基于整体化思维开展高中生物学项目式实验教学的实践探索

摘    要：整体化思维是生物学“学”与“教”的基础，是学生必须具备的学习思维，也是教师需要具备的教学思维。项目式学习是一种基于整体化思维的建构性的教学方式，以项目式学习的方式开展高中生物学实验教学，能让学生通过动手操作和亲身体验完成项目任务，深化知识理解，提升核心素养。具体实践中，生物学教师可先根据教学内容选择项目主题并提出核心问题，再确立项目目标、设计支持性活动，然后通过制订评价量表对学生进行表现性评价，以提升学生的科学思维和问题解决能力，发展学生的生物学学科核心素养。

关键词：项目式学习；整体化思维；实验教学；高中生物学

整体化思维是相对于零散化思维、碎片化思维而言的，它的基本理念是以普遍联系、相互制约的观点看待事物，主张将知识的各个分支和概念视为是相互关联和相互支持的。高中生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学，强调知识的系统性和整体性，如生物学学科核心素养之一的科学思维就指向运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力，要求学生能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建构等方法，探讨、阐释生命现象及规律。这实际上就是要求学生学会用整体化思维审视生物学知识。由此可以看出，整体化思维是生物学“学”与“教”的基础，是学生必须具备的学习思维，也是教师需要具备的教学思维。

项目式学习是一种基于整体化思维的建构性的教学方式，也是一种由核心问题（驱动性问题）引领的持续性学习模式，要求学生通过制作项目产品的形式创造性地解决问题，能够充分调动学生的知识和能力，使学生深刻理解核心概念，提高综合素质［1］。以项目式学习的方式开展高中生物学实验教学，能让学生通过动手操作和亲身体验完成项目任务，深化知识理解，提升科学思维等生物学学科核心素养。下面，笔者以浙科版普通高中教科书《生物学》（以下简称“浙科版教材”）选择性必修3《生物技术与工程》第一章《发酵工程》中与“酵母菌”相关的实验为主线，以生活中容易获得的“天然酵母”（如苹果酵母、酸奶酵母等）来创设真实情境，探讨如何在高中生物学教学中基于整体化思维开展项目式实验教学。

一、选择项目主题并提出核心问题

项目主题是项目式实验教学的关键，主题的设定应当贴合课标要求，并且呈现趣味性、真实性、可行性以及探究性等特点。浙科版教材必修1与选择性必修3中均涉及与“酵母菌”有关的实验。如：探究酵母菌的呼吸方式；配制酵母菌的培养基；对酵母菌进行接种、培养与计数；利用酵母菌制作果酒和果醋；等等。针对以上实验，多数学校并没有真正给学生实践与探究的机会，往往采用购买现成酵母的方式程序化、任务式地进行书本实验。这使得学生不仅难以真正地进入深度学习并理解知识，而且容易消磨学习生物学的兴趣与热情，从而无法搭建起生物学理论知识的整体框架。因此，笔者尝试以“制备天然酵母”为项目主题进行项目式实验教学，基于整体化思维，引导学生深度实践“天然酵母”的制备与培养，并分析比较其发酵产品的品质，从而提升学生的整体化思维与创造性思维，落实发展学生生物学学科核心素养的教学要求。

核心问题往往统领整个项目，具有一定的驱动性、思考性、启迪性和开放性。教师需要充分考虑学生已有认知并抓住学生的思维习惯与思维特点展开问题投放，旨在将学生带入预设的学习情境中，顺利启动项目式学习程序，激活学生的科学思维，使学生在科学探究中不断成长，享受生物学实验学习的乐趣。基于“制备天然酵母”这一项目主题与生物学学科核心素养，笔者将项目式实验教学的核心问题设置为：“如何实现优质天然酵母的制备并制作美味的发酵产品？”

二、确立项目目标并设计支持性活动

项目式实验教学的目标是以学生为主体，以核心素养为指向，基于项目主题和核心问题而设定的在项目实施过程中对学生知识技能获取、情感态度升华的具体要求。项目目标能够反映项目完成的具体情况，反映学生的核心素养落实情况，有利于教师对学生的知识掌握情况作出准确判断。基于此，笔者设置了该项目式实验教学的目标，具体如下。

目标一：通过查阅、收集、整理资料，能够说出天然酵母的特点及适宜的生存环境、能准确分析出天然酵母培养的影响因素、制订合适的制备与培养计划，建立进化与适应观、稳态与平衡观等科学观念。（生命观念、科学思维）

目标二：通过实验探究制订优质天然酵母的评定量表，制备并筛选出优质天然酵母，提升科学思维与科学探究能力。（科学思维、科学探究）

目标三：结合生产实践，通过小组合作建设高效益的“发酵产品”或“发酵工厂”并进行宣传推广，培养归纳与总结、模型与建模的科学思维，提升语言表达能力及辩证分析的批判性思维。（科学思维）

