高中生物教材中观察性实验在培养学生科学素养中的作用——以“线粒体观察实验”为例

赵　丽，袁毅君，安建平，余　燕，王文华

（1.天水师范学院生物工程与技术学院，甘肃天水741001；2.西北师范大学第二附属中学，甘肃兰州730070；3.甘肃省甘谷县金山镇常家庙学校，甘肃甘谷741200）

高中生物教材中观察性实验在培养学生科学素养中的作用——以“线粒体观察实验”为例

赵丽1，袁毅君1，安建平1，余燕2，王文华3

（1.天水师范学院生物工程与技术学院，甘肃天水741001；2.西北师范大学第二附属中学，甘肃兰州730070；3.甘肃省甘谷县金山镇常家庙学校，甘肃甘谷741200）

观察实验对学生生物科学素养的培养有着特殊地位和重要意义，本文通过对课改前后高中生物教材中所开设的观察实验的比较分析，以典型的“线粒体观察实验”为例，就其在直观观察能力及其他层次能力培养中的作用进行论述。针对观察实验教学的特点和功能提出培养学生直观观察能力、独立能力以及创新能力的有效策略，为探索中学生物教学中观察实验的教学方法以及如何培养学生的生物科学素养提供借鉴与参考。

高中生物实验教学；观察实验；生物科学素养；线粒体

生物学是一门以实验为基础的自然科学，生物新课改新教材最大的特点就是新增了大量探究性实验，其目的在于加强实验教学，培养学生实验和观察能力，突出生物学科实验教学的特色[1]。观察性实验作为生物教学的一种有效补充和延伸具有极其重要的作用[2]，

“线粒体观察实验”是人教版高中生物教材中第一个全面而系统的培养和提高学生直观观察能力的观察实验。该观察实验原理简明易懂，操作简单基础，能增强学生学习的信心，激发探究生物奥秘的兴趣。而且，线粒体作为重要的细胞器之一，学生对其进行具象观察具有极其重要的意义。在实验过程的每个步骤中，教师要循序渐进的引导学生直观观察，以达到培养学生生物科学素养的目的[3]。

然而，实际教学中许多教师把观察实验变成了说实验、背实验的状况[4]。使学生连最基本的观察能力、操作能力都得不到训练，更不用说培养更高层次的能力。鉴于此，加强和改进观察实验教学，提高实验教学的有效性[5]，让学生掌握直观观察能力、操作能力，提高学生的独立能力、思维能力和创新能力，使观察实验切实成为培养和提高生物科学素养的有效途径。

一、高中生物教材中观察实验的概况

生物学科教学中观察性实验的教学是比较薄弱的环节，在实际教学中存在各种问题。比如：应试教育的影响、教师的自身能力限制、教学时间有限、学校实验设备欠缺、学生只注重考试成绩等[6]。分析高中生物课程改革前后教材中的观察实验，表1归纳了新旧教材中观察实验项目，显示出：旧教材中有9个观察实验，其中“显微镜的使用”、“用高倍显微镜观察叶绿体”等都是以学生使用显微镜为主要训练方面，实验材料单一、课程安排简单，培养一些简单观察能力和动手能力，不能全面提高学生生物科学素养；新教材中实验数量明显增加，观察项目多样，材料不仅仅局限于植物，动物和微生物也作为实验材料，而且新增其他类型实验渗透着直观观察能力及其他生物科学素养的培养[5]。旧教材中所存在的缺陷和新教材中所体现出的优越性显而易见。（见表1）

表1　新旧高中生物教材中的观察实验

二、观察实验对学生生物科学素养的培养

（一）生物科学素养的含义

中华人民共和国教育部制定的《普通高中生物课程标准（实验）》指出生物科学素养是公民参加社会生活、经济活动、生产实践和个人决策所需的生物科学知识、探究能力以及相关的情感态度与价值观。反映一个人对生物科学领域中核心的基础内容掌握和应用水平，以及在已有基础上不断提高自身科学素养的能力[7]。科学素养包括的观察能力、思维能力和实践能力就成为提高生物科学素养进而提高科学素养的一种有效途径[8]。

（二）培养生物科学素养的意义

生物学中几乎所有的知识都是通过观察、实验、调查等实践活动积累的。观察实验作为培养学生直观观察能力最重要的途径，其特殊的教育任务是不能忽视的[8]。伴随科技进步进行的新课程改革是以提高学生生物科学素养为核心理念的[9]，明确提出“提高生物科学素养”，尤其要培养学生的独立能力，发展学生的科学创新能力[10]。当今社会科学技术已经渗透到了社会的各个层面，作为21世纪的领先科学，生物在帮助学生提高生物科学素养，理解理论与实际的关系等方面有不可替代的作用。

