基于核心素养的高中生物实验教学设计.docx
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基于核心素养的高中生物实验教学设计
基于核心素养的高中生物实验教学设计
——以“比较过氧化氢在不同条件下的分解”为例
【内容摘要】高中生物学科核心素养包含生命观念,科学思维,科学探究和社会责任四个维度,培养学生的生物核心素养,帮助学生形成科学的辩证唯物主义世界观和自然观,是高中生物学科教学的重要任务。
本文以“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验为例,以培养学生的生物学科核心素养为目标进行教学设计,落实核心素养的目标,通过创设真实问题情境,引导学生进行主动探究,并且帮助学生在设计与操作实验的过程中形成生命观念,领悟科学探究精神、树立科学态度和培养社会责任,提升了生物学科的核心素养。
【关键词】核心素养;生物实验;教学设计
1前言
1.1高中生物学科核心素养
核心素养在新一轮的教学改革发挥着核心作用,基于国家相关部门出台的《普通高中生物学课程标准(2017年版)》可以得知,学科核心素养实则可以在一定程度上,体现出学科本身的育人价值。
从本质上而言,本文所研究的生物学科核心素养,旨在帮助学生在对教材进行深入学习的情况下,培养学生极为优良的价值观念以及相应的核心能力,该过程涉及到生命观念以及科学探究等四大关键元素。
[1]除此之外,核心素养还极为关注于学生良好的综合素质的培养、形成正确的价值观与发展内心情感。
[2]总的来说,本文所提及的生物学科核心素养,旨在帮助学生在科学探究时,树立极为优良的生命观念,同时发展严谨的、具有逻辑的科学思维,最终具有良好的社会责任感和义务感。
[3]
对于生物学学科所涉及的核心素养而言,尤为关键的即为生命观念。
其基本含义为:
将已经成功观察的某特定生命现象等,进行相对抽象的解释,从而帮助学生借助于生命观念的基本定义,深入掌握生物所表现出的多样性以及独特性,以此来培养学生正确的自然观,并鼓励他们积极探索蕴含于生命活动当中的基本规律,再将其运用于实际生活当中,有效解决一系列相关问题。
与此同时,以科学思维为例,其基本含义为:
以既定的的生物学事实为基准,秉持求真务实的学习态度,通过自身正确的思维接触并了解新兴事物,提高自身解决多样化实际问题的行为能力。
除此之外,以科学探究为例,其基本含义为:
掌握蕴含于生活当中的各类生物学问题,并基于特殊现象进行细致观察和积极提问,从而设计出行之有效的实验方案,并将其运用于实施当中。
在此过程中,还应关注于与人交流的重要性。
值得一提的是,社会责任一般以生物学为基础,旨在培养人类正确的价值观,并参与社会事务的积极讨论当中,以此来进行科学合理的判断,从而有效解决生活中存在的一系列问题。
[1]
在下述内容中,将以“过氧化氢在不同条件下的分解”实验为例,阐述了在实验教学过程中如何将核心素养融入教学设计,除此之外,还将实现生物学学科所涉及的核心素养。
2指向核心素养的教学设计
2.1教材分析
在本实验中。
旨在对比过氧化氢基于多样化环境下而产生的分解现象。
这实则为“降低化学反应活化能的酶”课程选择的一个探究性实验,选自人教版高中生物必修一第五章第一节。
通过本实验的学习,学生可以深切体会到酶具有高效性这一特性,明白在酶在细胞代谢中有何特殊意义,并且能够利用所学习的酶的知识来解释生活中的相关现象。
在实验过程中,学生将首次全面学习控制变量所涉及到的基本知识。
在此过程中,学生应当借助于对照实验的基本方法来解决实验问题的方法步骤,体会设计对照实验的原则。
2.2学情分析
本节课旨在针对高一学生进行授课,故而应当注意下述内容:
(1)学生接触的无机化学反应较多,在具备一定化学知识的基础上,对催化剂的作用和加快化学反应速度的方法有一定的了解,但学生几乎不了解细胞内的化学反应,对于酶的相关知识了解较少,从未接触过关于酶的作用特点,控制变量与设计对照实验的知识。
(2)本节实验之前学生操作的实验都是验证性实验,学生几乎没有设计与操作过探究性实验,不了解设计对照实验的方法与原则,并且不熟悉如何观察与分析实验结果。
(3)学生具备实验操作的基础,以及一定的分析问题的能力,但缺乏小组合作进行探究实验的经验,不足以进行创新实验,操作实验来验证想法的经验不足。
在本节实验的学习与操作后,学生将会对酶的高效性有一定的了解,形成相应的生命观念;与此同时,需要秉持该实验的基本原则,并针对最后得到的实验结果,进行相对深入的细致分析。
