（杭州第四中學(xué) 浙江杭州 310018）

1 課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)

課外的生物實(shí)驗(yàn)活動(dòng)具有無可替代的生物教學(xué)功能，可以為學(xué)生提供以問題解決為目的的合作探究機(jī)會(huì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)探究的自主性，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。我校以“養(yǎng)正生物種植實(shí)驗(yàn)園”為基地，利用與我校長期進(jìn)行科研合作的杭州花圃和杭州師范大學(xué)生命科學(xué)院等校外資源，以校本課程和課外活動(dòng)相結(jié)合的形式，以學(xué)生為科研主體、實(shí)驗(yàn)教師與科技人員為把關(guān)和引導(dǎo)者，嘗試開展一系列以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)為目標(biāo)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過程

“養(yǎng)正生物種植實(shí)驗(yàn)園”占地20余畝，有蔬菜種植實(shí)驗(yàn)地、魚類養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)池、多種果類種植實(shí)驗(yàn)林等多個(gè)區(qū)塊，配備了齊全的種植用的農(nóng)用工具和養(yǎng)殖所需要相關(guān)設(shè)施?！耙吧然ㄔ诤贾莸貐^(qū)的耐熱性研究”是2019年起與杭州市園文局合作的“芳香觀花植物品種優(yōu)選及景觀技術(shù)研究”課題的子課題，以我校種植實(shí)驗(yàn)園為基地進(jìn)行栽培觀測(cè)。

2.1 觀察現(xiàn)象，導(dǎo)入問題

自2019年起，野扇花作為與市園文局合作開展“新優(yōu)木本芳香觀花植物品種優(yōu)選及景觀應(yīng)用技術(shù)研究”課題的選育品種引入我校。夏季，負(fù)責(zé)觀察培育的高一研究小組的學(xué)生發(fā)現(xiàn)：前一段時(shí)間生長正常的植株暑期過后有很多出現(xiàn)萎焉，植株部分邊沿有發(fā)黃現(xiàn)象。有學(xué)生推測(cè)，這是由于夏季的高溫影響野扇花的生長。根據(jù)學(xué)生觀察的現(xiàn)象，師生討論提出探究問題：既然野扇花是選育適合杭州地區(qū)生長的優(yōu)選芳香植物之一。如何使得野扇花在夏季的生長保持良好狀態(tài)？學(xué)生在查閱文獻(xiàn)、結(jié)合種植園的生長環(huán)境討論后，提出：高大喬木下的地被栽種梯次培養(yǎng)可能是改善植物在夏季耐熱環(huán)境的一種方法，是否可以通過近地栽培，提高野扇花生長的耐熱性？于是，學(xué)生嘗試給野扇花搭建遮蔭棚，模擬高大喬木下的地被栽種梯次培養(yǎng)。

2.2 以問題導(dǎo)向，學(xué)生自主的實(shí)驗(yàn)過程教學(xué)設(shè)計(jì)

要取得實(shí)驗(yàn)結(jié)論必須有實(shí)驗(yàn)結(jié)果來支撐。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)前，教師要求學(xué)生先提出問題，帶著問題去查閱資料。研究小組的學(xué)生經(jīng)過討論后，列出了以下問題：野扇花的原產(chǎn)地的氣候條件怎么樣？它對(duì)生長環(huán)境有哪些要求？它的生長特點(diǎn)有哪些？實(shí)驗(yàn)的自變量和因變量是什么？用的是哪一種對(duì)照方法？觀測(cè)哪些數(shù)據(jù)，可以說明野扇花的耐熱性?教師匯總各組學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，協(xié)助學(xué)生整理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。

①第一階段：選取6、7、8月份，在養(yǎng)正種植園觀察模擬近地栽培組的野扇花生長情況。

觀察已引至種植實(shí)驗(yàn)園近一年的3年生野扇花插條（引自貴州林業(yè)學(xué)校），選取10株株高20～30 cm之間野扇花10株作為目標(biāo)樣本。2020年6月—8月，選取中午12：30—13：00，每10天測(cè)量一次，測(cè)量株高、冠幅、分枝數(shù)、側(cè)枝直徑與側(cè)枝長度（此側(cè)枝為每一植株位于中部體態(tài)相對(duì)健壯的一級(jí)分枝），同時(shí)記錄溫度、日照度。每組數(shù)據(jù)測(cè)量重復(fù)3次，取平均值，以表格形式記錄，應(yīng)用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

②第二階段：拓展校外實(shí)驗(yàn)室，提升實(shí)驗(yàn)方法技能，觀察野扇花在高溫脅迫下的生理生化指標(biāo)，探討高溫脅迫對(duì)野扇花生長的影響。

2020年10—11月，將植株中的幼葉于田中移栽入盆放置5 d，對(duì)照組為室溫處理，選取的2個(gè)脅迫溫度分別為35℃、40℃，每組溫度有3盆野扇花植株，在杭師大生命科學(xué)院生理生化實(shí)驗(yàn)室分別測(cè)定第1天、第3天、第5天野扇花葉的丙二醛（MDA）、總蛋白（PRO）的含量以及電導(dǎo)率（測(cè)量方法參照蘇州格瑞思生物科技有限公司試劑盒提供的方法）。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)施與教學(xué)

