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  摘要:實驗設計在中學生物課程改革和考試內容改革等方面越來越呈現(xiàn)出重要性。生物教學中的實驗設計可以分為局部型和全程型兩大類。全程型實驗設計應按六個步驟進行并遵循四個原則。本文從教和學的幾點策略上培養(yǎng)學生的實驗設計能力。

  關鍵詞:生物教學、實驗設計、能力培養(yǎng)

  實驗設計是指正式實驗之前,實驗者根據(jù)一定的實驗目的和要求,運用有關的科學知識和原理,對實驗過程中的材料、手段、方法、步驟等全部方案的制定。這在新的課程改革和考試與評價改革中,越來越受到重視。本文擬結合初中生物教學談談對學生實驗設計能力的培養(yǎng)。

  1.培養(yǎng)實驗設計能力的意義

  由于新教材的實驗以探究為主,著重培養(yǎng)自主學習能力。培養(yǎng)學生的生物設計實驗能力,是中學生物新課標明確提出的培養(yǎng)學生觀察能力、思維能力、實驗能力和自學能力等四種能力之一。生物實驗設計能力既是實驗能力的重要內容,也是實驗能力的最高層次,其本身具有較強的綜合性、創(chuàng)造性和靈活性等特點。在生物實驗中,其基本思想就是“對照”,大多數(shù)生物實驗以對照性原則進行設計的,在實驗設計中,通過設置對照組,可排除無關變量的影響,減少實驗誤差。筆者在教學視導中發(fā)現(xiàn),學生通過對新教材的學習,在實驗設計能力上有了質的飛躍,在設計實驗時都能自覺設置對照實驗,但是對于什么是實驗組,什么是對照組概念模糊,經(jīng)常張冠李戴。如初二上冊P85技能訓練“評價實驗方案”中找出每個方案的實驗組和對照組,大部分學生就非常模糊,思維混亂。學生思維能力發(fā)展的方向及質量,體現(xiàn)在教師的教學思路和方法上,因此要求教師在教學過程中必須自身首先明確概念,在各探究實驗中有意識地進行滲透和指導,使學生在設計能力、思維上得以真正的深化提高。本文對初中教材中出現(xiàn)的探究實驗涉及的對照實驗略作探討。

  2.關于實驗設計的基本類型

  課程與教學中的實驗設計大體上可以分為兩大類,即局部型和全程型的實驗設計。

  2.1局部型實驗設計只要求學生設計實驗方案中的某一部分或某一個環(huán)節(jié),可以用于較低年級的學生,比較節(jié)約時間,學生可隨堂完成。

  2.1.1實驗目的原理的設計。題目給出實驗題目及一些實驗情境,讓學生設計實驗的目的和原理。例如:有人在室外空曠處,在不用任何藥劑、裝置觸及幼苗的情況下,使幼嫩植株長成如圖示(圖略)形態(tài)。請寫出該實驗的目的,并說明實驗原理。

  2.1.2實驗器材的設計。教師或教材提供了實驗題目、實驗目的或實驗原理,要求學生根據(jù)現(xiàn)有條件(如學校設備和自然資源)完成實驗器材的選擇與使用的設計。如“種子萌發(fā)的條件”的探究實驗,可以讓學生設計不同方案的實驗器材及實驗裝置。

  2.1.3實驗步驟的設計。根據(jù)題目要求給定的器材以及實驗提出的目的,設計或補全實驗步驟。例如,請參照“光對鼠婦生活的影響”的實驗過程,設計一個對照實驗,進一步探究“洗衣粉對鼠婦生活的影響”,并寫出實驗報告。

  2.2全程型實驗設計教師教材只給出實驗的題目及某些附帶的條件,實驗的目的、假設、器材、步驟和預期的結果等都由學生完成。甚至實驗課題的題目有時也可以由學生來選擇和設計。這類設計提供的線索比較少,因而難度相對比較大,多在高中階段的生物教學中出現(xiàn)。它仍可以分為兩大類,一類是教科書規(guī)定的,另一類是教材之外追加的。本文后一部分就是以這種全程型為例來說明實驗設計能力的培養(yǎng)問題。

  3.分步細說實驗設計能力的培養(yǎng)

  一個完整的實驗方案一般包括:①實驗題目的確定;②提出假設;③設計具體的實驗方法和步驟;④預期實驗結果;⑤觀察和收集數(shù)據(jù);⑥分析推理;⑦得出結論;⑧討論與交流。

  3.1了解實驗題目的確立中學生物實驗設計的題目雖然是教材給定的,但是讓學生了解科學家如何發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、確立研究課題的過程,對激發(fā)學生的實驗設計的興趣,提高學生實驗設計的能力有很大的作用。實驗題目的確定大致有兩個途徑:一是從普通現(xiàn)象中尋找同一性,揭示事物的本質和規(guī)律;二是在普遍現(xiàn)象中尋找差異性,從中發(fā)現(xiàn)新問題、提出新觀點、確立新的研究方向。

  3.2明確實驗設計的目的和依據(jù)的原理實驗目的是實驗設計的出發(fā)點和歸宿(方向和目標)。實驗原理是實驗設計的靈魂(依據(jù)),因此在進行實驗設計前應要求學生預習,通過討論,使學生明確實驗設計的目的、主要研究的內容和所依據(jù)的原理。

  3.3引導學生作出假設假設是實驗者對自然界或生物學實驗中的可以觀察到的現(xiàn)象提出一種推測或猜想。中學生物實驗設計的假設一般是依據(jù)教材提供的事實和一定的實驗原理而提出的,因此在指導學生作出假設前,應對教材中提供的材料進行歸納分析,從中找出共同性、本質性的東西,將感性的材料上升為理性的思考,從而做出合理的假設。