在此之后,学生所含有的探究能力将显著提高。
2.3教学目标
(1)生命观念角度:
该教学目标旨在基于生命观念的基本准则,针对已经观察的相关实验现象,进行多维度的系统解释,阐明在细胞代谢的过程中,酶起到的重要作用。
(2)科学思维角度:
该教学目标旨在基于科学思维的基本方法,有效解决学生面临的一系列实际问题。
在此过程中,总结出设计对照实验的原则,举例说明什么是自变量、因变量与无关变量。
(3)科学探究角度:
制定实验方案,基于已经成功设计的具体实验方案以及相应的步骤,完成一系列基本操作,并精准把控相关自变量,针对因变量以及某特定观察因变量之间所呈现的真实变化进行跟踪检测。
与此同时,设置对照组并进行反复试验,从而培养科学探究能力。
(3)社会责任角度:
通过对酶的作用及其特性的探究,培养学生勇于探索,敢于创新的精神;能够利用所学的有关于酶的知识解决生活中的问题,认识到生物科学的价值。
2.4教学重难点
教学重点:
本文所研究的酶,在代谢过程中发挥的实际作用以及其所表现出的高效性。
教学难点:
针对本文所研究的酶的基本特性,进行更深层次的细致探究,并深入掌握可以控制变量的最佳方法。
2.5教学方法
(1)启发教学法:
首先,设定一系列问题串,使学生带着疑问主动进行探究,激发学生学习兴趣,主动进行实验设计与操作,培养和发展学生的实验操作兴趣与激情,达到实验课堂的高效性。
(2)实验探究教学法:
从实验原理、实验目的、实验步骤、现象记录和分析、归纳总结得出结论等方面,来引导学生主动进行探究,理解实验方案、完成实验并尝试改良实验方案;从具体到抽象,从理论到实践来深化科学探究思想,培养学生合作学习和科学探究的能力。
[5]
(3)直观教学法:
利用课件、曲线、图像化抽象为具体。
2.6课前材料用具准备
预先设定质量分数为20%的新鲜肝脏研磨液,新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液,质量分数为3.5%FeCl3溶液;此外,预先设定量筒,滴管,火柴,大烧杯以及气球,水浴锅。
2.7教学过程
见下表:
表2-1《过氧化氢在不同条件下的分解》实验教学设计
教学过程设计
核心素养指向
一、情境引入实验,强调原理目的
【展示图片】腿部的伤口,一瓶医用双氧水。
【描述并提问】:
当我们的皮肤受到外伤时,通常使用双氧水来消毒伤口。
双氧水会分解,可产生氧气和水,日常需要怎样保存?
学生思考回答:
密封、避光、阴凉处放置。
双氧水是过氧化氢水溶液,它可以分解产生氧气,许多条件都会影响其分解的速度,如:
温度、光照、催化剂等。
在学习化学时,我们已经知道了催化剂会使化学反应更容易地进行,细胞中的化学反应比同学们在化学课上所学的反应要复杂得多,我们将细胞中每时每刻都进行的反应称为细胞代谢。
其中有些反应在细胞外使用无机化学的手段是无法进行的,而在细胞内却可以高效有序地进行,是因为细胞代谢有合适的生物催化剂——酶。
今天我们就通过实验来探究温度和催化剂对过氧化氢的分解的影响。
二、实验原理强调:
1.H2O2H2O+O2(2-1)
2.温度、催化剂的种类等因素会影响过氧化氢分解的速度。
3.氧气产生的速度可以反映过氧化氢的分解速度。
4.新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶。
三、实验目的强调:
(1)掌握对照实验的原则和步骤,学会设计与操作对照组实验;
(2)通过比较过氧化氢在不同条件下的分解速度的快慢,理解过氧化氢酶的作用效果以及在细胞代谢中的意义。
(3)学会控制自变量与无关变量,观察因变量,并能分析自变量和因变量的关系。
四、实验教学内容
实验操作一:
温度对过氧化氢分解的影响
表2-2温度对过氧化氢分解的影响
编号
3%H2O2溶液
室温条件
气泡产生量
1
2ml
室温
2
2ml
90℃水浴
指导学生根据图表按以下要求进行操作,分组完成实验,观察气泡产生情况,并提出下述问题。
具体步骤如下:
首先,选择2支无污染的试管,并依次编号为1和2;其次,将两只试管依次融入2ml过氧化氢溶液,并基于序号分别放于试管架当中。
与此同时,将2号试管处于大约90℃的水浴环境下,跟踪观察气泡随时冒出的实际情况,再将其和1号试管之间进行对比。
(1)在上述两支试管当中,可以看到怎样的现象?
学生:
显著看出2号试管中蕴含的氧气数量相对较多。
(2)此现象意味着什么?
学生:
在高温环境下,能够促进过氧化氢分解。
(3)当处于细胞当中,能否通过加热来提高反应速度吗?
