以发明创造促进高中生物学实验教学

石进德

（厦门第一中学集美分校灌口中学，福建厦门361000）

以发明创造促进高中生物学实验教学

石进德

（厦门第一中学集美分校灌口中学，福建厦门361000）

以高中生物学实验为载体，开展科技发明，能激发学生的创新意识和创造性思维，通过发现问题、提出问题、创造性地解决问题，有效地提高实验教学质量与学生的生物科学素养。

发明创造；高中生物学实验；问题

高中生物学课程的核心任务是提高学生的生物科学素养。高中生物学实验教学是提高学生生物科学素养的有效途径之一。笔者以指导学生Z的发明专利“比较气体浓度的同步实验装置”为例，探讨以科技发明促进高中生物学实验教学。

一、问题来源——实验中发现

问题能激发学生的学习兴趣和求知欲，引导学生在实验过程中捕捉实验细微的变化，发现与概念、原理、规律的冲突之处，在对比中发现问题，有利于提高学生的实践能力。

例如，高中生物学教材中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验设计是：取两支试管，分别滴加等量（2ml）的3%过氧化氢，再分别向两支试管滴加2滴新鲜的肝脏研磨液（内含过氧化氢酶）和2滴氯化铁溶液，然后观察试管中气泡产生情况和使带火星木条或卫生香燃烧情况来验证酶的催化具有高效性。学生进行这个经典实验时，发现以下不足：一是滴加氯化铁和肝脏研磨液是分步进行的，不利于同时比较气泡产生的情况。二是带火星木条或卫生香也是先后插入两支试管中，对带火星木条的助燃效果比较也没有同步进行。三是带火星木条或卫生香易接触到试管壁导致木条熄灭。四是用两条带火星木条或卫生香未满足对照实验中单一变量原则，实验过程的准确性、科学性和可靠性必然受到影响。在生物学、化学实验中，对试管中产生的氧气（或二氧化碳、氨气、氯气等）浓度的实验中，也存在类似的问题。

教师启发学生提出问题，（1）能否尝试设计一种对两支试管中化学反应产生气体的浓度进行定性同步比较的实验装置。（2）如何让比较过程同步进行？如何将实验过程设计得更科学合理？要达到上述要求应设计出什么样的装置？

二、尝试解决问题——发明创造

在教师的指导下，学生查阅资料、设计实验装置。众多的方案中，Z同学的方案最有创意，在教师、同学的帮助下，她反复修改方案，制作样品，通过课堂试用后，进一步优化设计方案，最终发明设计出一种对两支试管中化学反应所产生气体的浓度进行定性比较的实验装置，该装置能同步进行操作或演示。

这个装置由底座、立杆、双叉头支架、转轴支钉、试管套筒、等距背板、压簧、夹持物、具支试管、单孔橡皮塞、胶头滴管共同组成。立杆竖直固定在底座的上方，双叉头支架水平固定在立杆的上端；位于双叉头支架左右两侧的叉头的前后两端通过转轴支钉分别与试管套筒铰接；试管套筒内可放置具支试管，具支试管的上端可塞入单孔橡皮塞，胶头滴管可插入单孔橡皮塞的孔内；等距背板竖直固定在双叉头支架的中部上方，压簧的下端固定在等距背板前侧的下端。其中，试管套筒的内径应略大于具支试管的外径，试管套筒的长度为具支试管长度的1/2左右，试管套筒左右转动范围不小于600；为了便于观察试管内化学反应情况，试管套筒应开设2～4个开窗口；等距背板左右两侧的等距弧线是一条以试管套筒的转轴为圆心，以转轴与具支试管的出口端的距离为半径的一段圆弧；根据试管中所产生气体的性质，夹持物可选择点燃的卫生香（比较氧气浓度、二氧化碳浓度等）或试纸（比较氨气浓度、氯气浓度等）或其他物品；夹持物通过压簧横置在等距背板前侧并可上下移动，当夹持物的两头与等距背板左右两端的等距弧线吻合时，具支试管的出口端恰好与之对应。如图1。

