陳 頡

(江蘇省南通中學(xué) 南通 226001)

隨著《普通高中生物學(xué)課程標準(2017年版)》(以下簡稱“2017版課標”)的頒布，高中生物學(xué)教與學(xué)有了新的理念和更高的要求： 核心素養(yǎng)為宗旨、內(nèi)容聚焦大概念、教學(xué)過程重實踐、學(xué)業(yè)評價促發(fā)展[1]。這就要求生物學(xué)教師自己對生物學(xué)核心素養(yǎng)和大概念有清晰的認識，并將其有機地融合于教學(xué)設(shè)計中，引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生主動參與實踐，通過適當(dāng)?shù)脑u價促進學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展。在此理念的指導(dǎo)下，筆者以一堂“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(shù)”公開課為例進行探索和實踐。

1 背景分析

現(xiàn)行人教版高中生物學(xué)教材選修1《生物技術(shù)實踐》的專題2“微生物的培養(yǎng)與應(yīng)用”中含有3個課題： 課題1“微生物的實驗室培養(yǎng)”、課題2“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(shù)”、課題3“分解纖維素的微生物的分離”。2017版課標對該部分內(nèi)容的要求是聚焦一個大概念“發(fā)酵工程利用微生物的特定功能規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品”，其下包括無菌操作、培養(yǎng)基的調(diào)整、微生物的分離與純化、微生物的顯微鏡計數(shù)等子概念。純凈的微生物培養(yǎng)不僅應(yīng)用于研究微生物自身，在基因工程、環(huán)境工程、醫(yī)藥工程等方面也有廣泛應(yīng)用。基于2017版課標的要求，在對課題1的內(nèi)容進行適當(dāng)知識鋪墊和操作訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，進行課題2的研究性學(xué)習(xí)。

2 教學(xué)設(shè)計與實施

鑒于課時的限制及分層教學(xué)的需求，在班級中選擇了8位學(xué)生組成研究性學(xué)習(xí)小組，采用課外預(yù)實驗與課堂教學(xué)相結(jié)合的方式實施了該課題的研究。大致實施流程見圖1，序號代表步驟順序。

圖1 “土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(shù)”課題實施流程 注： ③～⑧為課堂教學(xué)內(nèi)容，分別由研究性學(xué)習(xí)小組的預(yù)實驗結(jié)果(④、⑥步驟)引出⑤、⑦步驟

2.1 以完整的科學(xué)探究歷程為主線 在學(xué)生自主學(xué)習(xí)、簡單了解分解尿素的細菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價值后，筆者依次提出3個相關(guān)聯(lián)的問題： ①校園土壤中存在分解尿素的細菌嗎？②校園土壤中分解尿素的細菌種類和數(shù)量多不多？③校園土壤中分離出來的分解尿素的細菌在生產(chǎn)上有應(yīng)用價值嗎？其中①、②兩個問題完全由學(xué)生作出假設(shè)，設(shè)計實驗；問題③在學(xué)生思考的基礎(chǔ)上，筆者進行補充。由此引導(dǎo)學(xué)生將從土壤中分離純化目標菌種的科學(xué)探究思路，梳理成兩個階段(圖2)。

圖2 土壤中分離純化目標菌種的科學(xué)探究思路

第一階段的梳理，使課堂實驗操作的流程與意義變得更加明確，全班學(xué)生也能夠更好地理解研究性學(xué)習(xí)小組前期預(yù)實驗的目的。稀釋涂布平板與平板劃線不再被狹隘化成兩個孤立的微生物培養(yǎng)操作技術(shù)，而是微生物相關(guān)研究中的常用手段。

