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人教版高中生物学必修教材实验的开课分析及修订建议

[日期:2016-09-07] 来源:《课程教材教法》2016年第6期  作者:吴成军 万雪雪 [字体: ]

  摘要:人教版高中生物学必修教材中的35个实验在“参与程度”“实验效果”“未做的原因”“设置的必要性”四个方面虽然各有差异,但基本是统一的;对实验进行修订要全面考虑课标的要求、实验的目的、实验的可操作性等方面的因素;实验的修订可以从实验材料、试剂、步骤等方面进行优化。

  关键词:生物学实验;调查问卷;课程标准;修订建议

 

  自2004年以来,人教版高中生物学必修教材使用已近12年,高中生物教师在实验教学的过程中积累了很多宝贵经验。目前,新的课程标准正在制定之中,预计今年年底将正式颁布,高中生物学教材必将进行重新编写或者大修订。作为对以前工作的梳理和总结,我们在问卷调查、文献分析的基础上,以课题的形式对高中必修教材中的实验进行了研究。

一、调查问卷的制定及说明

  我们针对高中生物学必修三本教材中的35个学生实验(包括探究、模拟实验、制作模型、调查),调查了北京、广州、武汉、贵阳、苏州和衡阳六个城市(包括城镇)中的高中生物学教师。之所以选择城市的学校进行调查,是因为从目前已知的现状来看,农村学校的生物教师基于实验条件等原因,是基本不做生物实验的。调查时严格限定每所学校只能填写一份问卷,以避免数据重复。

  实验调查表围绕着学生的参与程度、实验效果、未做的原因、设置的必要性四个方面进行调查,每个方面又分为若干选项,让教师进行选择。

  本次调查共收到270份调查问卷,全部有效。

二、调查的数据统计及分析

  (一)各实验参与程度差异很大,未做实验的比例较高

统计表明,实验的完成情况不理想,大多数实验的完成率较低,全年级学生都做的实验比例为29.26%,未做的比例为48.26%(见图1)。

实验完成的总体情况

  各个实验的完成情况差异较大,没有一个实验是所有调查教师全做的,完成率最高的实验是“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”,为92.2%,最低的是“设计并制作生态缸,观察其稳定性”,仅为0.8%。

  从教材模块来看,“分子与细胞”模块中的实验完成情况最好,“稳态与环境”模块中的实验完成情况最差,每个实验的未做率都很高。

  分析完成率较高的实验,发现有如下特点:(1)操作简单、明确;(2)实验效果明显;(3)课内基本能够完成,不需要花费课外的时间;(4)主要集中在必修一模块中。

  分析完成率很低的实验,主要情况是:大多数教师并没有让学生实践,而是靠讲实验来完成教学任务。未做率超过50%的实验有18个,占总体实验的比例为51.43%(表1)。

 表1  未做率超过50%的实验一览

实验名称

未做率(%)

实验名称

未做率(%)

体验制备细胞膜的方法

67.4

生物体维持pH稳定的机制

71.1

通过模拟实验探究膜的透性

53.3

建立血糖调节的模型

61.9

探究酵母菌细胞呼吸的方式

51.5

探究生长素类似物促进插条生根最适浓度

71.1

探究环境因素对光合作用强度的影响

78.1

用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度

61.9

细胞大小与物质运输的关系

54.1

探究培养液中酵母菌种群数量的变化

73

低温诱导植物染色体数目的变化

80

探究土壤中小动物类群丰富度的研究

77.8

探究自然选择对种群基因频率变化的影响

68.1

调查当地农田生态系统中的能量流动情况

65.6

调查人群中的遗传病

74.8

探究土壤微生物的分解作用

88.9

调查转基因食物的发展现状

61.5

设计并制作生态缸,观察其稳定性

94.8


(二)实验效果分析

  实验效果直接影响实验操作的积极性。从调查的数据来看,有11个实验的效果较好,占总体实验数量的31.4%。实验效果较差的实验有:“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”(24.8%);“探究土壤微生物的分解作用”(24.7%);“观察蝗虫精母细胞减数分裂固定装片”(20.4%);“探究土壤中小动物类群丰富度的研究”(20%);等等。

  分析实验效果较差的实验,它们都有一些共同的特点:操作难度大、耗费时间长;需要课前进行大量的准备工作,有些实验必须延续到课后;学生需要有较强的操作技能,需要教师耐心而细致地指导。

