《普通高中生物学课程标准》学科核心素养水平划分，关于科学探究能力的水平四规定为，针对日常生活的真实情境提出清晰的、有价值的、可探究的生命科学问题或可达成的工程学需求；基于对相关资料的查阅，设计并实施恰当可行的方案。按照此目标的达成方向，按照实际生活情境提出问题，做出假设，运用生物学知识和实验设计原则科学地设计实验方案，确保实验的科学性和可行性，得出实际性结论，保证实验结果的准确性，并在交流过程学会分析问题和评价问题。学生在探究性实验学习过程中学会归纳概括、演绎推理、交流讨论等科学思维[1]。
课题来源于生活。日常生活中，随着社会压力的逐日增大，人们经常用喝茶和咖啡来提神醒脑，据相关资料标明，青少年喝咖啡量与日俱增，北京市6～17岁儿童青少年中咖啡因食品消费者的每日摄入咖啡因为21.66 mg[2]。从茶叶、咖啡果中提炼出来的主要成分是咖啡因，本质是一种生物碱，学名为 1，3，7-三甲基黄嘌呤，纯品为白色或带极微黄绿色、无臭、味苦有光泽的针状结晶体。适度地使用有解除疲劳、兴奋神经的作用，临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏。若大剂量或长期使用也会对人体造成损害，或有成瘾性效应。基于咖啡或茶的大量需求后，使用者通常将喝剩的茶水渣、咖啡水倒入花盆或水槽中。那么，花盆中的植株生长是否会受到影响？茶水渣、咖啡水中的物质对植物的生长具体表现在哪些方面？上述内容由校本选修学生沙同学基于日常生活所见并知网查询资料确定相关课题。基于此，生成本次校本实验探究内容：通过测量每株植物的出芽时间、出芽率、植物高度、叶片数量，探究咖啡因的有无对不同品种植物长势的影响。
1.实验前准备
实验前引导学生进行相应思考，实验设计及实验过程中可能涉及的问题，尽可能减少后续实验中因实验设计出现的误差，并对相关问题做出解答。实验前的全面思考，可减少非必要的错误出现，有助于学生全面开展探究活动。
问题1：选择植物品种及生成探究实验的原因？
选择植物品种：春夏季常见植物：薄荷、向日葵、薰衣草、波斯菊、驱蚊草
单单种植观赏性植物对高中学生实验探究能力几乎无提高，那么寻找探究的实验变量至关重要。
问题2：实验中选择茶多酚溶液的浓度，为什么选择100 mg/L的茶多酚溶液及其配制方法？
资料查询成品茶中咖啡因的含量约为2%~4%，并且赵婕等[3]人研究显示，不同茶叶水对根的生长具有不利影响，且随着茶叶水浓度越大，根的生长速度越缓慢。在保证植物正常生长的情况下，选择100 mg/L的茶多酚溶液。
100 mg/L的茶多酚溶液配制方法：称取2.5 g-5 g茶叶，1L沸水浴配制质量浓度为100 mg/L的茶多酚溶液。
问题3：实验过程中实验组和对照组如何设计？
以校本课程学生为主体，实验探究中分不同小组进行实验，每组分配不同的植物进行茶叶水对植物长势的影响，每组之间进行对比实验，比较不同植物受茶水叶中茶多酚的影响程度，同时小组内进行对照实验，设计实验组和对照组，实验组定时定量浇灌相应茶多酚溶液，对照组定时定量浇灌自来水，要求所有组的环境条件及其他实验材料保持一致。
2.实验设计
实验前做好实验设计至关重要，要求学生初步具备实验设计的能力，制定完整的实验方法，体现控制变量的思想，进一步要求学生写出清晰的实验过程，并严格按照实验要求进行实验，学生实验设计如下：
2.1实验材料及器材
实验材料：薄荷、向日葵、薰衣草、波斯菊、驱蚊草种子若干。茶叶若干、一次性水杯、营养土。
2.2实验过程
2.2.1 咖啡因溶液的制作过程
称取2.5 g-5 g茶叶，1 L沸水浴配制质量浓度为100 mg/L的茶多酚溶液（具体见问题2）。
2.2.2 植物种子的种植和测定方案