学生回答:
不能,高温会使蛋白质变性,由此阻碍细胞代谢的进行。
【问题过渡】那么需要采取什么条件,才能使得细胞当中的反应速度切实提升呢?
接下来,我们将要探究不同的催化剂对过氧化氢的分解有什么影响,并使用卫生香复燃的情况来检验结果。
实验操作二:
各种类型的催化剂,相对于过氧化氢分解过程,而产生的实际影响。
表2-3催化剂对过氧化氢分解的影响
编号
3%H2O2溶液
3.5%FeCl3溶液
20%肝脏研磨液
卫生香复燃情况
3
2ml
3滴
4
2ml
3滴
指导学生根据图表按以下步骤要求进行操作,分组完成实验,观察气泡产生情况,提出问题。
具体步骤如下:
首先,选择2支无污染的试管,并依次编号为3和4;其次,将两只试管依次融入2ml过氧化氢溶液,并基于序号分别放于试管架当中。
在此之后,在3号试管当中融于3滴FeCl3溶液,并且同时在4号试管当中融于3滴肝脏研磨液,经由细致对比得知冒出气泡最多的试管。
静置2-3分钟,即可将已经点燃的卫生香,依次放置于两只试管上方,从而判定卫生香燃烧更为猛烈的试管。
(1)3、4号试管并未进行加热,然而相较于1号试管而言,却出现更多的气泡,这意味着什么?
学生:
这是由于催化剂能够促进过氧化氢的分解过程。
(2)3、4号试管两两对比,可以得知某支试管表现出更为迅猛的气体释放速度,这意味着什么?
学生:
可以看出4号试管的气泡释放速度尤为迅猛,这意味着过氧化氢的分解速度特别显著,故而过氧化氢酶的催化效率更高。
此时强调从以上的实验结果,进行深入的细致分析可知,酶表现出极为良好的高效性。
在此情况下,如果滴入等体积的3.5%FeCl3溶液以及相应的20%肝脏研磨液,将可得知,后者释放氧气的数量明显多于前者,且卫生香复燃的火焰更大,说明与无机催化剂相比,酶具有高效性。
通过比较以上两个实验操作的过程,可以得出设计实验的原则:
(1)在实验中,过氧化氢所表现出的浓度以及温度环境等,均可以跟踪调整,这类因素被称之为变量。
(2)在实验当中,第一组旨在以温度为基准,第二组则旨在以催化剂种类为基准,两大变量均能跟踪调整,这类变量通常被称之为自变量。
(3)由于感受到自变量的变化,而使得自身产生相应变化的变量,通常被称之为因变量。
由此得知,两组的因变量,即为催化剂过氧化氢所表现出的实际分解速度,它是随着温度的变化而变化,由于催化剂品种趋于多样化,故而对于过氧化氢而言,其所表现出的分解速度也存在一定的差异性。
(4)除此之外,当进行实验时,还将涉及到某些可变因素,这些因素或多或少都会影响到最终的实验结果。
在此情况下,这类因素即被称之为无关变量,例如:
pH值等。
需要注意的是,当进行实验时,应当保证无关变量的一致性和合理性。
当针对对照实验进行实际设计的过程中,应当秉持单一变量以及相应等量对照的基本准则。
即全程只存在自变量的实时变化。
总结并归纳出该实验中所涉及的问题,找出相应的解决方法,再通过实验进行验证:
在实验过程中可以发现:
过氧化氢在不同条件下的分解速度不同,氧气释放速度和气泡的大小也不同,卫生香复燃程度也不一样。
在滴加肝脏研磨液的过程中,有的时候会出现试管中产生大量泡沫的情况,试管内的过氧化氢溶液可能会发生溢出现象,不能使得卫生香复燃,故而无法得知氧气释放的真实速率。
此外,因为气泡体积存在一定的差异性,故而卫生香所表现出的复燃情况实则并不良好,也因此无法得知氧气释放的真实速率。
在此情况下,应当通过何种操作,来体现出氧气释放的真实速率呢?