(三)未做实验的原因分析

  下面是根据35个实验未做原因统计的数据而绘制的柱状图(图2)。


2    未做实验的原因

  从调查情况来看,未做实验的原因各不相同。“时间太紧”是普遍原因,占未做原因的39.4%。

  “时间太紧”有三个方面的原因。第一,目前国内以一个学期一个模块的进度进行教学(每周2课时),部分地区是高二开设生物课,一个模块也就半个学期(每周4课时),课时相对较少,因此,生物教师普遍存在赶课时、赶教学进度的问题。第二,教师没有真正认清教学中的重点和难点,导致所有的教学内容平均用力,同时也受应试教育的影响,讲得过快,好让学生有大量的时间进行课堂习题训练。第三,是实验本身的原因,如“调查转基因食物的发展现状”这类活动,需要学生花费大量的课外时间完成,条件不具备的学校(如住校学生)当然就无法完成了。要改变其中第二条原因所呈现的状况,就必须进行培训,让教师真正认识实验的重要作用和意义,同时,在学业和升学考试中增加实验技能的考核。

  选择“操作难度大”这一原因的教师有25.8%。其中最明显的实验是“低温诱导植物染色体数目的变化”和“探究酵母菌细胞呼吸的方式”。在以后的教材修订中要考虑降低这类实验的难度或进行删除。

  选择“没有实验效果”和“缺乏实验材料”这两项的教师并不多。其中需要注意的是:“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验,在未做教师中有47.9%认为是“没有实验效果”。具体分析该实验,是因为该实验存在操作难度大,学校条件不具备,实验时可控因素较多而导致实验效果差等原因。“体验制备细胞膜的方法”“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”,这两个实验都有20%以上的教师认为实验材料缺乏。在教材修订时也需要考虑,并进行处理。

  分析“对教学帮助不大”的实验。例如,“建立血糖调节的模型”实验,认为该实验对教学没有帮助的比例高达40.1%。具体分析,发现该实验的主要作用在于通过建立模型来认识血糖是通过调节来实现平衡的。从实际效果来看,该实验有些烦琐,把简单的问题复杂化。修改时要统筹考虑该实验帮助学生理解模型建构中的独特作用。

  综合考虑各项原因,着重考虑“难度太大”和“对教学帮助不大”两项原因,可以看出这些实验的一些特点,并做如下修订处理:(1)有些实验需要课前、课中和课后结合起来,花费较长的时间才能完成。例如,“探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”“调查当地农田生态系统中的能量流动情况”“设计并制作生态缸,观察其稳定性”,等等,这类实验要尽量减少数量,避免加重学生的学业负担;(2)一些实验的操作难度大,效果不明显,如“低温诱导植物染色体数目的变化”“调查当地农田生态系统中的能量流动情况”“探究土壤微生物的分解作用”,等等,这类实验可以考虑简化或删减;(3)一些实验缺乏实验材料,如“体验制备细胞膜的方法”“细胞大小与物质运输的关系”等,这类实验可以在教参中提供多样的实验材料,方便教师选择使用.而“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”,不仅缺乏场地,操作起来也很困难,这类实验则应考虑删除,并将实验中的科学方法排入正文,当然也可以考虑这类实验放在课后完成,作为课外实践活动的形式呈现;(4)对教学帮助不大的实验,如“建立血糖调节的模型”等,可以考虑删除或修改,当然,具体的修订情况还需要依据新的课程标准的要求进行。

(四)实验设置的必要性分析

  从调查的情况来看,受调查教师认为大多数实验是有必要设置的,以50%的支持率进行统计,认为有必要设置的实验占总数的62.9%。可见,受调查教师对教材中生物实验的设置总体上是认同的。但是,以下实验的认同度比较低,需要特别研究处理:“低温诱导植物染色体数目的变化”“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”“设计并制作生态缸,观察其稳定性”“生物体维持pH稳定的机制”“探究土壤微生物的分解作用”“调查人群中的遗传病”。

  实验设置的必要性与实验的价值有关,有些实验是其本身的价值不高,有些实验是教师对其价值的认识不到位,这些都需要甄别处理。

总体来看,实验设计必要性不高的实验与上文提到的“参与程度”“实验效果”和“未做原因”这三项调查的基本情况是一致的。当然,受调查教师认为一些实验的必要性较低,这不是由教师的主观意愿所决定的,也可能存在教材编者的意图并没有切实让教师理解的因素。因此,加强实验的解读和培训是提高教师认识的最有效方法。

