从“学生视角”出发的高中生物探究实验教学策略

林书娴

【摘要】以“探究pH对酶活性的影响”为实例，论述高中阶段基于“以学生为主体”的实验教学策略，通过多样化引导、优化教学模式、改进实验方法，有效落实学生探究能力的培养，实现探究学习核心素养的可持续发展。

【关键词】学生视角;引导探究;自主探究

探究教学是以人本主义理论为基础，强调教师启发下的学生探究发现的过程，发挥学生主体性，达到对所学知识的有意义构建。探究实验的开展对分析思维、动手操作、团体协作能力提出较高的要求，以“探究影响酶活性的条件”为例，学生的难点主要表现在：缺乏设计实验的经验、动手能力不强操作不当、不能对实验现象进行深入分析等。因此教师要充分考虑教学对象的特点，站在“学生视角”去思考——了解学生的能力，预判学生的反应，观察学生的课堂表现，记录实践中的难点，反思教学设计的不足并持续改进。

一、关注学生的课程体验，在实验内容上做“减法”

探究实验的教学内容不需要局限于一节课内完成一个实验，应该以教学目标为依据，同时结合学生的能力和基础：一些简单明晰的体验式探究，可以将几个实验合并完成;一些引导式探究、自主式探究的实验则可以加长时间，如划分为课前的准备阶段（提出问题、查阅资料、制定方案、预实验等）、课堂的实践阶段、课后的延伸阶段（重复实验、改进实验、拓展新问题等）。

在大部分教师的教学实践中，“探究影响酶活性的条件”都是安排一个课时完成，即在一节课内探究温度和pH对酶活性的影响。教学流程通常是先分别设计两个实验的方案，然后分组操作得出结果。受时间限制，每个小组只能完成其中一种自变量的操作。我从“学生视角”出发进行反思：“学生在这种课程安排下会有怎样的体验呢？”必然是疲于应对的。想要兼顾两个实验，探究活动的每一个环节只能匆匆掠过，学生没有时间去主动思考，没有空间去内化对实验原理和方案的理解，实验过程中产生的疑问没有机会自主解决，被课堂进度机械地拉动。这样“蜻蜓点水”般的课程设计只是表面的、形式上的探究，不能带动学生的主动参与。另外每位学生只能完成一项实验操作，即使能听其他小组介绍另一个实验，但无法动手操作、观察现象，这样的“纸上談兵”缺失了将理论转化为实践的关键环节。

为确保学生能体验探究活动的完整过程，我将本实验安排调整为两个课时，在第一节课做“减法”——只进行“pH对酶活性影响”实验。先引导学生将这个实验做的完整、准确、透彻，夯实基础，再迁移到第二节课的“温度对酶活性影响”实验，学生就能自主完成探究。

二、思考学生设计实验方案时的难点，在引导设计时设置“任务”

设计实验方案是探究活动中难点集中的环节，教师已普遍认同不应给出既定的方案让学生按部就班地完成，而应以学生为主体来生成。那么，是否让学生独立设计方案才能体现主体性呢？在“探究影响酶活性的条件”早期教学中，我采用“学案导学、先学后教”的策略，设计的学案中只列出探究活动的流程，开放性很强，要求学生课前分组设计方案，课堂上交流后进行实验。从实际情况反馈，只有四分之一的实验小组能设计出稍成形的方案，教师需在课前针对各个方案进行个性化指导，工作量非常大，而如果没有指导到位，大部分学生在实验中将始终处于茫然的状态。遇到阻力后，我站到“学生视角”进行分析：这是高一开展较早的一个探究实验，学生缺乏经验的积累，实验本身在选材、分组、控制变量方面要考虑的细节众多，要求学生独立设计是脱离能力基础的。因此我将教学策略改进为“任务驱动、问题导学”，把重心放在加强设计方案的引导，设置形式多样的学习任务为难点的突破铺设台阶。

面对实验桌上的多种试剂，学生感觉无从下手，我整理了以下信息引导学生选择材料：“酶溶液：质量分数2%的淀粉酶溶液、肝脏研磨液。底物：质量分数3%的淀粉溶液（酸能促进淀粉水解）、质量分数3%的HO溶液（高温下HO分解加快）”，请学生选取材料填写表格（如下表）。填表任务能带动学生有条理地思考：首先是酶和底物的组合选择，一种酶对应于相应底物，体现酶的专一性;其次，材料的选择应依据实验目的，如考虑到HO分解受温度影响，以温度作为自变量时便不能选择这一组合，体现单一变量原则。学生明白了原理，选对了材料，便迈出了自信的第一步。