图1 比较气体浓度的同步实验装置

下面结合高中生物学“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验进行操作说明。

在本装置两支具支试管中分别加入2ml的3%过氧化氢，将两支分别吸入等量氯化铁溶液和新鲜肝脏研磨液的胶头滴管并分别塞入具支试管的入口端，然后把双头点燃的卫生香夹在等距背板的对应位置，即卫生香的长度与背板宽度相等的位置。接着双手同时捏压胶头滴管，使胶头滴管中的溶液同时进入对应的具支试管内，当具支试管内两种溶液均匀混合后，催化过氧化氢产生水和氧，可观察到滴入肝脏研磨液产生的气泡较多，说明该化学反应更为激烈。随后，氧气会从具支试管的出口端流出，当左右两支具支试管同时转动并使其出口与双头点燃的卫生香等距离接触时，观察到滴入肝脏研磨液试管中流出气体助燃效果更加明显，说明其化学反应产生的氧气较多或浓度较高。由此探究过氧化氢酶和无机催化剂的催化效率不同，酶的催化具有高效性的特点。

除上述例子外，本装置还可对一些气体的浓度进行定性比较。如通过双头点燃卫生香熄灭的快慢来比较试管中产生的二氧化碳的浓度；通过湿润的紫色石蕊试纸颜色由紫变红的快慢来比较氯气的浓度等等。

三、发明创造促进高中生物学实验教学

发明创造促进高中生物实验教学深入开展，有效地提高实验教学质量。

（一）发明创造解决高中生物学实验教学中存在的问题

学生通过简单的结构和简便的操作方式，将两种不同的化学反应进行同步操作，并对两个试管中所产生的气体浓度进行同步比较，克服了以往实验因分步操作引起的偏差，使得实验设计更为科学合理，实验结果更为准确可靠，尤其适合教学演示和学生分组实验，解决了实验教学中存在的科学性不足的问题。

学生在实验过程发现了问题或疑惑，在其他同学的帮助下无法解决时，会寻求教师的指导。借此契机教师启发学生思维，引导思考和讨论，通过优化实验步骤、寻找替代材料、创造新的实验器具、发明新的实验装置等来解决存在的问题。

（二）发明创造提升学生的综合素质和能力

有意识地引导学生发明创造可进一步发挥学生主体作用，提高实验技能，提升生物科学素养。《比较气体浓度的同步实验装置》作品完成后，经多位生物学、化学教师在课堂上演示，得到了师生们普遍的认可和赞赏，申请获得了专利，在第二十届全国发明展览会上荣获金奖，同时获厦门市十佳青少年发明奖。

指导Z同学进行研究并非一帆风顺，家长十分不理解、不认可。该生喜欢动手做些小玩意，但性格内向，缺乏与老师和同学的交流，学习出现一定的障碍，教师想利用科技创新活动，创造机会“逼”她与人交流并表达自已的意见和看法。经过精心策划和安排，我们共同制定了研究方案、制作样品、申报专利、多次模拟答辩，逐步克服了她的胆怯心理，在比赛中，该生终于敢和其他选手针锋相对的相互质疑和探究，面对评委和观众，对答如流。通过该项目的研究，使她懂得如何提出问题、分析问题、解决问题，如何去请教他人，如何与人沟通和合作，学习进步极大。

（三）发明创造促进高中生物学实验教学

1.推动教师深入地研究实验教学

目前高中生物学教学普遍存在教师“讲实验”，学生“背实验”。引导学生针对实验中存在的问题开展发明创造活动，势必改变教师对实验教学应付了事，促进教师深入研究实验教学，提高实验教学质量。

2.弥补课时不足

发明创造可以提高学生的实验兴趣，促进学生课后查阅资料、讨论分析问题、设计实验，了解和掌握实验原理、器材、方法、步骤。这样可以留更多的时间让学生动手做实验，让学有余力的学生充分挖掘自己的潜能，高效地完成实验教学。

3.创设实验条件

发明创造可以节省实验时间和节约实验器材，创设实验条件，让学生更好地实验，提高实验教学效率。

总之，把科技发明、创新教育融入到高中生物实验教学中，激发学习兴趣，启发学生思维，提高实验技能，高效地完成实验，从而有效地提高学生的生物科学素养。

［1］谢雪锦.创设教学情境提高高中生物课堂教学的有效性［J］.福建基础教育研究.2012（2）.

［2］赵英.重视高中生物实验教学培养学生科学素养［J］.科学教育.2011（4）.

（责任编辑：陈欣）

本文系福建省教育科研“十二五”规划2014立项课题“翻转课堂”——高中生物“慕课”实践研究（项目编号：FJJK14-404）研究成果。