第二階段的梳理，更注重高中生物學(xué)前后相關(guān)知識點的聯(lián)系，以及純凈微生物培養(yǎng)的進階研究。在課堂上，重點引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注了以下兩個進階研究方向： ①遺傳學(xué)鑒定。在對目標菌種的遺傳學(xué)特征有了準確數(shù)據(jù)之后，應(yīng)用基因探針檢測環(huán)境中目標菌種的存在，或應(yīng)用熒光定量PCR(FQ-PCR)技術(shù)較精確地估算環(huán)境中目標菌種的個體數(shù)量。②突變體篩選。野生型的菌種往往不能滿足人類生產(chǎn)生活的需要，必須進行菌種的改良，或優(yōu)良突變體的篩選，以及優(yōu)良菌種的擴大培養(yǎng)和規(guī)?；囵B(yǎng)(發(fā)酵工程)?；蛱结槞z測微量微生物、熒光定量PCR、突變體育種與篩選、發(fā)酵工程等都是源于學(xué)生既有認知，又高于學(xué)生既有認知的生物學(xué)重要概念和技術(shù)，能較好地培養(yǎng)和提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

2.2 在細節(jié)處體現(xiàn)科學(xué)思維的火花 教學(xué)過程中，學(xué)生會遇到許多實際的問題，需要教師引導(dǎo)他們理性思考，加以解決，以下試舉幾例。

2.2.1 土壤取樣點的選擇 作出“校園土壤中存在分解尿素的細菌”的假設(shè)后，學(xué)生對校園土壤的取樣點有了不同意見： 有提議從廁所便池內(nèi)取樣，有提議取荷花池的底泥，有提議選擇向陽和背陰處的土壤作對照，有提議取樣前先增菌富集；有學(xué)生對取樣深度提出思考……最終協(xié)商一致的方案為： 統(tǒng)一取地表下5 cm左右的土壤，分為4個取樣點(向陽有尿素、向陽無尿素、背陰有尿素、背陰無尿素)，有尿素的取樣點提前2 d在地表下5 cm處埋放等量尿素，覆土；采用稀釋涂布平板法，在以尿素為唯一氮源的選擇培養(yǎng)基中進行預(yù)實驗培養(yǎng)。35℃、 48 h后培養(yǎng)結(jié)果見圖3。

圖3 初次選擇培養(yǎng)結(jié)果

結(jié)果顯示4個取樣點都分離出了具有分解尿素能力的微生物，肉眼估測菌落數(shù)量，向陽組與背陰組有較明顯差異，有尿素組和無尿素組差異不明顯。鑒于課堂時間較緊張，不可能解決所有問題，且實驗室實驗器材準備壓力較大，筆者建議學(xué)生將有尿素組和無尿素組差異不明顯的原因留待以后進一步討論和研究，選擇向陽有尿素和背陰有尿素組樣品進行后續(xù)實驗。

2.2.2 稀釋梯度的選擇 前述課題1“微生物的實驗室培養(yǎng)”中已經(jīng)介紹和訓(xùn)練過稀釋涂布法估算菌落數(shù)量的方法，但是在實際操作中并不需要對每個稀釋梯度的培養(yǎng)結(jié)果進行計數(shù)，而是選擇菌落數(shù)目在30～300的平板。為了減少浪費，研究性學(xué)習(xí)小組的學(xué)生根據(jù)圖3的培養(yǎng)結(jié)果，討論確定了兩個樣品各3個稀釋梯度進行涂布平板和計數(shù)，每個梯度做3個平行，稀釋梯度選擇見表1(√表示用于計數(shù)的梯度)，培養(yǎng)結(jié)果見圖4。

表1 稀釋梯度選擇

結(jié)果顯示菌落數(shù)量大致符合預(yù)期。其中，向陽有尿素組的幾塊平板稀釋涂布操作比較成功，明顯選擇10-4梯度計數(shù)較為合理。有學(xué)生發(fā)現(xiàn)箭頭指示處的異常，一塊10-5稀釋度的平板上，有部分菌落堆積在一起。在課堂教學(xué)中經(jīng)討論分析，學(xué)生認識到可能是稀釋操作失誤或涂布操作失誤造成，結(jié)合平行對照分析，原因更有可能是前者。而背陰有尿素組的平板由于操作者的不熟練或錯誤，造成大量菌落粘連形成菌苔，導(dǎo)致無法準確讀數(shù)。在課堂上討論分析后，由全班學(xué)生對背陰有尿素組土壤樣品重新進行稀釋涂布平板操作。經(jīng)過上述學(xué)習(xí)過程，全體學(xué)生對相關(guān)操作的基本要求，以及相關(guān)操作對培養(yǎng)結(jié)果影響的認識也更加深刻。