将土倒入杯2/3处后均匀撒上种子，再覆盖一层营养土，分为两组，每组三个重复。两组分别加入等量的清水和质量浓度为100 mg/L的茶多酚溶液。用保鲜膜覆盖纸杯，以减少水分散失。在杯子钻一小孔，再用培养皿当成漏水托盘使用，防止过多积水导致种子腐烂。实验室保持光照充足，温度设定18℃~22℃。每天定期添加水和茶多酚溶液，使杯内保持适当湿度。观察每种植物的出芽时间，测定茶多酚溶液对每种植物的发芽率的影响。待长成植株，测定最后一天（可统一选定时间）植株高度、叶片数量及根系长度，分析咖啡因对植物长势的影响。
3.实验结果分析
在教师指导下，学生可借助简单的图形、文字和表格，记录、描述并整理信息。学生学会记录整理信息，用科学语言、概念图或统计图表等方式描述或表达实验现象，得出准确完整的探究结果。对于研究结果，能进行分析、比较与分类等方法，依据证据推理概括，得出结论。在教师指导下，可与同学讨论交流，如实讲述研究过程与结论。在正确讲述探究过程与结论后，倾听别人的意见，并与之交流。在教师的指导下，学生能采用科学小论文、调查报告等方式，呈现探究的过程与结论，基于证据质疑并评价别人的探究报告。以下是学生实验结果的分析与讨论。
3.1 实验结果
3.1.1 不同植物在相同环境下的萌发率 本次实验向日葵与波斯菊植物萌发，并得出统计结果；薄荷、薰衣草、驱蚊草三种植物种子没有萌发，因此未得出咖啡因对这三种植物生长势的探究结果，究其原因，分析可能是植物特性不同，对环境要求较高。
3.1.2 向日葵与波斯菊植物的出芽时间、出芽率、植物高度、叶片数量
植物种类 |
组别 |
出芽率（%） |
植物高度（cm） |
叶片数量（片） |
向日葵 |
对照组 |
100 |
10.5 |
2 |
实验组 |
100 |
12.5 |
2 |
|
波斯菊 |
对照组 |
100 |
5.3 |
6.15 |
实验组 |
100 |
8 |
11 |
*上表数据均为平均值。
3.1.3 实验结果分析讨论
根据实验结果，实验组长势优于对照组，初步判断，咖啡因对向日葵的长势具有促进作用，但促进作用不明显。
根据实验结果，实验组长势明显优于对照组，初步判断，咖啡因对波斯菊的长势具有良好的促进作用。
关于咖啡因对植物细胞产生影响的作用机理目前了解得并不多。大多数实验结果展示，咖啡因对植物生长具有不同程度的毒害作用。对于本实验，100 mg/L咖啡因促进了向日葵与波斯菊的生长，其作用机理尚不明确，有待进一步科学探究。
4.实验材料处理
实验结束后，有学生提出将种植的植物是否可带回家中的问题，引导学生实验材料的处理的安全性。无害化生物实验材料可放归自然环境中，有害化生物实验材料进行消毒或灭菌处理，经专门渠道回收销毁处理。另，生物类实验材料放归当地自然环境需考虑是否有生物入侵问题，对本地生态环境是否产生影响。在此过程中，学生运用生物知识得以提高，并加强实验安全意识。
实验教学是促进学生达成生物学学科核心素养的重要支撑。在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应给学生提供机会学习生物学研究中的测量方法，实事求是地记录、整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。在实验教学中进一步落实“科学思维”“科学探究”的学科素养。
进行探究式实验教学有助于生物学核心素养的达成和落实。教师提供探究式教学环境和教学氛围，帮助学生勤于对生物现象发问并提出探究式问题，作出假设，引导学生对实验现象的观察思考，用科学思维验证猜想，解决实际生物问题。在探究式教学环境下，新教材、新高考、新课改的教育背景下，生物学教学应着力培养学生的生物学学科素养。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.
[2]贾海先，刘伟，柳静等.北京市6～17岁儿童青少年咖啡因摄入状况评估[J].卫生研究，2020，49(02):220-226.
[3]赵婕，叶琦. 运用生物基础实验促进高中生核心素养的培养——咖啡因对植物生长的影响研究[J]. 中学生物学，2019，35(09):51-52+60.