有什么不同？”“要使实验结果更准确，应该怎么操作？”“请设计一张表格，用于记录你的实验结果。”“如何设计实验探究影响气孔开闭的因素，如光照、溶质等？”
整个实验在教师引导下，由学生自主完成，让学生得到成功的体验。设计问题环节，紧扣高考实验题考查要求，有利于消除学生对实验题的恐惧感，提高答题效果。
2 案例2：探究花瓣表皮细胞细胞液浓度范围
4～5月，校园里的茶花、杜鹃花开得异常鲜艳，面对美丽的鲜花，花季少男少女总是充满了喜爱。在学生完成教材实验“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”的基础上，引导学生以花瓣为实验材料进行自主实验探究。
2.1 实验原理
配制一系列浓度梯度的KNO3溶液。将花瓣表皮细胞置于不同浓度的KNO3溶液中，相同时间后，观察是否出现质壁分离。若在某一浓度（C1）的KNO3溶液中，花瓣表皮细胞出现质壁分离，而低于该浓度一个梯度（C2）的溶液中未发生质壁分离，则可认为花瓣表皮细胞液浓度（C）介于这两种浓度之间，即C=（C1+C2）/2。
2.2 材料用具
茶花，杜鹃花，KNO3粉末，清水，刀片，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸，培养皿，显微镜。
2.3 方法步骤
（1） 配制KNO3溶液。
配制一系列浓度梯度的KNO3溶液（0.02 g/mL，0.03 g/mL，0.04 g/mL，0.05 g/mL，0.06 g/mL）。
（2） 制作装片。
在载玻片中央滴1～2滴不同浓度的KNO3溶液。取茶花、杜鹃花的花瓣，由背面向内折叠，在折叠处轻轻撕拉，折断处有红色、粉红的花瓣表皮细胞。用镊子夹取一小块表皮，置于载玻片中央的液滴中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。
（3） 光学显微镜的使用。
取镜、对光后，将制好的临时装片置于低倍镜下观察是否发生质壁分离。
2.4 实验结果的记录与分析
（1） 设计实验结果记录表（表1）。
（2） 实验结果：观察在0.03 g/mL的KNO3溶液中的茶花花瓣表皮细胞，发现有质壁分离现象;在0.02 g/mL KNO3溶液中的细胞未观察到质壁分离现象。在0.04 g/mL的KNO3溶液中的杜鹃花花瓣表皮细胞发现有质壁分离现象;在0.03 g/mL的KNO3溶液中的细胞未观察到质壁分离现象。
（3） 实验结论。
根据公式C=（C1+C2）/2，茶花花瓣表皮细胞液浓度与0.025 g/mL的KNO3溶液浓度相当;杜鹃花花瓣表皮细胞细胞液浓度与0.035 g/mL的KNO3溶液浓度相当。
（4） 实验反思。
预实验中，在0.1 g/mL的KNO3溶液中的茶花、杜鹃花花瓣表皮细胞发生质壁分离后，未观察到不能自动复原，5min后加清水，也不能复原，且细胞中红色褪去。
在0.05 g/mL的KNO3溶液中的细胞观察到已发生质壁分离现象，且一段时间后未观察到质壁分离自动复原现象，从而确定KNO3溶液的浓度梯度。
整个实验过程均未观察到质壁分离自动复原现象，这与理论不符。学生讨论后得出原因可能是用于处理的KNO3溶液的量不够，来年茶花、杜鹃花开放时，教师可引导学生重新设计实验（如将花瓣表皮细胞置于含有浓度能引起其质壁分离的KNO3溶液的培养皿中）进行探究。
公式C=（C1+C2）/2所得的细胞液浓度是一个粗略值，教材中用初始质壁分离来界定植物细胞细胞液浓度。
“初始质壁分离”是指细胞的角隅处，开始出现质膜及其以内部分离开细胞壁的状态，能引起约50%的细胞发生初始质壁分离的外界溶液浓度就是细胞液的浓度。对于现阶段的高中学生来说，这一界定方法有两个难点：① “初始质壁分离”的判断;② 细胞数目的准确统计。教师可引导学生进行自主实验的探究，主要是让学生体会实验前准备工作的复杂性（包括预实验）、感受实验设计过程的逻辑严密性，通过预测实验结果以及实验结论的分析等培养逻辑思维能力与表达能力，最重要的是要增强学生学习过程中的成功感，让学生乐于进行自主实验探究。基于以上考虑，笔者选择公式C=（C1+C2）/2来估测花瓣表皮细胞的细胞液浓度。
