“模拟生物体维持pH的稳定”实验改进及教学设计

【摘要】文章以“模拟生物体维持pH的稳定”为例，对该模拟实验的组织实施、实验仪器及操作、数据记录与分析方法进行了改进优化，开拓中学生物实验的思路，以期更高效地完成实验教学，使核心素养在课堂教学中落实落地。【关键词】生物教学；模拟生物体维持pH的稳定；实验改进；教学设计“模拟生物体维持pH的稳定”是2019年人教版生物选择性必修一《稳态与调节》第一章第二节《内环境的稳态》的探究实践内容[1]。本探究活动采用对比实验的方法，通过比较自来水、缓冲液和肝匀浆等生物组织在加入酸或碱后pH的变化，定性说明在一定范围内生物组织匀浆与缓冲液更类似，从而说明生物体pH相对稳定的机制。经笔者观察，以往的实验操作常存在以下问题：一是学生常有打碎烧杯或玻璃棒，甚至将盐酸或氢氧化钠滴到手上的情况发生；二是学生不能在一节课时间完成实验操作、结果记录、绘图、结果分析等过程。针对以上问题，笔者对实验试剂仪器、操作记录、实验组织与实施进行了改进，以期提高课堂效率，培养核心素养。一、实验教学目标第一，通过化学学科知识交叉，对机体维持pH的机制作出理论推理；通过绘制曲线图构建“清水、缓冲液、体液对pH变化的调节作用”模型并分析，提升学生的科学思维素养水平。第二，通过开展“比较清水、缓冲液、体液对pH变化的调节作用”实验，提高学生的实验操作能力、准确记录并处理数据的能力、图表转换能力等，提升学生的科学探究素养水平。第三，通过探究活动以及对内环境维持pH相对稳定的调节机制的理解，构建“机体通过一定的调节机制保持稳态”的大概念，丰富学生对内环境稳态的体验，为建立“稳态与平衡观”打下良好基础。第四，通过“生气碱中毒如何急救”“食物酸碱性”等常见情境的了解，“生物体维持pH有一定的限度”等探究结论的解读，帮助学生形成科学健康的生活态度和饮食习惯。二、实验教学过程（一）创设情境，提出问题，激发兴趣教师播放“生气碱中毒”视频，启发学生认识到“酸碱失衡会导致严重后果”，进而从学生已有知识基础“内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介”出发，引导学生提出问题：细胞代谢产生的一些酸性或碱性的物质（如剧烈运动时产生的乳酸等）会进入内环境，从外界环境摄入的食物经消化后产生的酸性或碱性物质（如食用醋中的醋酸、碱面中的碳酸钠）也会进入内环境，这些酸碱性物质进入内环境是否会让人体健康遭到威胁？机体PH会发生明显变化吗？为什么？设计意图：学生通过观看视频了解机体pH失衡的后果，再以食用醋和碱面创设情境，制造悬疑引发学生强烈的好奇心，提出探究问题，做好探究心理准备。（二）根据已知，作出假设，科学推理教师先后补充血浆成分表、不同盐溶液的酸碱性表、磷酸缓冲液的缓冲机理等资料，引导学生分析血浆中的哪种物质有中和酸碱的能力，并作出合理假设。教师指出假设并非结论，理论分析不能代替实验研究，引领学生进行探究方案设计。设计意图：盐溶液的酸碱性是人教版化学选择性必修一第三章第三节《盐类的水解》一文中的内容，通常学习本节时学生还未学到，学生在分析血浆成分时中和酸碱的物质时，不一定能联想到无机盐，故需要教师出示此部分相关内容，也能使学生感受到化学学科在生物学中的应用，通过学科交叉解决生物学中的问题，以期提高教学效率。（三）依据目的，设计实验，交流修正课前布置阅读课本任务，完成导学案课前预习部分设置的思考题：1.该实验涉及的实验材料、器材、试剂有哪些？2.该实验基本的操作步骤是什么？3.该实验如何对照？