《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》學(xué)科核心素養(yǎng)水平劃分，關(guān)于科學(xué)探究能力的水平四規(guī)定為，針對日常生活的真實(shí)情境提出清晰的、有價(jià)值的、可探究的生命科學(xué)問題或可達(dá)成的工程學(xué)需求；基于對相關(guān)資料的查閱，設(shè)計(jì)并實(shí)施恰當(dāng)可行的方案。按照此目標(biāo)的達(dá)成方向，按照實(shí)際生活情境提出問題，做出假設(shè)，運(yùn)用生物學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則科學(xué)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，確保實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和可行性，得出實(shí)際性結(jié)論，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并在交流過程學(xué)會分析問題和評價(jià)問題。學(xué)生在探究性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中學(xué)會歸納概括、演繹推理、交流討論等科學(xué)思維[1]。
課題來源于生活。日常生活中，隨著社會壓力的逐日增大，人們經(jīng)常用喝茶和咖啡來提神醒腦，據(jù)相關(guān)資料標(biāo)明，青少年喝咖啡量與日俱增，北京市6～17歲兒童青少年中咖啡因食品消費(fèi)者的每日攝入咖啡因為21.66 mg[2]。從茶葉、咖啡果中提煉出來的主要成分是咖啡因，本質(zhì)是一種生物堿，學(xué)名為 1，3，7-三甲基黃嘌呤，純品為白色或帶極微黃綠色、無臭、味苦有光澤的針狀結(jié)晶體。適度地使用有解除疲勞、興奮神經(jīng)的作用，臨床上用于治療神經(jīng)衰弱和昏迷復(fù)蘇。若大劑量或長期使用也會對人體造成損害，或有成癮性效應(yīng)?；诳Х然虿璧拇罅啃枨蠛螅褂谜咄ǔ⒑仁５牟杷?、咖啡水倒入花盆或水槽中。那么，花盆中的植株生長是否會受到影響？茶水渣、咖啡水中的物質(zhì)對植物的生長具體表現(xiàn)在哪些方面？上述內(nèi)容由校本選修學(xué)生沙同學(xué)基于日常生活所見并知網(wǎng)查詢資料確定相關(guān)課題?；诖?，生成本次校本實(shí)驗(yàn)探究內(nèi)容：通過測量每株植物的出芽時(shí)間、出芽率、植物高度、葉片數(shù)量，探究咖啡因的有無對不同品種植物長勢的影響。
1.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn)前引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)思考，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過程中可能涉及的問題，盡可能減少后續(xù)實(shí)驗(yàn)中因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的誤差，并對相關(guān)問題做出解答。實(shí)驗(yàn)前的全面思考，可減少非必要的錯誤出現(xiàn)，有助于學(xué)生全面開展探究活動。
問題1：選擇植物品種及生成探究實(shí)驗(yàn)的原因？
選擇植物品種：春夏季常見植物：薄荷、向日葵、薰衣草、波斯菊、驅(qū)蚊草
單單種植觀賞性植物對高中學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力幾乎無提高，那么尋找探究的實(shí)驗(yàn)變量至關(guān)重要。
問題2：實(shí)驗(yàn)中選擇茶多酚溶液的濃度，為什么選擇100 mg/L的茶多酚溶液及其配制方法？
資料查詢成品茶中咖啡因的含量約為2%~4%，并且趙婕等[3]人研究顯示，不同茶葉水對根的生長具有不利影響，且隨著茶葉水濃度越大，根的生長速度越緩慢。在保證植物正常生長的情況下，選擇100 mg/L的茶多酚溶液。
100 mg/L的茶多酚溶液配制方法：稱取2.5 g-5 g茶葉，1L沸水浴配制質(zhì)量濃度為100 mg/L的茶多酚溶液。
問題3：實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)組和對照組如何設(shè)計(jì)？
以校本課程學(xué)生為主體，實(shí)驗(yàn)探究中分不同小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組分配不同的植物進(jìn)行茶葉水對植物長勢的影響，每組之間進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，比較不同植物受茶水葉中茶多酚的影響程度，同時(shí)小組內(nèi)進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對照組，實(shí)驗(yàn)組定時(shí)定量澆灌相應(yīng)茶多酚溶液，對照組定時(shí)定量澆灌自來水，要求所有組的環(huán)境條件及其他實(shí)驗(yàn)材料保持一致。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)前做好實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，要求學(xué)生初步具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，制定完整的實(shí)驗(yàn)方法，體現(xiàn)控制變量的思想，進(jìn)一步要求學(xué)生寫出清晰的實(shí)驗(yàn)過程，并嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：
2.1實(shí)驗(yàn)材料及器材
????實(shí)驗(yàn)材料：薄荷、向日葵、薰衣草、波斯菊、驅(qū)蚊草種子若干。茶葉若干、一次性水杯、營養(yǎng)土。
2.2實(shí)驗(yàn)過程
2.2.1 咖啡因溶液的制作過程
????稱取2.5 g-5 g茶葉，1 L沸水浴配制質(zhì)量濃度為100 mg/L的茶多酚溶液（具體見問題2）。
2.2.2 植物種子的種植和測定方案
將土倒入杯2/3處后均勻撒上種子，再覆蓋一層營養(yǎng)土，分為兩組，每組三個重復(fù)。兩組分別加入等量的清水和質(zhì)量濃度為100 mg/L的茶多酚溶液。用保鮮膜覆蓋紙杯，以減少水分散失。在杯子鉆一小孔，再用培養(yǎng)皿當(dāng)成漏水托盤使用，防止過多積水導(dǎo)致種子腐爛。實(shí)驗(yàn)室保持光照充足，溫度設(shè)定18℃~22℃。每天定期添加水和茶多酚溶液，使杯內(nèi)保持適當(dāng)濕度。觀察每種植物的出芽時(shí)間，測定茶多酚溶液對每種植物的發(fā)芽率的影響。待長成植株，測定最后一天（可統(tǒng)一選定時(shí)間）植株高度、葉片數(shù)量及根系長度，分析咖啡因?qū)χ参镩L勢的影響。