下一步是引导学生设计操作步骤，我列出了以下问题：（1）要探究pH对酶活性的影响，你将设定哪几个pH值？（2）怎样调节各组的pH达到设定的数值？（3）无关变量有哪些，如何控制？（4）因变量是什么，你怎样检测因变量？（5）根据你的假设，各组会看到怎样的实验现象？这些问题涵盖了设置自变量、控制无关变量、检测因变量等核心要点，逐步思考和解决这些问题，一套比较成形的操作方案就水到渠成了。

根据以往的观察，学生在调节pH时往往缺乏思辨，操作随意，导致自变量的控制不准确。直接告诉学生正确方法肯定是下策，那么是否提前组织学生讨论，总结出统一的做法就是上策呢？我在这里做了“留白”的设计——在操作前提出任务：“每个pH条件下，酶、底物、缓冲溶液应该按什么顺序加入试管呢？请各小组讨论后进行实验。”首先，提醒学生要思考这个问题，但不马上交流，各组按讨论的方案去实施，教师在实验后引导回归这个步骤的讨论，合理的方法届时便会呈现出来。这样的策略鼓励学生先想后做，在做中学，在实践后反思，使实验设计过程获得动态的生成性，无疑是更胜一筹的选择。

经过这节课的训练，当开展“温度对酶活性的影响”新实验时，要求学生独立设计完整严谨的方案就完全可行了，从而实现了从“引导式探究”到“自主式探究”的螺旋化提升。当教师积极提供辅助，在学案中以资料、表格、图例等直观形式呈现信息，在课堂上设置问题、讨论、反思等学习任务带动思考，学生始终是参与探究的主体，那么实验设计将不再是最难攻克的拦路虎，而更可能转化为催化探究能力发展的最佳契机。

三、多层次引导学生剖析实验现象，使实验结果成为推动探究的“支点”

实验操作完成后对于结果的分析是十分重要的，但这一环节很容易被学生忽略，观察到现象后就认为实验已经结束了。从“实验结果”得出“实验结论”可以经过几个层次的推进：（1）对实验现象进行观察、测量、统计;（2）交流实验现象，总结出共同规律或不同点;（3）将结果与预测进行对比，看是否一致。若不同于预测要分析原因;（4）反思实验设计和操作过程，做出必要改进;（5）依据准确结果得出科学结论。学生一般只会本能地进行到第一个阶段，在看到表观的现象后，不能自觉地提炼规律，面对意料之外的实验结果找不到分析的切入点。认识到学生的局限后，教师应注重发挥引导作用，挖掘出实验现象中的隐藏价值。

在“探究pH对酶活性的影响”实验中，学生以HO分解产生的气泡情况作为因变量。操作结束后，我这样启发学生分析：“你观察到的现象是什么？与预期是否一致？”有学生描述到：“在pH为3、5、7、9、11的五个组中，pH为9的条件下产生的气泡比pH为7的条件下更多，这与预期的不同。”我提出第2个问题：“实测结果与预测不同，可能的原因有哪些？”学生提出有三种可能性：“单次实验存在偶然性需要重复实验;可能是实验操作错误导致结果偏差;也可能是预测有误，pH为9时H2O2酶活性实际上更高。”我顺着这三种可能性逐一地分析：先請所有小组汇总结果，90%的学生都表示观察到了类似的“意外现象”，这便基本排除了单个小组单次实验的误差。那是不是操作有误影响了结果呢？我请学生回忆实验过程：“你是按什么顺序加入酶、底物和缓冲溶液的？”当听到与自己不同的做法时，学生会自发地产生疑惑进行辨析，紧接着的问题便是：“同学们交流的方法中哪种更科学？为什么？”通过讨论，学生明确了要分别调好酶和底物的pH后再混合，才能保证反应在设定的pH条件下进行，所以确实有不少小组是存在操作错误的。为什么有些小组的操作正确但仍观察到“不对”的现象呢？如果是预测有误，如何进一步检验这种可能性呢？我提示了思考的方向：“观察气泡产生情况作为因变量有何不足？”学生指出：“观察气泡的多少很主观，不同实验者的判断标准不同无法对比，现象相近的实验组之间不容易区分。”“有没有办法客观地检测反应速率呢？”有了化学学习的基础，学生纷纷提议可以用排水法测量氧气生成量，这个问题就迎刃而解了。

经过这一系列讨论，学生的思维在问题的推进下积极地流动、碰撞，体验到一种抽丝剥茧般的畅快感。能够达到这一效果，正是基于从“学生视角”出发的教师引导，即协助学生梳理问题的脉络，提倡他们大胆推测、有逻辑地论证。因此，分析实验结果不应是一个实验的“终点”，而应作为一个有力的“支点”，承上启下，在讨论中把探究引向深入，启发学生自己去发现问题，解决问题。