目标四：通过天然酵母的制备和发酵产品的制作，体验劳动过程，收获劳动成果，有效解决现实生活中的问题，提升整体化思维与创造性思维。（社会责任）

项目式实验教学以支持性活动设计为显性表现，它直接指向生物学学科核心素养，力图实现学生主动学习、主动思考、主动探究的目的。教师需要根据学生的已有知识和能力水平及项目的特点等设计支持性活动，以充分调动学生的学习兴趣，使其顺利完成学习任务，发展高阶思维。为实现上述项目目标，笔者围绕“如何实现优质天然酵母的制备并制作美味的发酵产品？”这一核心问题，设计了四个子项目和八个支持性活动，预设了学生需要完成的四个子项目产品，由此形成了“制备优质天然酵母”项目式实验教学框架（如图1所示）。

以下为各子项目的实施情况。

【子项目一】探究天然酵母的特点

教师将学生分为若干学习小组。各小组在教师的引导下结合浙科版教材必修1进行“探究酵母菌的呼吸方式”的实验操作，有效回顾已学知识。然后，各小组通过查阅资料，了解天然酵母与酵母菌的区别与联系，从细胞形态、生理特性、生殖方式、生长条件、主要作用等方面完成天然酵母的特点实验报告。

设计意图：利用实验回顾酵母菌的相关知识，能够使学生更加直观、清晰地理解与感受酵母菌与生活息息相关，再将其特点延伸至天然酵母，进行课外资源的拓展。这样，理论与实践相结合，可以充分激发学生的学习兴趣，达成学以致用的教学效果。

【子项目二】天然酵母的制备

各小组通过查阅资料，归纳总结出以下两种制作天然酵母的方案。

方案一：（1）选取苹果、香蕉、猕猴桃等材料，尽可能地将籽去尽，然后利用榨汁机或破壁机单独榨汁或榨泥；（2）分别取300克果汁或果泥与300克小麦面粉混合，搓揉成面团；（3）用两层苘麻叶、棉线包扎面团；（4）放置阴凉通风处自然晾晒或者置于28摄氏度的恒温箱中晾晒30天。

方案二：（1）选择若干个玻璃瓶进行高温消毒，将200～300克橙子等材料切片（带皮）放入瓶中，加入300～400克水和5～6克蜂蜜，置于28摄氏度的环境中；（2）每天打开盖子轻晃几下，防止发霉发酸，至第3天，出现较多小气泡，说明开始发酵；（3）至第5天左右，瓶内液体变得浓稠即可用过滤网将酵母原汁过滤；（4）将200克酵母原汁与200克小麦面粉均匀混合，室温发酵8小时左右，即有发酵迹象。

各小组选择不同材料、不同方案进行天然酵母的制备实验。实验结果显示：通过肉眼定性观察，方案一中以不同实验材料制作的天然酵母，表面特征差别不大，均为黄色，有一定杂菌，酒味浓。但其酵母菌密度、发酵速度和发酵品质是否相同，需要学生继续深入研究（定性定量分析），从而筛选出优质的天然酵母。

设计意图：“通过资料分析比较天然酵母制备方法”学习任务的设置，旨在引导学生自主思考、选择相应的问题解决方案，使学生通过亲身经历与实验，比较不同方案的优缺点，反思发酵过程中各种条件的控制，进而形成完善的发酵流程，为后续学习优质天然酵母的筛选奠定基础。

【子项目三】优质天然酵母的筛选

课堂上学习小组先通过讨论制订出优质天然酵母的评定标准量表，形成统一的观点后，由组长汇报讨论结果，最终明确从酵母菌的数量与发酵速度、杂菌数量与种类、相应发酵产品的口感等方面进行分析。在此之前，学生需要先将已经制备的不同的天然酵母进行分离纯化，再扩大培养进行观察比较。这就涉及浙科版教材选择性必修3中的配制酵母菌的培养基，对酵母菌进行接种、培养与计数，利用已培养的酵母菌制作果酒等相关实验，具体如下。

（1）配制马铃薯蔗糖酵母菌培养基

取马铃薯去皮，称取所需量，切成丝或者小块，加水至所需量。用酒精灯加热煮沸10分钟后，用纱布过滤到500毫升的锥形瓶中，按所需量加入蔗糖，待其溶化后补足水至所需体积，摇匀。然后进行分装，即可获得酵母菌液体培养基；或者按需要量称取琼脂加入，获得酵母菌固体平板培养基或者固体斜面培养基。注意：在分装前需要将上述培养基进行高压蒸汽灭菌。

（2）对酵母菌进行接种、培养与计数

先将获得的若干个固体平板培养基和液体培养基进行适当标记，再将事先制备的天然酵母按平板划线法或稀释涂布平板法接种至固体平板培养基，并设置空白对照，以期获得酵母单菌落，便于后续的观察与计数。此时可让学生思考讨论平板划线法与稀释涂布平板法的区别。此外，还需要将天然酵母菌种接种到液体培养基中，并设置空白对照组，可利用血细胞计数法对液体培养基中的酵母菌数量进行计数。培养时，将所有培养容器置于25摄氏度下培养24小时。最终观察结果并进行分析比较。