三、依照课标和教材的要求、问卷调查数据对实验进行不同的处理

  一个实验是保留、删除或者修订,并不完全取决于教师的意见,而应全面考虑课程标准、教材和其他意见,特别是要考虑新的课程标准中关于实验设置的要求。

  首先,要考虑高中生物学课程标准的要求。如果课程标准提出了明确的要求,该实验就应该保留。如果该实验操作难度大或效果不明显,就应该对该实验进行修订,降低其操作难度,提高其实验效果。例如,“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验,在课程标准的“具体内容标准”中有明确要求:“研究影响光合作用速率的环境因素。”[1]因此,尽管该实验有78.1%的教师没有带领学生完成,但也不能简单地删除,具体分析未做该实验的原因,有47.9%的教师认为实验效果不好,客观地分析该实验,最主要的原因是班级人数过多,实验时难以保证实验条件而导致实验效果不佳,因此,在教师用书中提供多种可行的方案是保证完成此类实验的关键。

  即将颁布的生物学课程标准非常重视培养学生的生物学核心素养,“科学探究”是生物学核心素养的四个方面之一,因此,修订教材时要着重考虑生物学实验在科学探究中的重要地位和作用,通过探究实验培养学生进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流和讨论的能力。基于生物学核心素养的要求,轻易地删除一些实验是不恰当的,尽管这些实验有一定的操作难度,但更多的是教师的观念和惰性阻碍了实验的课堂实施。

  其次,要考虑生物学教材对每个实验的设计目的。如果课程标准并未对实验做出明确的要求,但该实验在教材的相关章节中处于重要的地位,如有以下三种情况:(1)有需要学生学习的重要的科学方法;(2)需要对学生进行实验和探究技能的培养;(3)有利于教材中的重要概念的学习和理解。这时就要根据实际情况采取不同的处理方法:一是完整保留该实验;二是保留该实验,但这类实验的操作难度大或实验效果不明显,则需要进行修订,降低实验操作难度,提高实验效果;三是删除该实验,将其中的实验方法或探究技能单独拿出来,以“科学方法”或“探究技能”的形式呈现出来,也可以将该实验作为课外实践活动的形式呈现。例如,“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”这个实验,在课程标准中并没有明确的要求,分析该实验,有61.9%的教师并未让学生完成,实际情况可能比调查数据更高,这就说明该实验的难度太大了,而且学校的条件及学生的时间有限,实验效果也不明显,教师没有带领学生完成该实验是件非常正常的事情,是不是简单删除该实验就解决问题呢?认真分析该实验,发现实验中的调查植物种群的“五点取样法”和“等距取样法”等方法很重要,是学生必须了解调查种群密度的科学方法,因此,可以建议将这些科学方法单独放在正文中,以“科学方法”的栏目形式呈现出来,而整个实验则可以考虑是否进行删除或者作为课外实践活动的形式呈现。

  再次,如果课程标准没有明确的要求,教材中该实验的目的并不是教学的重点,而该实验的操作难度大,效果不明显,教师的意见也很大,是不是该删除这些实验呢?例如,“调查当地农田生态系统中的能量流动情况”实验,尽管在课程标准的“活动建议”中有所提及,从实际情况看,该实验操作性较差,效果也不明显,可以考虑删除或简化实验要求。

‍  最后,无论是教科书的编写者还是一线教师,都应该认识到,生物学实验对于生物学教学的重要价值,对于学生核心素养形成的重要影响,不能轻易否定一个实验的价值,而应多创造条件,努力落实实验所蕴含的重要价值,努力落实“教学过程重实践”这一重要的教学理念。

四、例举部分实验的修订或教学建议

  降低实验难度,提供多样的实验材料供教师选用,对实验试剂和实验步骤进行优化,是修订和完善实验的重要原则。下面是借鉴已在正式生物学期刊上发表的论文,以及本人多年的教学和实验经验而进行的部分实验的修订或教学建议。主要涉及以下三个方面:实验材料和实验仪器、实验步骤、拓展实验及其他方面。