高中生物学实验遵循对照原则，自变量、因变量的确定，以及无关变量的排除是实验题的常考内容。本自主实验中，可引导学生思考：花瓣表皮细胞经各浓度KNO3溶液处理的时间如何设置相同？要得出科学的实验结论，需要进行重复实验。如何体现该实验的可重复性？若需要测定比较准确的茶花、杜鹃花的花瓣表皮细胞细胞液浓度，可怎样设计实验？教师按照“最近发展区”理论设计呈“阶梯式”的问题，促进、、引导学生思考解决问题，促进学生自主提出问题。
2014年启动的以浙江、上海为试点的新高考方案下的整个高中教学将没有文理科之分，实行统一高考与高中学考，必考与选考相结合。高校对学生进行选择，学生对考试科目自主选择。生物学最大的特色是以生命现象及其活动规律为研究对象，最基本的研究方法是观察与实验。通过引导学生进行自主实验的探究来激发学生学习生物学的兴趣从而提高生物学学习成绩应该是有效的。
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1 案例1：探究气孔的功能
1.1 实验原理
若将保卫细胞浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中，保卫细胞会因渗透作用失水，气孔关闭;将保卫细胞浸润在清水中，保卫细胞会因渗透作用吸水，气孔开放。
1.2 材料用具
蚕豆叶，清水，0.3 g/mL的蔗糖溶液，刀片，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸，培养皿，显微镜，手机。
1.3 方法步骤
（1） 制作蚕豆叶下表皮的临时装片。
在载玻片中央滴1～2滴清水。取蚕豆叶片，从背面向内折叠，在折叠处轻轻撕拉，折断处有无色的表皮（下表皮）。用镊子夹取一小块表皮，置于载玻片中央的液滴中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。
（2） 观察气孔。
取镜、对光后，将制好的临时装片置于低倍镜下观察。
先用低倍物镜观察，再用高倍物镜观察，可观察到蚕豆叶的表皮细胞、保卫细胞以及气孔，如图1所示。
从盖玻片一侧滴入质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复几次后，观察气孔的变化，如图2所示。
观察到气孔关闭后，从盖玻片一侧滴入清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复几次后，观察气孔的变化，如图3所示。
1.4 实验评价
通过查阅资料，明确气孔的开放、关闭与保卫细胞吸水、失水之间的关系。教师引导学生根据教材实验“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”，探究保卫细胞吸水、失水的条件以及实验步骤的设计。4～5月正是蚕豆生长旺盛的日子。教师带领学生去大田中采集相同部位长势相似的蚕豆叶片，培训学生制作装片及使用光学显微镜。用手机对光学显微镜视野中观察到的现象进行拍摄记录也是需要重点培训的内容。
完成实验后，教师要求学生根据自己所做的实验提出合适的问题。如“光学显微镜下蚕豆表皮细胞与保卫细胞的颜色有何区别？两者在结构上又有什么不同？”“要使实验结果更准确，应该怎么操作？”“请设计一张表格，用于记录你的实验结果。”“如何设计实验探究影响气孔开闭的因素，如光照、溶质等？”
整个实验在教师引导下，由学生自主完成，让学生得到成功的体验。设计问题环节，紧扣高考实验题考查要求，有利于消除学生对实验题的恐惧感，提高答题效果。
2 案例2：探究花瓣表皮细胞细胞液浓度范围
4～5月，校园里的茶花、杜鹃花开得异常鲜艳，面对美丽的鲜花，花季少男少女总是充满了喜爱。在学生完成教材实验“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”的基础上，引导学生以花瓣为实验材料进行自主实验探究。
2.1 实验原理