对照组和实验组是什么？4.该实验自变量和因变量分别是什么？无关变量有什么要求？教师带领学生观察实验准备用品，引导学生思考将盐酸和氢氧化钠换成白醋和食用碱水的好处，给学生介绍全班各组的生物材料及处理方法。教师通过实验结果记录表引导学生分析对照和变量，板书总结强调科学实验设计的对照原则和单一变量原则。实验改进；1.材料改进：将有腐蚀性的强酸HCl溶液与强碱NaOH溶液换成白醋与食用碱水，可提高实验安全性，同时实际情况中生物体接触强酸强碱的概率很小，但接触食用碱和醋的概率很大，改进后更符合实际情况，贴近本节探究题目。经预实验，本实验选择的白醋浓度为35g/L，食用碱浓度为16g/L。2.仪器改进：将烧杯改为试管，试管所需液体量少，可节省实验材料；玻璃棒改为塑料吸管，塑料吸管价格便宜、不易碎，可实现混匀和蘸吸液体测pH的作用；每支试管配一支塑料吸管，节省洗玻璃棒和烧杯的时间，减少发生打碎仪器的可能。每组准备三色记号笔，方便学生在A3纸上绘图，用于后续结果分析。设计意图：课前预习有助于学生对实验内容做到心中有数，可提高课堂教学效率，保证在有限的课堂时间内完成实验探究。教师通过介绍各组的实验材料，帮助学生进一步理解题目“模拟”和“生物体”的含义。学生通过观察实验用品，快速熟悉实验、领悟操作，提高实验效率。教师通过强调实验对照原则和单一变量原则，帮助学生巩固实验设计三原则，提高学生的实验设计能力，提升科学探究素养。（四）实验操作，记录数据，处理数据教师明确各组学生分工，并进行现场实验演示，强调注意事项。教师要注意演示以下内容：1.测pH的方法，提醒学生每次一滴，不要多；2.滴酸或碱时注意控制滴数，滴时吸管垂直悬空，不要碰到试管壁和吸管壁，混匀时轻轻吹吸以免液体溢出；3.及时记录数据，粘贴pH试纸时按顺序紧凑粘贴，方便直观观察颜色变化；4.绘图要边记录数据边描点。实验过程中教师随时关注学生实验进展，及时纠正指导。同时，教师及时发现实验操作较快、绘图较快的小组，安排该组收集其他组数据，绘制包含所有生物材料的汇总图，以便后续进行综合比较分析。实验改进：1.操作改进：省去学生量取液体这一步，由实验老师提前准备，分装好液体；将玻璃棒搅拌混匀液体的方式改为塑料吸管吹吸混匀；将每5滴测pH改为每3滴测pH，提高实验效率。2.组织实施改进：（1）根据以往经验，本实验耗时较长，故需重视小组合作的作用以期提高实验效率。按照班级人数一般为45人左右，分成9组，每组5人，2人分别负责滴酸或滴碱，2人分别负责记录和粘贴pH试纸，1人负责收集数据并绘图。（2）9组中设置3组猪肝匀浆平行实验，3组鸡血清平行实验，引导学生理解平行实验的意义；另为丰富探究材料，以及从反面说明平行实验的意义，再设置3组鸡肝、鸡蛋清、土豆匀浆的实验，并引导学生从不同生物、同一生物不同部位、动植物材料等不同角度比较各种生物维持pH的能力。3.记录和绘图改进：（1）将测后pH试纸按照顺序粘贴在实验报告上，以便更直观地比较颜色变化梯度，感受不同材料调节pH稳定的能力不同。（2）采用A3纸张、不同颜色记号笔绘图，绘制完成后粘贴到黑板相应位置，可供全班共同观察比较分析，便于师生评价各组实验结果。设计意图：笔者考虑到学生量取液体并清洗更换烧杯这一操作简单且耗时，优化为由实验老师提前准备分装，以节省课堂实验时间。小组成员的明确分工可提高教学效率，培养学生合作完成实验的能力。通过记录数值并按顺序粘贴pH试纸，学生不仅可利用数据定量分析，也可利用pH试纸颜色变化趋势定性观察建立更直观的印象。