(一)实验材料的修订或教学建议

  在教科书或教师用书中提供多样的实验材料,让全国各地的生物教师可以根据实际情况进行选用,这样的修订是值得提倡的。限于篇幅,仅举一例。

  在“用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”实验中,教材选用的实验材料为藓类的叶或者菠菜的叶。藓类生长在春夏温暖背光的环境里,叶绿体的含量比较少,冬天北方没有活体藓类,而此实验要在冬天做,所以藓类作为实验材料有其局限性。因此,用万年青的叶片替代,万年青是一种观赏植物,种植比较广泛,其叶片较厚,叶肉细胞中叶绿体的含量较多,是理想的实验材料。通过实验比较韭菜、红薯叶、菠菜、牛皮菜、水葫芦、芭蕉叶等材料,发现红薯叶和菠菜是比较理想的实验材料,不仅取材方便,而且叶绿体多,容易观察[2](表2)。

  教材中是以人的口腔上皮细胞作为观察线粒体的材料,需要经过染色,操作繁琐。采用孔雀草花冠腺细胞作为实验材料,不需要染色,而且线粒体较多,实验效果明显(表2)。

    表2“用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”实验的修订建议

鉴定物质

教材中的材料

修订后的材料

材料优点说明

叶绿体

藓类的叶、菠菜叶、黑藻叶

万年青、红薯叶、菠菜叶、黑藻叶

取材容易、叶绿体多、实验效果明显

线粒体

人口腔上皮细胞

人口腔上皮细胞、孔雀草花冠腺细胞

不需要染色,并且线粒体分布较多,实验效果明显

 

  针对实验材料的修订还有很多,如“探究植物细胞的吸水与失水”的实验材料,可以找到很多很好的实验材料进行替代。

(二)实验步骤的修订或教学建议

  考虑到教材的实际操作步骤,结合教师经实践检验的一些可行的实验操作步骤进行改进,是教材实验适切性的重要方面,也是教学中经常采用的有效策略。下面以“绿叶中色素的提取和分离”实验进行分析说明。

  教材“画滤液细线”的步骤是非常重要的操作环节,关系到色素在滤纸上扩散的清晰度。可将教材中“用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线”改为:先准备一块干净载玻片,用滴管吸取一滴滤液滴在上面。同时把准备好的滤纸条的一侧折出一个长约3 mm 的宽度,再用这个小面积快速蘸取滤液,迅速把纸条拉直,吹干。这样做的好处是:纸面线上会布满色素,既保证了色素的量,同时由于纸条是被折齐的边,所以不会出现滤液线不齐的情况,可以在一定程度上减少烦琐操作,降低实验操作难度。[3]还可以将划线工具改为书写钢笔。用洁净的钢笔蘸取色素滤液,沿铅笔细线画线,速度可以缓一些,重复 4~5 次,这样画出的线条细、匀、直,效果比毛细吸管明显要好。[3]层析操作方法的改进:将滤纸条轻轻插入层析液中,随后用棉塞塞紧试管口。这样做时,学生很容易就把滤液细线浸在层析液中,或滤纸条在试管中靠壁而非直立,影响实验结果。改进方法:将一块纸盖在放有层析液的烧杯口,并用橡皮筋封好,再用一刀片沿着纸圆面的直径划出一个口,把干燥好的滤纸条从这个口慢慢放入层析液的烧杯里。此方法简单、实用,操作方便,很大程度上避免了滤液细线浸在层析液中的问题。[4]

(三)实验试剂和其他方面的修订或教学建议

  选用最合适的实验试剂,采用更合理的实验方案是教材编者和一线教师的共同追求,事实上,由于教材篇幅有限,或者由于教材编者的思路有限,不可能提供更多或更好的实验试剂和方案,这就要求一线教师多进行实践创新,另一方面也要求教材编者在教师用书中尽可能地提供多样的试剂或方案供教师选用。限于篇幅,这里仅举几例。

  在“探究植物细胞的吸水与失水”实验中,可将教材中的实验试剂0.3 g/mL的蔗糖溶液改为蔗糖溶液的浓度为0.35 g/mL,此时实验效果最佳。也可以采用KNO3溶液作为实验试剂,实验效果也很明显。[5]