四、给予学生试错、反思、改进的空间，在实验操作中铺设“梯度”

当学生找出了进一步改进实验的方向时，他们最期待的是什么呢？当然是摩拳擦掌地再做一次实验了。若能为学生提供多次操作的机会，不仅保证了实验的准确性，更重要的是顺应了学习热情，鼓励学生不满足于理论推理，而是通过实践来找到答案，这才是探究实验所提倡的学习品质。

经过多次教学实践的积累，我将“探究pH对酶活性的影响”的教学模式优化为“递进生成式”——通过“初次探究”（设计方案及第一次的定性实验）→“再次探究”（分析结果，改进后进行第二次的定量实验）→“进一步探究”（得出结论并提出新问题），三个梯度环环相扣、层层推进。在初次实验中，学生充分地尝试、获得直观体验。再次探究中学生能够熟练操作技能，改正之前的错误，并使用排水法检测反应速率，获得数据后进行再次的交流，得出明确的实验结论。在此基础上可以提出进一步探究的问题，如H2O2 酶的最适pH是多少，如何设计实验方案等。

传统的实验教学中教师先向学生预示可能的错误，做出详细提示，束缚了学生思维，在操作时缩手缩脚。而本课的教学模式提倡“试错学习，先做后改”，符合学生的认知规律。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，学生对于通过自己观察、设计、验证出来的知识和方法理解的更透彻，记忆更深刻。

五、以课堂实效为原则创新实验方法，为学生成功完成实验提供“助力”

高中生物教材上的实验编排整体是科学合理的，原理清晰、材料易获取、现象明显。因此教师不必“为了创新而创新”，应结合教学实际，从学生角度思考：“哪个步骤的操作有难度？实验成功率低的原因是什么？”然后查阅资料，多做预实验，找到合理的改进措施。

我对“探究pH对酶活性的影响”的实验方法所做的优化体现在两个方面：一是改进了自变量的调节方式。原实验中提供的材料是HCl、NaOH溶液和pH试纸，这需要学生一边滴加酸、碱试剂一边检测，操作繁琐，也不能通过观察试纸的颜色准确测定pH值。因此我改用具有pH梯度的缓冲溶液，由实验室在课前配制，学生直接使用，这样能够节省大量时间，而且准确性强，稳定性高。二是改进了因变量的检测方式。原实验观察气泡产生情况，直观但不准确，运用排水法可以定量检测。由于酶和底物用量很少，若使用化学的排水法装置测量误差很大。根据需要我设计了“反应—排水”装置（如下图），这些器材在实验室中都是容易获得的。在操作时先将酶滴入试管，塞上橡胶塞，然后用注射器吸取HO溶液穿刺塞子，注射后酶和底物发生反应就可收集气体，操作简单，学生能轻松掌握用法。当最后汇总实验数据确定pH为9时氧气生成量是各组中最多的，很多学生的眼中闪现出了豁然开朗的光芒。

通过这两处改进，得到了明确的自变量和因变量数据，学生就可以描点画坐标图，借由直观的曲线模型，pH对酶活性的影响便一目了然。上述对实验方法的改进，目的是服务于“递进生成式”的教学模式，帮助学生在一节课内顺利完成两次实验操作。因此实验方法的创新应该从改善实验效果、提高成功率出发，而不能刻意标新立异，使实验原理、方法、装置复杂化，给学生带来额外的负担，冲散了探究实验的核心主线。

本课例的教学策略能够有效地实现教学的知识目标和能力目标，而给我最深刻体会的是情感目标的达成——探究实验不是验证一个已知结果的问题，基于经验的预测有可能是错的，需要大胆质疑和实践的检验;实验方案的设计和科学严谨的操作不是一蹴而就的，需要同学间的团体协作。只有从“学生视角”出发制定的教学策略，才能实现这种师生之间、学生之间的密切互动和思想交流。从“学生视角”出发的教学设计，要求教师把学生看作“完整的人”，相信学生能发现自己的潜能，进行自我教育。教师要做的就是提供坚实的支持和平台，充分发挥学生的主观能动性，不断推动教学策略的“进化”，追求师生的共同成长。在这种教育思维和教学模式的长期熏陶下，学生逐渐萌发、成长起来的科学实验素养和探究能力，也将是可持续发展的，具有蓬勃的生命力和创造力。

参考文献：

[1] 杨建忠.探索“pH影响酶活性因素”的定量探究[J] .生物学通报，2013（7）：45-46.

[2] 张迎春.中学生物教材研究与教学设计[M] .陕西师范大学出版社，2011：121-137.

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