（三）通过直观观察培养生物科学素养

讲授式的理念和手段在观察实验中已经无法具体实施，要培养生物科学素养最首要的途径是转变教学理念。若通过直观观察激发学生的兴趣，调动学生积极性，教学就会事半功倍。教师结合观察实验的特点,引导学生体会由外到内、由整体到局部、由宏观到微观的观察技巧[6]，创造性地开展教学。许多生物现象靠传统教学无法呈现，若以多媒体技术将传统静态图形转变为动态课件演示，让学生理解实验现象的完整动态过程[11]，改变了传统教学枯燥、呆板的形式。另外以学生利用理论来解决实际问题的方式也可以培养学生的生物科学素养。

三、新教材中“线粒体观察实验”在教学中对学生生物科学素养的培养

直观观察能力是科学素养中最基础的方面，是指在自然条件下通过感觉器官或借助科学仪器，全面、深入、正确地观察、认知客观研究对象的能力[12]。若科学素养是金字塔形，直观观察能力则是金字塔的塔基或塔底，故科学的学习应该从直观观察入手，以善于发现观察对象的细微变化及本质特征为方向。观察实验涉及的主要有：直观观察生物的外部形态的能力和从生物的不同层次借助科学仪器直观观察内部结构的能力[13]。

（一）通过“线粒体观察实验”培养学生直观观察能力

1.选取最佳观察材料。线粒体广泛存在于动、植物细胞中，为细胞各项生命活动提供所需要的能量。教材中以人口腔上皮细胞作为实验材料进行观察，实际教学中教师应引导学生以其他生物作为实验材料进行观察。比如，藓类的叶、菠菜叶、洋葱鳞片叶、绿豆芽、葱、鸡肝等。指导学生制作临时装片，熟练显微镜的操作技巧。在观察过程中，先在低倍镜下直观观察各种细胞的整体形态，分辨出是哪种材料的细胞；然后转到高倍镜下观察，选取一个好的视野仔细观察细胞的亚显微结构线粒体。进行对比、分析，找出最典型的线粒体。实验中的每一步都在提高学生对实验现象敏锐的直观观察能力。教师还可以通过多媒体技术展示各种细胞结构、线粒体亚显微结构的照片或视频，激发学生的兴趣，对观察实验充满期待后进入实验操作。

2.通过实验方案的实施多点培养直观观察能力。显微镜下观察材料的标准是“薄而透明”，直观观察就必须将实验材料制作成装片或涂片。线粒体本身无色，通过染色才能达到直观观察的目的。活细胞染料健那绿(JanusgreenB)是专一性对线粒体超活染色的，氧化性物质使健那绿保持被氧化状态呈蓝绿色，而细胞质中的健那绿被还原成无色状态，从而显示出线粒体的形态。教师进行预实验过程中发现，对于不同材料染液的浓度和染色时间、所取细胞数量、制作装片时对细胞的分散、撕取材料是否理想和线粒体的提取、提纯和涂布等，都对直观观察的效果有很大影响。

教师可以通过实验演示就这些内容进行示范，同时引导学生积极回答并深入思考。采集口腔上皮细胞时用什么方法刮取既能取得一定数目细胞又不伤害口腔，怎样操作才能使细胞分散而平展。撕取洋葱鳞叶内表皮时怎样做才能观察到单层细胞区域。绿豆黄化叶苗的用量、线粒体提取的温度、三次离心时离心机的转速应该是多少，染色过程中染液的浓度和染色时间分别有什么要求。

演示实验对于加深学生感性认识和培养学生观察能力是非常有效的。以上这些问题的答案就成为学生独立实验成败的关键。演示实验中处理材料的每个细节都在培养学生直观观察能力，为学生独立完成观察实验，培养学生的独立能力以及发挥学生主观能动性，积极进行思维创新奠定了基础。

（二）“线粒体观察实验”在培养其他能力方面的作用

1.仪器操作——动手能力的培养。实验课堂中仪器操作能力才应是学生最主要的收获[14]。线粒体的直观观察必须借助光学显微镜。而光学显微镜的使用需安放、对光、调焦、观察等复杂的步骤，初学者常常由于操作不当而导致实验失败。

临床路径式教学组呼吸内科教学查房满意度高于一般模式组，组间比较，差异具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

