石進德

（廈門第一中學(xué)集美分校灌口中學(xué)，福建廈門361000）

以發(fā)明創(chuàng)造促進高中生物學(xué)實驗教學(xué)

石進德

（廈門第一中學(xué)集美分校灌口中學(xué)，福建廈門361000）

以高中生物學(xué)實驗為載體，開展科技發(fā)明，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性思維，通過發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、創(chuàng)造性地解決問題，有效地提高實驗教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

發(fā)明創(chuàng)造；高中生物學(xué)實驗；問題

高中生物學(xué)課程的核心任務(wù)是提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。高中生物學(xué)實驗教學(xué)是提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑之一。筆者以指導(dǎo)學(xué)生Z的發(fā)明專利“比較氣體濃度的同步實驗裝置”為例，探討以科技發(fā)明促進高中生物學(xué)實驗教學(xué)。

一、問題來源——實驗中發(fā)現(xiàn)

問題能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中捕捉實驗細微的變化，發(fā)現(xiàn)與概念、原理、規(guī)律的沖突之處，在對比中發(fā)現(xiàn)問題，有利于提高學(xué)生的實踐能力。

例如，高中生物學(xué)教材中“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗設(shè)計是：取兩支試管，分別滴加等量（2ml）的3%過氧化氫，再分別向兩支試管滴加2滴新鮮的肝臟研磨液（內(nèi)含過氧化氫酶）和2滴氯化鐵溶液，然后觀察試管中氣泡產(chǎn)生情況和使帶火星木條或衛(wèi)生香燃燒情況來驗證酶的催化具有高效性。學(xué)生進行這個經(jīng)典實驗時，發(fā)現(xiàn)以下不足：一是滴加氯化鐵和肝臟研磨液是分步進行的，不利于同時比較氣泡產(chǎn)生的情況。二是帶火星木條或衛(wèi)生香也是先后插入兩支試管中，對帶火星木條的助燃效果比較也沒有同步進行。三是帶火星木條或衛(wèi)生香易接觸到試管壁導(dǎo)致木條熄滅。四是用兩條帶火星木條或衛(wèi)生香未滿足對照實驗中單一變量原則，實驗過程的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和可靠性必然受到影響。在生物學(xué)、化學(xué)實驗中，對試管中產(chǎn)生的氧氣（或二氧化碳、氨氣、氯氣等）濃度的實驗中，也存在類似的問題。

教師啟發(fā)學(xué)生提出問題，（1）能否嘗試設(shè)計一種對兩支試管中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體的濃度進行定性同步比較的實驗裝置。（2）如何讓比較過程同步進行？如何將實驗過程設(shè)計得更科學(xué)合理？要達到上述要求應(yīng)設(shè)計出什么樣的裝置？

二、嘗試解決問題——發(fā)明創(chuàng)造

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生查閱資料、設(shè)計實驗裝置。眾多的方案中，Z同學(xué)的方案最有創(chuàng)意，在教師、同學(xué)的幫助下，她反復(fù)修改方案，制作樣品，通過課堂試用后，進一步優(yōu)化設(shè)計方案，最終發(fā)明設(shè)計出一種對兩支試管中化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生氣體的濃度進行定性比較的實驗裝置，該裝置能同步進行操作或演示。

這個裝置由底座、立桿、雙叉頭支架、轉(zhuǎn)軸支釘、試管套筒、等距背板、壓簧、夾持物、具支試管、單孔橡皮塞、膠頭滴管共同組成。立桿豎直固定在底座的上方，雙叉頭支架水平固定在立桿的上端；位于雙叉頭支架左右兩側(cè)的叉頭的前后兩端通過轉(zhuǎn)軸支釘分別與試管套筒鉸接；試管套筒內(nèi)可放置具支試管，具支試管的上端可塞入單孔橡皮塞，膠頭滴管可插入單孔橡皮塞的孔內(nèi)；等距背板豎直固定在雙叉頭支架的中部上方，壓簧的下端固定在等距背板前側(cè)的下端。其中，試管套筒的內(nèi)徑應(yīng)略大于具支試管的外徑，試管套筒的長度為具支試管長度的1/2左右，試管套筒左右轉(zhuǎn)動范圍不小于600；為了便于觀察試管內(nèi)化學(xué)反應(yīng)情況，試管套筒應(yīng)開設(shè)2～4個開窗口；等距背板左右兩側(cè)的等距弧線是一條以試管套筒的轉(zhuǎn)軸為圓心，以轉(zhuǎn)軸與具支試管的出口端的距離為半徑的一段圓弧；根據(jù)試管中所產(chǎn)生氣體的性質(zhì)，夾持物可選擇點燃的衛(wèi)生香（比較氧氣濃度、二氧化碳濃度等）或試紙（比較氨氣濃度、氯氣濃度等）或其他物品；夾持物通過壓簧橫置在等距背板前側(cè)并可上下移動，當(dāng)夾持物的兩頭與等距背板左右兩端的等距弧線吻合時，具支試管的出口端恰好與之對應(yīng)。如圖1。

圖1 比較氣體濃度的同步實驗裝置

下面結(jié)合高中生物學(xué)“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗進行操作說明。