五、实验设计与验证
学生基于对照实验,将能针对上述问题,提出针对性的新型解检测方法。
现有材料气球作为收集气体的工具,设计实验进行观察,学生讨论并设计实验方案。
表2-4气球检测催化剂对过氧化氢分解的影响
编号
3%H2O2溶液
3.5%FeCl3溶液
20%肝脏研磨液
气球膨胀速度
5
2ml
3滴
6
2ml
3滴
首先,学生借助于成功套在试管口表面的气球,将能实时收集由于过氧化氢分解而形成的一定数量的氧气,气球体积即可直观反映出氧气所表现出的释放速度,由此得知。
起初气球的表现情况:
图2-1刚开始气球的情况
1分钟后:
图2-2一分钟后气球的膨胀情况
3分钟后:
图2-3三分钟后气球的膨胀情况
六、结果分析
请每个实验小组的一位代表说出他们小组的实验结果及结果分析,再总结得出最终的结果分析:
当进行实验时,能够明显观察到气球的变化,在6号试管中,起初气球体积尚未膨胀,当融于一定数量的肝脏研磨液后,显著看出气球体积的膨胀,并且两组程度基本一致,此外,发现用气球收集气体还可以避免加入肝脏研磨液的试管中过氧化氢溢出试管腐蚀操作者的手。
还可以得出:
(1)酶所表现出的实际催化效率,远远超过无机催化剂的效率;
(2)酶仅仅加速反应时间,而并不改变产物实际的量。
上述反应的曲线图如下:
图2-4不同条件下过氧化氢分解情况曲线图
七、整理器材,填写实验报告
学生清洗试管,整理桌面实验器材,根据实验操作情况完成实验报告,在填写实验报告时,学生评价自己在实验过程中的优点与不足,总结自己在理论和操作上的优缺点,同时也可以和其他组的同学进行交流,评价其组同学的操作,相互学习借鉴。
以日常生活的情景进行导入,不仅可以启发学生的学习兴趣,还可以提高学生们学习生物学科的积极性,使学生认同应用所学知识可以解决生活中的生物学问题这一社会责任。
引导通过学生已有的化学知识来建构新知识。
强调实验目的能让学生明确自己本节课将要学习和掌握的内容,达到高效的教学效果。
在学生的实验操作过程中,适当提出问题,引导学生主动思考、讨论并解决问题,提高学生科学思维能力能力,培养学生严谨的科学态度。
逐步设疑,环环相扣,通过问题串的方式,引导学生分析总结得出酶具有高效性的特点。
从实验的过程及结果引导学生得出设计对照实验的原则,即单一变量原则和等量对照原则,有助于培养学生的科学思维能力。
从原本实验方法的缺陷,引导学生思考并进行讨论,得出改进检测氧气释放速度的方法,并设计实验方案,从而培养学生对各类问题的分析能力和总结能力,这也是本次活动的初衷。
学生当针对该实验进行操作时,锻炼了他们的动手能力和思考能力,并且对于实现现象的观察,分析、讨论及总结出实验结果,得出正确的结论,有助于培养科学思维与科学探究能力。
通过学生亲自经历实验过程,分析总结并得出结论,有利于学生运用已有的知识、证据和逻辑对实验现象进行思考,拓宽理性思维。
基于最后获得的实验结果,将能积极构建出建相应的坐标图。
同时,借助于数学模型的作用,将能针对现有的生物学问题,进行相对深入的细致分析,以此来切实增强学生蕴含的科学思维能力。
当完成实验时,应当鼓励学生清理器材,培养他们良好的动手素养,形成正确的价值观,养成认真负责的社会责任意识。
2.7评价与反思
在该实验课过程中,通过设定对照组,培养学生自身的动手实践能力,使得学生关注到酶所含有的高效性作用,这至关重要。
除此之外,学生还能学会综合评价,这对他们日后的发展大有裨益。
3结语
核心素养是当下课程改革的主要内容,本文以《比较过氧化氢在不同条件下的分解》实验为基准,通过秉持核心素养所涉及的基本要素,针对该实验课所涵盖的教学内容,进行相对深入的细致设计。
并结合实例将教材当中的全部知识点进行紧密相连,有助于学生进行综合学习,体会到生命观念的重要性。
除此之外,本次实验还借助于各种类型教学形式的作用,有效增强学生主动思考以及与人合作的能力,这对于培养他们自身的科学探究素养大有裨益。
从而使得课堂教学效果更进一步提升。
在教学过程中通过提问和实验探究开展实时评价,诊断学生掌握情况,并进行及时指导,使学生尝试利用已有知识解决生物学问题,并且帮助学生在自主体验时,感悟生命观念的重要性,秉持正确的科学态度,有效增强生物学科整体的核心素养,突出本次教学设计的根本目的。
在该教学设计过程中,教师需要秉持课标理念和课程目标的要求实施教学,以教学理论为指导,遵循和应用教学的一般规律;根据学生的认知基础和思维水平,预设问题和任务,让学生自发、有效地自主学习,提升学习能力。
教师在教学设计及教学实践过程中,应加强思考,提高教学设计的科学性、针对性和实效性,将生物核心素养目标落实到课堂教学中。
[4]
参考文献
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2017年版[M].北京:
人民教育出版社,2018.
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[4]肖安庆,李贤.基于核心素养的高中生物教学设计——以“伴性遗传”为例[J].中学生物教学,2017(23):
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[5]曹引航.对新教材中“比较过氧化氢在不同条件下分解”实验的拓展[J].中学生物学,2013,29(05):
39-40.
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