教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：（1）測(cè)量側(cè)枝直徑的位點(diǎn)怎么確定？怎么保證下一次的測(cè)量確保在同一位點(diǎn),使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有可靠的重復(fù)性？（2）計(jì)數(shù)側(cè)枝數(shù)量時(shí)由于分叉較多，容易誤數(shù)多數(shù)，如何保證不重復(fù)計(jì)數(shù)？

開始，小組成員設(shè)計(jì)用油漆筆畫點(diǎn)、線繩的固定的方法來測(cè)量。但是，實(shí)施時(shí)發(fā)現(xiàn)：漆點(diǎn)較厚，會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；線繩容易移動(dòng)，不能保證在同一位點(diǎn)。后來，學(xué)生一致討論利用植株的自然體位，測(cè)量位點(diǎn)固定在主枝、一級(jí)側(cè)枝的分叉處，游標(biāo)卡尺和側(cè)枝方向垂直，以消除無關(guān)變量。學(xué)生采取自創(chuàng)定量標(biāo)注法——每數(shù)到10個(gè)分叉用線繩或皮筋扎一下，最后數(shù)捆數(shù)加上余量就可以了。

第二階段的生理生化實(shí)驗(yàn)的設(shè)備儀器藥品，是學(xué)生平時(shí)在校內(nèi)較少機(jī)會(huì)接觸到的。教師特意邀請(qǐng)杭師大生命科學(xué)院的教授及其研究生進(jìn)行輔助指導(dǎo)。由于實(shí)驗(yàn)過程涉及的步驟很多，每個(gè)步驟中的細(xì)節(jié)也是會(huì)影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此各小組及組內(nèi)成員分工協(xié)作、使科學(xué)探究活動(dòng)有計(jì)劃進(jìn)行，順利完成，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究效率品質(zhì)。

經(jīng)過第一階段的鍛煉，學(xué)生的現(xiàn)象觀察、提問質(zhì)疑、探究的意識(shí)得到提升。在第二階段MDA測(cè)定時(shí)，針對(duì)輔導(dǎo)老師的操作方法，有學(xué)生提出：為什么用完的研缽清水沖洗干凈后需晾干或用吸水紙擦干？未晾干水分的研缽會(huì)影響MDA提取液的濃度，從而影響所測(cè)定的MDA數(shù)值的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)導(dǎo)師從理論原理上的答復(fù)加深了學(xué)生對(duì)操作方法的理解，而不是單純記憶模擬。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)分析與討論

學(xué)生觀察，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）。

表1 6-8月野扇花的生長的表觀數(shù)據(jù)（均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）

2019年8月份平均氣溫高于6、7月份，氣溫35℃以上的天數(shù)占2/3。雖然觀察記錄到8月份的分枝數(shù)有減少，但6、7、8月份植株的平均株高、冠幅、側(cè)枝長度、側(cè)枝直徑統(tǒng)計(jì)差異不顯著（P＞0.05）。表觀數(shù)據(jù)提示：野扇花生長雖然受到高溫炎熱的一定影響，但搭建遮蔭棚模擬近地栽培的野扇花生長基本保持良好，沒有明顯的萎焉。經(jīng)歷杭城整個(gè)夏季的觀察，雖有部分側(cè)枝枯死，但未出現(xiàn)大面積黃葉和死亡的情況，且生長速度較慢，是一種較為理想的地被植物。野扇花在遮陰棚模擬的近地栽培條件下對(duì)杭州的高溫有較好的耐受性。

第二階段的數(shù)據(jù)具體結(jié)果見圖1、2、3。

圖1 不同溫度處理野扇花葉1、3、5 d后MDA的含量

圖2 不同溫度處理野扇花葉1 d、3 d、5 d后PRO的含量

圖3 在不同水浴溫度下野扇花葉的電解質(zhì)外滲率（REC）

學(xué)生在校外杭師大實(shí)驗(yàn)室觀察結(jié)果：與對(duì)照組（25℃）相比，隨著處理天數(shù)的增加，35℃和40℃處理的野扇花葉中MDA、PRO的含量呈現(xiàn)先升高、后降低、再升高的趨勢(shì)。

野扇花葉的MDA、PRO含量的變化反映了野扇花葉細(xì)胞的損傷程度。學(xué)生通過討論，分析當(dāng)野扇花從室溫條件下移入35℃和40℃的環(huán)境時(shí)，溫度的急劇升高導(dǎo)致野扇花的生長出現(xiàn)損傷：第一天測(cè)量的MDA、PRO含量較對(duì)照組明顯升高；3天后，野扇花可能存在熱適應(yīng)的自我保護(hù)機(jī)制，測(cè)定的MDA和PRO含量有一定程度的降低，提示具有一定的耐熱保護(hù)機(jī)制；但第五天測(cè)定的MDA、PRO含量與第三天的比較明顯增高，提示持續(xù)的溫度脅迫可導(dǎo)致野扇花的細(xì)胞生長損傷。