在本裝置兩支具支試管中分別加入2ml的3%過氧化氫，將兩支分別吸入等量氯化鐵溶液和新鮮肝臟研磨液的膠頭滴管并分別塞入具支試管的入口端，然后把雙頭點燃的衛(wèi)生香夾在等距背板的對應(yīng)位置，即衛(wèi)生香的長度與背板寬度相等的位置。接著雙手同時捏壓膠頭滴管，使膠頭滴管中的溶液同時進入對應(yīng)的具支試管內(nèi)，當(dāng)具支試管內(nèi)兩種溶液均勻混合后，催化過氧化氫產(chǎn)生水和氧，可觀察到滴入肝臟研磨液產(chǎn)生的氣泡較多，說明該化學(xué)反應(yīng)更為激烈。隨后，氧氣會從具支試管的出口端流出，當(dāng)左右兩支具支試管同時轉(zhuǎn)動并使其出口與雙頭點燃的衛(wèi)生香等距離接觸時，觀察到滴入肝臟研磨液試管中流出氣體助燃效果更加明顯，說明其化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣較多或濃度較高。由此探究過氧化氫酶和無機催化劑的催化效率不同，酶的催化具有高效性的特點。

除上述例子外，本裝置還可對一些氣體的濃度進行定性比較。如通過雙頭點燃衛(wèi)生香熄滅的快慢來比較試管中產(chǎn)生的二氧化碳的濃度；通過濕潤的紫色石蕊試紙顏色由紫變紅的快慢來比較氯氣的濃度等等。

三、發(fā)明創(chuàng)造促進高中生物學(xué)實驗教學(xué)

發(fā)明創(chuàng)造促進高中生物實驗教學(xué)深入開展，有效地提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

（一）發(fā)明創(chuàng)造解決高中生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題

學(xué)生通過簡單的結(jié)構(gòu)和簡便的操作方式，將兩種不同的化學(xué)反應(yīng)進行同步操作，并對兩個試管中所產(chǎn)生的氣體濃度進行同步比較，克服了以往實驗因分步操作引起的偏差，使得實驗設(shè)計更為科學(xué)合理，實驗結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠，尤其適合教學(xué)演示和學(xué)生分組實驗，解決了實驗教學(xué)中存在的科學(xué)性不足的問題。

學(xué)生在實驗過程發(fā)現(xiàn)了問題或疑惑，在其他同學(xué)的幫助下無法解決時，會尋求教師的指導(dǎo)。借此契機教師啟發(fā)學(xué)生思維，引導(dǎo)思考和討論，通過優(yōu)化實驗步驟、尋找替代材料、創(chuàng)造新的實驗器具、發(fā)明新的實驗裝置等來解決存在的問題。

（二）發(fā)明創(chuàng)造提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力

有意識地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造可進一步發(fā)揮學(xué)生主體作用，提高實驗技能，提升生物科學(xué)素養(yǎng)。《比較氣體濃度的同步實驗裝置》作品完成后，經(jīng)多位生物學(xué)、化學(xué)教師在課堂上演示，得到了師生們普遍的認可和贊賞，申請獲得了專利，在第二十屆全國發(fā)明展覽會上榮獲金獎，同時獲廈門市十佳青少年發(fā)明獎。

指導(dǎo)Z同學(xué)進行研究并非一帆風(fēng)順，家長十分不理解、不認可。該生喜歡動手做些小玩意，但性格內(nèi)向，缺乏與老師和同學(xué)的交流，學(xué)習(xí)出現(xiàn)一定的障礙，教師想利用科技創(chuàng)新活動，創(chuàng)造機會“逼”她與人交流并表達自已的意見和看法。經(jīng)過精心策劃和安排，我們共同制定了研究方案、制作樣品、申報專利、多次模擬答辯，逐步克服了她的膽怯心理，在比賽中，該生終于敢和其他選手針鋒相對的相互質(zhì)疑和探究，面對評委和觀眾，對答如流。通過該項目的研究，使她懂得如何提出問題、分析問題、解決問題，如何去請教他人，如何與人溝通和合作，學(xué)習(xí)進步極大。

（三）發(fā)明創(chuàng)造促進高中生物學(xué)實驗教學(xué)

1.推動教師深入地研究實驗教學(xué)

目前高中生物學(xué)教學(xué)普遍存在教師“講實驗”，學(xué)生“背實驗”。引導(dǎo)學(xué)生針對實驗中存在的問題開展發(fā)明創(chuàng)造活動，勢必改變教師對實驗教學(xué)應(yīng)付了事，促進教師深入研究實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

2.彌補課時不足

發(fā)明創(chuàng)造可以提高學(xué)生的實驗興趣，促進學(xué)生課后查閱資料、討論分析問題、設(shè)計實驗，了解和掌握實驗原理、器材、方法、步驟。這樣可以留更多的時間讓學(xué)生動手做實驗，讓學(xué)有余力的學(xué)生充分挖掘自己的潛能，高效地完成實驗教學(xué)。

3.創(chuàng)設(shè)實驗條件

發(fā)明創(chuàng)造可以節(jié)省實驗時間和節(jié)約實驗器材，創(chuàng)設(shè)實驗條件，讓學(xué)生更好地實驗，提高實驗教學(xué)效率。

總之，把科技發(fā)明、創(chuàng)新教育融入到高中生物實驗教學(xué)中，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生思維，提高實驗技能，高效地完成實驗，從而有效地提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。

［1］謝雪錦.創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境提高高中生物課堂教學(xué)的有效性［J］.福建基礎(chǔ)教育研究.2012（2）.

［2］趙英.重視高中生物實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)［J］.科學(xué)教育.2011（4）.

（責(zé)任編輯：陳欣）

本文系福建省教育科研“十二五”規(guī)劃2014立項課題“翻轉(zhuǎn)課堂”——高中生物“慕課”實踐研究（項目編號：FJJK14-404）研究成果。