各组利用记号笔和A3纸张绘图后，可将本组所绘制曲线图粘贴在黑板上供全班观察对比分析，此做法可充分利用课堂生成的教学资源，展开实验结果的分析，同时也是评价学生实验的好做法。（五）结果分析，得出结论，总结概括学生实验完成后，观察黑板上粘贴的9幅曲线图，思考并讨论以下4个问题：1.材料完全相同的三组，所得结果是否完全一样，为什么？哪些组的实验结果更可靠？2.就加入酸或碱后pH的变化来说，生物组织更像自来水还是更像缓冲液？为什么？3.请根据模拟实验的结果，尝试对机体维持pH稳定的机制进行解释。4.通过观察分析曲线图，你还能得出什么结论？师生共同探讨以上问题，进行结果分析。设计意图：通过问题1，帮助学生理解平行实验的意义，引导学生观察比较3个重复组的结果，估计实验结果的可靠性。通过问题2，引导学生比较本实验所用的三类材料维持pH的能力，分析生物材料与缓冲液相似的原因，并辩证性分析生物材料并不完全与缓冲液接近的原因，提升学生的批判性思维。通过问题3，概括回答本节课提出的探究问题，补充机体维持pH稳定的另一机制，通过调节生理活动维持pH，培养学生全面思考问题的能力。通过问题4，综合训练学生的识图能力、学生的发散思维和科学思维。通过比较不同组的实验，学生会比较容易得出“不同生物维持pH的能力不同”，教师引导学生比较不同物质维持pH的能力，发现鸡血清和猪肝匀浆、鸡肝匀浆三种动物材料维持pH的能力最强，最接近缓冲液。个别学生通过观察曲线的趋势，发现随着加入酸或碱的增多，生物材料pH的变化越来越明显，学生得出“生物体维持pH是有一定的限度”这个结论，教师予以肯定，并且首尾呼应，提醒学生要保持良好心态，健康饮食，才能拥有一个健康的身体，贯穿生命健康教育。教师通过引导学生观察对比鸡的三组实验结果，得出“相同生物不同部位不同器官维持pH的能力不同”这一结论，拓宽了学生观察图像的思路。如果学生得出其他结论，只要合理，教师均应及时评价，予以肯定。（六）总结实验，评价学生，课后实践教师评价学生探究实验达标情况，布置课后书面作业和实践作业。实践作业如下：教师在黑枸杞水中加酸、碱后展示颜色变化，提出“花青素在不同pH值会显示不同的颜色”这一结论，请学生课后应用此原理，探究不同的生物材料是否有维持pH稳定的能力。设计意图：该项实践作业灵感来源于《居家学习环境下“模拟生物体维持pH的稳定”实验的创新》[2]《“模拟生物体维持pH的稳定”线上实验教学设计与实施》[3]等文章，笔者认为该实践作业材料易得（黑枸杞、紫薯、桑葚、火龙果等），颜色变化明显，难度较小，趣味性强，适合作为家庭实践作业，以激发学生探究的兴趣，培养学生学习生物学的热情。三、实验教学反思该模拟实验应按照探究实验的一般思路设计，将课堂重点放在实验操作和结果分析上，提升学生科学探究能力，落实核心素养：学生对模型和原型的理解、曲线图的绘制与分析均训练了其模型与建模思维；学生对提出的问题利用学科交叉知识进行推理论证后作出假设，通过科学实践对假设进行验证都是在实证意识的引领下开展的论证与实证过程，体现了尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度。科学探究是科学实践的重要部分，有助于学生理解科学本质，构建大概念，学生通过分析实验变量、进行实验操作、交流实验结果提升了实验设计、实验操作、分工合作与交流的能力；该模拟实验用“生物体”做题目，还可以探究植物维持pH稳定的情况，拓宽了研究思路，利于学生建立更广泛的稳态与平衡观[4]。本实验改进优化的出发点有三个，一是模拟实验中原型与模型要接近，二是实验操