配制一系列浓度梯度的KNO3溶液。将花瓣表皮细胞置于不同浓度的KNO3溶液中，相同时间后，观察是否出现质壁分离。若在某一浓度（C1）的KNO3溶液中，花瓣表皮细胞出现质壁分离，而低于该浓度一个梯度（C2）的溶液中未发生质壁分离，则可认为花瓣表皮细胞液浓度（C）介于这两种浓度之间，即C=（C1+C2）/2。
2.2 材料用具
茶花，杜鹃花，KNO3粉末，清水，刀片，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸，培养皿，显微镜。
2.3 方法步骤
（1） 配制KNO3溶液。
配制一系列浓度梯度的KNO3溶液（0.02 g/mL，0.03 g/mL，0.04 g/mL，0.05 g/mL，0.06 g/mL）。
（2） 制作装片。
在载玻片中央滴1～2滴不同浓度的KNO3溶液。取茶花、杜鹃花的花瓣，由背面向内折叠，在折叠处轻轻撕拉，折断处有红色、粉红的花瓣表皮细胞。用镊子夹取一小块表皮，置于载玻片中央的液滴中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。
（3） 光学显微镜的使用。
取镜、对光后，将制好的临时装片置于低倍镜下观察是否发生质壁分离。
2.4 实验结果的记录与分析
（1） 设计实验结果记录表（表1）。
（2） 实验结果：观察在0.03 g/mL的KNO3溶液中的茶花花瓣表皮细胞，发现有质壁分离现象;在0.02 g/mL KNO3溶液中的细胞未观察到质壁分离现象。在0.04 g/mL的KNO3溶液中的杜鹃花花瓣表皮细胞发现有质壁分离现象;在0.03 g/mL的KNO3溶液中的细胞未观察到质壁分离现象。
（3） 实验结论。
根据公式C=（C1+C2）/2，茶花花瓣表皮细胞液浓度与0.025 g/mL的KNO3溶液浓度相当;杜鹃花花瓣表皮细胞细胞液浓度与0.035 g/mL的KNO3溶液浓度相当。
（4） 实验反思。
预实验中，在0.1 g/mL的KNO3溶液中的茶花、杜鹃花花瓣表皮细胞发生质壁分离后，未观察到不能自动复原，5min后加清水，也不能复原，且细胞中红色褪去。
在0.05 g/mL的KNO3溶液中的细胞观察到已发生质壁分离现象，且一段时间后未观察到质壁分离自动复原现象，从而确定KNO3溶液的浓度梯度。
整个实验过程均未观察到质壁分离自动复原现象，这与理论不符。学生讨论后得出原因可能是用于处理的KNO3溶液的量不够，来年茶花、杜鹃花开放时，教师可引导学生重新设计实验（如将花瓣表皮细胞置于含有浓度能引起其质壁分离的KNO3溶液的培养皿中）进行探究。
公式C=（C1+C2）/2所得的细胞液浓度是一个粗略值，教材中用初始质壁分离来界定植物细胞细胞液浓度。
“初始质壁分离”是指细胞的角隅处，开始出现质膜及其以内部分离开细胞壁的状态，能引起约50%的细胞发生初始质壁分离的外界溶液浓度就是细胞液的浓度。对于现阶段的高中学生来说，这一界定方法有两个难点：① “初始质壁分离”的判断;② 细胞数目的准确统计。教师可引导学生进行自主实验的探究，主要是让学生体会实验前准备工作的复杂性（包括预实验）、感受实验设计过程的逻辑严密性，通过预测实验结果以及实验结论的分析等培养逻辑思维能力与表达能力，最重要的是要增强学生学习过程中的成功感，让学生乐于进行自主实验探究。基于以上考虑，笔者选择公式C=（C1+C2）/2来估测花瓣表皮细胞的细胞液浓度。
高中生物学实验遵循对照原则，自变量、因变量的确定，以及无关变量的排除是实验题的常考内容。本自主实验中，可引导学生思考：花瓣表皮细胞经各浓度KNO3溶液处理的时间如何设置相同？要得出科学的实验结论，需要进行重复实验。如何体现该实验的可重复性？若需要测定比较准确的茶花、杜鹃花的花瓣表皮细胞细胞液浓度，可怎样设计实验？教师按照“最近发展区”理论设计呈“阶梯式”的问题，促进、、引导学生思考解决问题，促进学生自主提出问题。
2014年启动的以浙江、上海为试点的新高考方案下的整个高中教学将没有文理科之分，实行统一高考与高中学考，必考与选考相结合。高校对学生进行选择，学生对考试科目自主选择。生物学最大的特色是以生命现象及其活动规律为研究对象，最基本的研究方法是观察与实验。通过引导学生进行自主实验的探究来激发学生学习生物学的兴趣从而提高生物学学习成绩应该是有效的。