2.2.3 初步區(qū)分微生物的種類 在研究性學(xué)習(xí)小組的預(yù)實驗中，選擇培養(yǎng)基上生長的菌落至少存在以下3種形態(tài)(圖5)： A型，菌落圓形、凸起、邊緣完整、濕潤；B型，菌落不規(guī)則狀、扁平、邊緣裂片狀、較干燥；C型為霉菌樣菌落。

圖4 稀釋涂布培養(yǎng)結(jié)果

圖5 選擇培養(yǎng)基上的菌落形態(tài)

研究性學(xué)習(xí)小組的學(xué)生介紹到這里后，筆者提出一個問題給全班學(xué)生：“預(yù)實驗分離出3種形態(tài)的菌落，可以認為樣品中分解尿素的細菌就是3種嗎？”引導(dǎo)學(xué)生積極思考。經(jīng)過全班學(xué)生充分討論，最終總結(jié)出以下幾點結(jié)論： ①霉菌和細菌都能形成菌落，但在分類學(xué)上存在差異；②不同的菌種可能形成類似的菌落形態(tài)；③由于是初步分離，一個菌落可能由多個菌種形成的菌落融合而成；④選擇培養(yǎng)基上可能有部分菌種不分解尿素，而是利用其他菌種的代謝產(chǎn)物生存；⑤要想確認菌種分類，需要進一步分離純化。由此自然地引出教學(xué)設(shè)計中的下一個步驟： 全班學(xué)生分別挑取單菌落，采用平板劃線法進一步分離純化菌種。

通過對上述探究歷程中生成性問題的解決，可提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。

2.3 生命觀念和社會責(zé)任依次遞進 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個要素是一個統(tǒng)一的整體，科學(xué)探究和科學(xué)思維互為倚重，支撐生命觀念的形成；生命觀念是生物學(xué)核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和支柱；在形成生命觀念、進行科學(xué)思維和科學(xué)探究的過程中，最終形成社會責(zé)任意識和義務(wù)[2]。

在課題實施過程中，筆者注重對學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)，同時在其中對學(xué)生進行潛移默化的生命觀念教育。例如，微生物的宏觀和微觀層面的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其生活方式，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能觀；培養(yǎng)基的成分與微生物的代謝產(chǎn)物的聯(lián)系，體現(xiàn)了物質(zhì)與能量觀；微生物的遺傳學(xué)鑒定和突變體篩選，體現(xiàn)了進化與適應(yīng)觀等。為了進一步豐滿這一部分內(nèi)容，筆者通過查閱科研文獻，還找到了除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外，分解尿素的細菌的一些其他應(yīng)用，如： 在環(huán)境工程中可用于調(diào)控氨氮濃度，在巖土工程中可用于綠色原位加固(一種綠色環(huán)保的固結(jié)土壤、防止塌方的技術(shù))等，這部分補充內(nèi)容體現(xiàn)了當(dāng)前非常重視的穩(wěn)態(tài)與平衡觀。限于課堂時間和學(xué)生知識層次，補充內(nèi)容在課堂上僅作簡單呈現(xiàn)，并鼓勵學(xué)生在課后查閱文獻，思考討論。

隨著課堂教學(xué)的進行，學(xué)生不再孤立地、置身事外地看待微生物的實驗室培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)，而是深刻認識到這些技術(shù)廣泛且大量應(yīng)用于科學(xué)研究、獲得生產(chǎn)生活所需產(chǎn)品、改善我們的居住環(huán)境等方面，學(xué)生對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣和對相關(guān)社會熱點問題的參與意識有了明顯增強。

3 教學(xué)反思

教學(xué)是教師與學(xué)生雙主體間的互動作用，教學(xué)中教師應(yīng)從關(guān)注知識到關(guān)注素養(yǎng)，真正內(nèi)化核心素養(yǎng)理念并指導(dǎo)教學(xué)，全面發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)[3]。本次實驗教學(xué)的實施，通過教師的精心設(shè)計，與學(xué)生的積極配合，達成了深化培養(yǎng)生物學(xué)核心素養(yǎng)的目標，學(xué)生解決實際問題的動力和能力都有了明顯提高。