（3）利用已培养的酵母菌制作果酒

先按教材所示利用若干个塑料瓶制备简易的发酵装置，再将葡萄或其他材料用清水洗净后，放入榨汁机打碎，最后分成多份放入各塑料瓶中。注意：所放入材料的体积不要超过瓶子的二分之一，可在瓶中加入适量白糖。接着，将事先制备的液体培养基中的天然酵母分别取30毫升加入各塑料瓶中，并置于25摄氏度左右的环境中进行发酵。每天定时观察塑料瓶内的变化以及排出气泡的速度。7～10天后，取出塑料瓶上层的清液，即为自制的果酒，可试饮用。

在选择定量检测酵母菌的方法时：有的学习小组选择利用接种天然酵母的液体培养基进行显微镜直接计数，即血细胞计数法；有的学习小组选择利用稀释涂布平板法接种的培养基进行间接计数法，同时还能观察到菌落的形态；有的学习小组则认为可以直接利用制备的天然酵母对面团进行发酵，观察其发酵至相同大小面团所需的时间并比较。定量检测酵母菌的实验结果如表1所示。

在项目活动实施时，学习小组发现对酵母菌进行计数时，会把死亡的个体也计算进去。因此，他们认为优质天然酵母的存活率也可以成为一个量化标准，故根据相关文献资料［2］并结合实验操作，发现在计数前用亚甲基蓝试剂进行染色能够有效区分出死亡个体。其原理是有活性的个体可将亚甲基蓝还原成淡色或无色，死亡个体则被染成深色后不褪色，从而区分酵母种群的活性状态，计数时计入淡色或无色的个体即可。同时，利用光学显微镜进行血细胞计数时，应注意在光线适宜时操作，并尽可能地使用数码显微镜对视野内的呈像进行拍照后，再统计最终数量，这有利于提高实验的准确性。

设计意图：结合浙科版教材选择性必修3中相应的微生物实验，引导学生经历对已获得的天然酵母进行数量、质量等的对比，并根据一定的标准筛选出优质天然酵母的学习过程，不仅能锻炼学生的动手能力，还能提升学生的科学思维等核心素养，有利于其进一步反思和完善天然酵母的制备方案。

【子项目四】发酵产品的制作与宣传

通过上述比较，学习小组筛选出优质的天然酵母，继续进行发酵产品（吐司面包）的制作，最终制作出不同色泽、不同香味、不同松脆度的面包。学生以学习小组为单位合作总结汇报发酵产品的制作过程及所利用的优质天然酵母，同时对发酵产品进行宣传，开展“酵”醒生活、“酵”醒万物等活动，形成最终产品，接受组间互评、师生共评。

设计意图：引导学生将优质的天然酵母应用于生活中的发酵产品，制作出色香味俱全的美食，能够使学生从中意识到知识来源于生活又反馈于生活，从而使其产生极大的获得感和成就感。这样能充分体现“做中学”的理念，极大地提高教学效果。

三、制订评价量表并进行表现性评价

教学评价以学生发展为本，以生物学课程内容、课程标准为依据，聚焦学科核心素养，促进教师的教和学生的学［3］。基于整体化思维的项目式实验教学应依据项目目标建立评价体系，以明确项目活动实施的进展和成功的标准。项目式实验教学的评价往往以表现性评价为主，主要针对学生在项目实施过程中的多项能力进行评估。由于项目活动的多样化，教师可以根据具体项目产品形成贴合项目的评价量表，以保障评价的全面性和可行性。因此，针对“制备优质天然酵母”项目，笔者制订了如表2所示的表现性评价量表。

四、反思与总结

基于整体化思维的项目式实验教学是对高中生物学实验教学的创新，能够激发学生主动学习的兴趣，促进学生科学思维的提升。上述“制备优质天然酵母”项目式实验教学，有助于学生将与酵母菌相关的实验建立起整体化的知识体系，实现浙科版教材选择性必修3和必修1中交叉知识的迁移与运用。同时，它也能引导学生积极思考并解决现实中的问题，在一定程度上提升其科学探究与科学思维能力并渗透社会责任，具有可操作性与可行性。值得注意的是，在开展基于整体化思维的高中生物学项目式实验教学时，教师需要根据学生的水平和课时因素，灵活调整教学进度和活动的开放度，从而保证项目活动的有效性。

参考文献：

［1］桑国元，叶碧欣，黄嘉莉，等.构建指向中国学生发展核心素养的项目式学习标准模型［J］.中国远程教育，2023（6）：49-55.

［2］王芳，裴哲.关于微生物细胞数量的镜检计数法的改进［J］.中国科技信息，2005（21）：67.

［3］周初霞.聚焦生物学重要概念的单元整体教学设计实践研究［J］.生物学教学，2019（4）：7-10.