  关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的提取液的改进:教材中的提取液主要是无水乙醇,但无水乙醇提取色素的效果不明显,为了尽可能地提取叶片中的色素 ,可以用丙酮加石油醚作为提取液,即在加入 3 mL 丙酮后,再加入 2 mL 石油醚,改进后的提取液可以提高胡萝卜素的提取效果,使色素带的分离现象更加明显。[6]也可以采用乙醇:丙酮:蒸馏水=4.5:4.5:1的提取液来提取叶绿体中的色素,效果十分明显。[7]层析液的改进:教材中选用的层析液是 93 号汽油或 20 份石油醚加 2 份丙酮加 1 份苯混合而成,经实验验证,采用20份93号汽油,2份丙酮,2份石油醚,1 份苯制成的层析液进行实验时效果最好。[8]也可以采用石油醚:丙酮 =10:1配成的层析液,这种层析液能清晰地将叶绿体中的几种色素分离开来,且层析液层不含有毒的苯。[9]

  “观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”,教材中使用的染色剂是龙胆紫溶液(或醋酸洋红液),实验时发现,用该试剂染色3~5 min,染色后颜色太深,容易造成染色成团,不易观察、放置久后实验效果变差。针对这个问题,可以改用改良苯酚碱性品红染液染色或改良卡宝品红染液,染出的效果层次清晰,而且该染液可以长期存放。[10]教材中采用的解离液为10%的盐酸,解离时间为10~15min。如果改用浓度为15%的盐酸或酒精、盐酸混合液。(37%的浓盐酸和95%的酒精各半,此液易挥发,需现配),解离时间只需3~5min,解离后的根尖呈透明状,酥软程度好。[11]

  在“细胞大小与物质运输的关系”的实验中,NaOH溶液属于强碱,有很强的腐蚀性,给实验带来一定的危险性,同时,NaOH溶液用量大,成本高,给学校开设该实验带来困难,如果用淀粉琼脂块替代酚酞的琼脂块,用碘液替代NaOH溶液,就能避免上述问题,同样能达到很好的效果。[12] [13]也可以利用含石蕊的琼脂块替代含有酚酞的琼脂块作为实验材料,将醋酸溶液替代NaOH溶液,效果一样明显。[14]另外,该实验还存在以下事实:制作出来的琼脂块残缺不全,全年级完成实验,最终需要倒掉大量的琼脂块,造成较大浪费。针对这个问题,建议利用模具制作琼脂块,即采用不同规格的制胶格制取胶体,制出的胶体表面规则,提高了实验结果的精确度,同时不会产生剩料和费料的问题,降低了实验成本,有利于开展该实验。这些建议和方案即使不出现在教科书中,但也可以为教师用书提供参考案例。

  实验的开课率不高是多方面原因造成的,为了提高实验的开课率,落实每个实验的育人价值,对于教材编者而言,提供恰当的实验材料和可行的实验方案,在教师用书中呈现经实践检验的多样方案供教师选用,是非常有必要的;对于教师而言,深入理解每个实验的独特价值,尽量创造条件让学生亲自操作和体验,是新时期教师的基本要求,也是教师的自身素养得以体现的重要方面。

 

  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(实验)[S].北京:人民教育出版社,2003:12.

[2]马勤英.红薯叶是观察叶绿体的好材料[J].实验教学与仪器,2003(11):22.

[3]胡秉芳.“绿叶中色素的提取和分离”实验的几点改进[J].甘肃教育,2001(1-2):83.

[4]任延红.“叶绿体中色素的提取和分离”方法改进[J].中学生物教学,1997(1):38.

[5]林宏.探究“植物细胞的吸水和失水”实验取材及试剂改进[J].新校园,2013(2):136.

[6]李琴.绿叶中色素提取方法的改进[J].科学教育,2012(5):143.

[7]魏凯.对“绿叶中色素的提取和分离”实验的解读与改进[J].科学教育,2007(3):57.

[8]李琴.绿叶中色素提取方法的改进[J].科学教育,2012(5):143.

[9]李佳健.“绿叶中色素的提取和分离”实验改进[J].现代阅读,2012(5):143.

[10]周晓阳.对植物细胞有丝分裂实验的改进[J].生物学教学,1994(4);34.

[11]吴秉国.对“观察植物细胞有丝分裂实验的”一点改进[J].徽州师专学报(自然科学版),1997(1):106.

[12]杨运春.“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验的改进[J].生物学通报,2005(9):29.

[13]潘建勋.“细胞大小与物质运输的关系”模拟实验的改进探究[J].生物学通报,2009(7):38.

[14]俞如旺.“细胞大小与物质运输的关系”实验的改进研究[J].生物学通报,2013(3):38.

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