測(cè)量野扇花葉片電解外滲率，結(jié)果45℃時(shí)電解質(zhì)外滲率開始緩慢升高，50℃電解質(zhì)外滲率急劇升高。數(shù)據(jù)表明溫度越高，細(xì)胞膜受損傷程度越嚴(yán)重，電解質(zhì)外滲率也越高。因此野扇花最高抗熱溫度應(yīng)不超過45℃。

2.5 探究結(jié)論，反思過程

在學(xué)生探究階段，教師要融入學(xué)生的探究活動(dòng)中，參與指導(dǎo)、分析學(xué)生存在的問題、缺陷，使學(xué)生選擇合理或改進(jìn)設(shè)計(jì)更合理的方案。教師要開展過程性評(píng)價(jià)，特別關(guān)注學(xué)生對(duì)無關(guān)變量的控制、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的把控；應(yīng)重視科學(xué)探究過程的分析與評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，使學(xué)生逐步熟悉科學(xué)探究的全過程，提高探究問題效率、能力，推動(dòng)探究活動(dòng)得以順利進(jìn)行。

學(xué)生分析兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從現(xiàn)象推導(dǎo)初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：野扇花具有一定的耐熱性。給野扇花搭建遮蔭棚模擬高大喬木下的地被栽種是比較適合野扇花在杭州地區(qū)的一種栽培方式，雖由于熱脅迫的作用造成了少量分枝枯死，但沒有出現(xiàn)大比例的死亡現(xiàn)象。

教師要鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理分析后，實(shí)事求是地對(duì)存在的不能解釋的問題提出自己的改進(jìn)意見的設(shè)計(jì)。8月末期出現(xiàn)了個(gè)別植株整株枯死的現(xiàn)象，學(xué)生經(jīng)查閱資料推測(cè)這是由于6、7月份杭州本地梅雨季持續(xù)時(shí)間比較長，根系缺乏通氣助長了霉菌的感染。在下一階段的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中可采取2種預(yù)防措施：①把現(xiàn)有的野扇花換一個(gè)地塊移栽，在新栽地?fù)饺氪罅康纳惩?，以提高土壤的透氣性；②再按一定的周期使用惡霉靈澆注根系。

3 教學(xué)成效及反思

本項(xiàng)課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐充分利用了“養(yǎng)正生物種植實(shí)驗(yàn)園”的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合專業(yè)科研單位的專項(xiàng)課題和高校的實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，以“選修課+課外實(shí)驗(yàn)”形式開展活動(dòng)，探索了一種校內(nèi)外結(jié)合發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的新途徑，彌補(bǔ)了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在深廣度和實(shí)踐性方面的不足。

3.1 課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)是學(xué)生獲得生物學(xué)科探究經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)的重要途徑

生物課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以克服傳統(tǒng)輸入式教學(xué)，為學(xué)生提供以問題解決為特點(diǎn)的合作探究的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，使學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)。學(xué)生經(jīng)歷引種栽培、觀察現(xiàn)象、提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施過程、交流與分析討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出結(jié)論、反思實(shí)驗(yàn)過程、形成研究性學(xué)習(xí)報(bào)告的整個(gè)過程，在實(shí)踐中對(duì)科學(xué)探究有了更深更多的親歷體驗(yàn)。在實(shí)踐過程中，學(xué)生的觀察能力、科學(xué)思維、科學(xué)探究得到提升，從而提升了科學(xué)探究的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

3.2 加強(qiáng)教師與學(xué)生的交流環(huán)節(jié)，以科學(xué)探究素養(yǎng)為指向，提升課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

在課外實(shí)踐活動(dòng)、校外實(shí)驗(yàn)研究室拓展的在教學(xué)過程中，教師通過加強(qiáng)與學(xué)生的交流來引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和探究問題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的方法。在實(shí)驗(yàn)前，教師加強(qiáng)與學(xué)生的交流討論，發(fā)揮引導(dǎo)作用，使學(xué)生結(jié)合自身的興趣，通過對(duì)觀察的現(xiàn)象、提出問題，并進(jìn)一步自主設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)施實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)實(shí)施后，教師參與指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果的討論互動(dòng)交流，促進(jìn)學(xué)生展開實(shí)踐探究活動(dòng)，解決問題，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

探究式教學(xué)作為新課程倡導(dǎo)的一種教學(xué)方式，可以充分發(fā)揮學(xué)生主體性，把學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力作為發(fā)展重點(diǎn)，以學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)為核心，以現(xiàn)象為素材，努力創(chuàng)設(shè)問題情境，誘發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生思維，使學(xué)生通過探究分析解決問題，獲得新知識(shí)及科學(xué)探究的素養(yǎng)，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究思維品質(zhì)、習(xí)慣、能力，促進(jìn)學(xué)生形成主動(dòng)的學(xué)習(xí)過程。