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在教師指導(dǎo)下，學(xué)生可借助簡單的圖形、文字和表格，記錄、描述并整理信息。學(xué)生學(xué)會記錄整理信息，用科學(xué)語言、概念圖或統(tǒng)計(jì)圖表等方式描述或表達(dá)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出準(zhǔn)確完整的探究結(jié)果。對于研究結(jié)果，能進(jìn)行分析、比較與分類等方法，依據(jù)證據(jù)推理概括，得出結(jié)論。在教師指導(dǎo)下，可與同學(xué)討論交流，如實(shí)講述研究過程與結(jié)論。在正確講述探究過程與結(jié)論后，傾聽別人的意見，并與之交流。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生能采用科學(xué)小論文、調(diào)查報(bào)告等方式，呈現(xiàn)探究的過程與結(jié)論，基于證據(jù)質(zhì)疑并評價(jià)別人的探究報(bào)告。以下是學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論。
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1.1 不同植物在相同環(huán)境下的萌發(fā)率 ?本次實(shí)驗(yàn)向日葵與波斯菊植物萌發(fā)，并得出統(tǒng)計(jì)結(jié)果；薄荷、薰衣草、驅(qū)蚊草三種植物種子沒有萌發(fā)，因此未得出咖啡因?qū)@三種植物生長勢的探究結(jié)果，究其原因，分析可能是植物特性不同，對環(huán)境要求較高。
3.1.2 向日葵與波斯菊植物的出芽時(shí)間、出芽率、植物高度、葉片數(shù)量
植物種類 |
組別 |
出芽率（%） |
植物高度（cm） |
葉片數(shù)量（片） |
向日葵 |
對照組 |
100 |
10.5 |
2 |
實(shí)驗(yàn)組 |
100 |
12.5 |
2 |
|
波斯菊 |
對照組 |
100 |
5.3 |
6.15 |
實(shí)驗(yàn)組 |
100 |
8 |
11 |
*上表數(shù)據(jù)均為平均值。
3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組長勢優(yōu)于對照組，初步判斷，咖啡因?qū)ο蛉湛拈L勢具有促進(jìn)作用，但促進(jìn)作用不明顯。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組長勢明顯優(yōu)于對照組，初步判斷，咖啡因?qū)Σㄋ咕盏拈L勢具有良好的促進(jìn)作用。
關(guān)于咖啡因?qū)χ参锛?xì)胞產(chǎn)生影響的作用機(jī)理目前了解得并不多。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示，咖啡因?qū)χ参锷L具有不同程度的毒害作用。對于本實(shí)驗(yàn)，100 mg/L咖啡因促進(jìn)了向日葵與波斯菊的生長，其作用機(jī)理尚不明確，有待進(jìn)一步科學(xué)探究。
4.實(shí)驗(yàn)材料處理
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，有學(xué)生提出將種植的植物是否可帶回家中的問題，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)材料的處理的安全性。無害化生物實(shí)驗(yàn)材料可放歸自然環(huán)境中，有害化生物實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行消毒或滅菌處理，經(jīng)專門渠道回收銷毀處理。另，生物類實(shí)驗(yàn)材料放歸當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境需考慮是否有生物入侵問題，對本地生態(tài)環(huán)境是否產(chǎn)生影響。在此過程中，學(xué)生運(yùn)用生物知識得以提高，并加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)安全意識。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐。在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)給學(xué)生提供機(jī)會學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測量方法，實(shí)事求是地記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)一步落實(shí)“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的學(xué)科素養(yǎng)。
進(jìn)行探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于生物學(xué)核心素養(yǎng)的達(dá)成和落實(shí)。教師提供探究式教學(xué)環(huán)境和教學(xué)氛圍，幫助學(xué)生勤于對生物現(xiàn)象發(fā)問并提出探究式問題，作出假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察思考，用科學(xué)思維驗(yàn)證猜想，解決實(shí)際生物問題。在探究式教學(xué)環(huán)境下，新教材、新高考、新課改的教育背景下，生物學(xué)教學(xué)應(yīng)著力培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。
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參考文獻(xiàn)：
[1]中華人民共和國教育部. 普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.
[2]賈海先，劉偉，柳靜等.北京市6～17歲兒童青少年咖啡因攝入狀況評估[J].衛(wèi)生研究，2020，49(02):220-226.
[3]趙婕，葉琦.?運(yùn)用生物基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)高中生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)——咖啡因?qū)χ参锷L的影響研究[J].?中學(xué)生物學(xué)，2019，35(09):51-52+60.
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