教师可以通过多种方式让学生掌握正确使用光学显微镜。安放好显微镜后，先进行对光，引导学生总结对光时“三个转动”及光线经过的路径，使学生对光学显微镜的工作原理有基本的了解。通过目镜看到明亮的视野时将玻片放在载物台上，调节使标本正对通光孔。旋转粗准焦螺旋和细准焦螺旋，看到线粒体在每个细胞中的分布。选定特征明显的区域转到高倍镜，调节细准焦螺旋看到细胞核周围的胞质中分布着一些被染成蓝绿色的颗粒状或短棒状结构，反复微调，蓝绿色会呈现出生动的明暗变化[15]，即为线粒体。

这个过程中教师不直接参与实验，以引导学生独立正确使用高倍显微镜为培养目标[16]。以绿豆黄化幼苗为材料，会涉及低温高速离心机的使用，但高中阶段主要以光学显微的使用来培养学生的操作能力，为学生设计实验和独立组织实验奠定基础。

2.培养思维能力和创新能力。思维是人脑对客观事物的一般特征和规律的一种间接的、概括的反映[17]。观察是与思维紧密联系的，观察仅仅是获取和积累一些直观表象的方法，更重要的是要通过对表象进行科学的分析、比较、综合、概括等抽象的思维活动，找出事物的本质[18]。观察实验教学中观察能力和思维能力的培养是不可分离的。

实验中选用的人口腔上皮细胞与洋葱鳞叶内表皮细胞是动、植物细胞的代表。通过具体的操作、观察，对比直观观察的结果感受两类细胞的区别。教师引导学生思考，为什么选择幼嫩的无色或浅色材料，除人口腔上皮细胞还可以选择哪些动物细胞。学生设计探究实验并预测结果，通过实验操作验证预测，对实验结果进行对比分析。让学生通过对不同实验材料的观察，认识细胞结构的普适性。这个过程会不断有问题出现，解决问题的过程就是发挥学生主观能动性，积极进行思维活动的重要环节。学生的思维能力、创新能力会在不断寻求答案过程中锻炼和提高。学生亲自参与了问题的提出、假设、实验及验证解决，经历与科学家相似的探究过程[19]。使学生的观察能力和动手能力进一步得到了提高和发展，在此基础上培养了思维能力，提高了创新能力。

（三）天水市八所高中“线粒体观察实验”开设情况调查

表2　天水市八所高中观察实验的开设情况

表2显示实际所开设的观察实验项目总共5项，还不到新课标实验项目要求的一半，见图1。而且八所高中并不是每个学校都开展5项实验，见图2。开设观察实验项目最多的是一中，5个项目全都开设；九中开设4个；三中开设3个；四中和十中开设了2个；六中和八中没有开设，可见学校领导的重视程度不够，教学资源的分配严重失衡。其中所关注的“线粒体观察实验”目前在调查的八所高中都没有实际面向学生开设。实际教学中“线粒体观察实验”只有九中教师组织个别兴趣小组的学生进行过实验，结果也不明显，其他实验教师只是通过讲授方式进行。

显然重点高中在教学资源相对丰富的条件下对观察实验的开展都达不到新课标所要求的一半，而且即便做了观察实验的学生，由于各种因素的影响也达不到培养学生科学素养的要求。对于没做观察实验的学生就谈不上通过观察实验来培养学生生物科学素养，所以观察实验教学仍然是教学中极其薄弱的一个环节，新课标提倡的素质教育基本没有实施，成为了一纸空文。

图1　实际开设实验项目与新课标中观察实验项目对比

图2　天水市八所高中实际开设实验项目比较

四、展望

应试教育终将走向素质教育是教育改革及时代发展的必然。在素质教育模式下，社会和学校更加注重对学生能力的培养，也就是现在所提倡的科学素养。观察实验教学是培养和提高学生生物科学素养最重要、最便捷、最有效的途径，也是联系生物科学和生活实践的基本桥梁。在实验过程中让学生“在做中学”，自己动手操作体验，遇到问题独立思考，寻找解决的办法。教师在整个过程中只是起辅助作用，当学生遇到问题时给学生点拨、指导、鼓励学生积极探索。这种教学氛围完全符合“教师主导，学生主体”的新课程理念，因此，生物实验教学将成为新课改之后生物教学的一个重点和热点，它在培养学生观察能力、思维能力、创新能力等方面具有十分重要的意义。

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［责任编辑张宇］

G63

A

1673-9132（2016）34-0094-04

10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.34.052

赵丽（1991—），山西吕梁人，在读研究生。

袁毅君。