  如何引導做出實驗假說根據(jù)科學事實提出問題和假說,這是科學研究的起始步驟。從現(xiàn)行教材提供的材料看,探究性實驗和研究性課題都是有一定目的的引導性探究和發(fā)現(xiàn)。一般情況下,學生做出的假說無對錯之分。這一原則旨在鼓勵大膽做出假說,積極參與教學過程;但作為教師必須明白,學生做出的假說又有好壞之分,這主要表現(xiàn)為:一個好的假說總是和做出假說的前提有著高度的一致性、派生性和演繹性。作者曾以人類對于瘧疾病因的探究過程為例,較好地說明了如何在科學過程中有效地建立假說。

  19世紀,瘧疾猖獗,人們根據(jù)瘧疾分布區(qū)的環(huán)境得出結論:低洼多水、氣溫較高的煙瘴之區(qū)易發(fā)瘧疾。為什么在這樣的地帶易發(fā)生瘧疾呢?人們設想:污水可能是使人患瘧疾的病原,污水蒸發(fā)可能產(chǎn)生毒氣使人生病。這是根據(jù)經(jīng)驗規(guī)律而提出的瘧疾病因假說。當污水被清除后,瘧疾果然大大減少。這證明假說是正確的。那么污水是如何引起瘧疾的呢?若污水是直接致病的,喝了污水就應該發(fā)病。但研究否定了污水直接引起瘧疾的假說。人們又發(fā)現(xiàn):①清除了污水,蚊子少了,同時瘧疾也少了;②住在低洼沼澤地、室外露天睡眠的人易患瘧疾;③不用蚊帳的人易患瘧疾;④夜間在薰煙的火旁睡眠的人很少患瘧疾。聯(lián)系這些事實,人們不盡假說:瘧疾是不是蚊子傳播的呢?

  法國醫(yī)生拉佛蘭在瘧疾患者的血液中發(fā)現(xiàn)了細長如絲的微生物。他假說微生物可能是瘧疾的病原。這一假說和上述蚊子可能傳播瘧疾的假說聯(lián)系起來,使英國軍醫(yī)羅斯推想:如果上述兩個假說是對的,吸了患者血液的蚊子,體內就應該帶有這種微生物。后來羅斯通過實驗證實了這一假說。羅斯還讓蚊子吸麻雀的血,定時解剖蚊胃。他發(fā)現(xiàn)這種小生物不但存在于蚊胃中,并且能夠繁殖。他又讓感染的蚊子去吸健康麻雀的血液,原來健康的麻雀發(fā)病了。進一步在志愿者身上試驗,直接證明了瘧原蟲在人體的傳播與在鳥類體內的傳播一樣,都是以蚊子為媒介的。至此,瘧疾是由蚊子傳播的假說得到最后的證實,假說已轉化為科學定理或學說了。

  同時也從以上材料中總結出:假說是問題的延伸,同時也是實驗設計的基礎;做出假說和提出問題之間的邏輯聯(lián)系,在這里,科學問題、科學實驗、科學資料、科學實踐、生產(chǎn)實踐、人文活動等都可能是做出假說的基礎(下圖中用“觀察”一詞來概括);假說在科學過程中的地位及其承前啟后的重要作用。

  3.4指導學生設計實驗過程實驗過程設計是根據(jù)實驗目的、原理和提出的假設。設計出具體的實驗方法和步驟。指導學生設計實驗過程應遵循如下原則

  :A、單因子變量原則:控制其他因素不變,而只改變其中某一元素,觀察其對實驗結果的影響。單因子變量有兩層含義,一是確保“單因子變量”的實驗觀察,一個實驗一般只設置一個變量,做到一個實驗因子對應觀察一個反應分子。二是確保單因子變量的操作規(guī)范,盡可能避免無關因子及額外因子的干擾。

  B、設立對照原則:對照是實驗控制的手段之一,通過設置對照實驗,可以消除無關因子對實驗結果的影響,增加實驗結果的可信度和說服力。根據(jù)實驗項目可以采用相互對照、空白對照、自身對照、條件對照等。例如本實驗采用的是相互對照。

  C、隨機性原則:為了使實驗更具代表性,消除或減少實驗中的系統(tǒng)誤差,從而避免實驗結果的偶然性,在選擇樣本時選擇面要廣,種類、數(shù)量要比較多,還要注意隨機取樣。

  D、重復性原則:某一具體實驗的結論不一定能概括出同類事物的本質,必須進行重復驗證。即控制某種因素的變化,在同等條件下重復實驗,觀察其對實驗結果的影響程度。重復的方法有兩種,一是擴大實驗樣本,二是將實驗結果擴大到同類事物中去。

  第三,要排除其他因素的干擾。因為生物生長在復雜的環(huán)境中,受到各種環(huán)境因素的影響,為消除無關因子對實驗結果的干擾,增加實驗結果的可信度和說服力,可以通過設置對照組消除其他無關因素的影響,

  第四,要增加實驗的可信度,必須進行重復實驗

  第五,要避免實驗的偶然性,根據(jù)隨機性原則,

  3.5作出實驗預期預期是指檢測假設之前提出的對實驗結果的預期。它既是從假設中推測出的結果,又是檢驗假設的一個對照。一般情況下,實驗結果與預期一致,則假設成立,若實驗結果與預期矛盾,則假設不成立,必須尋找原因,修改實驗方案,重新進行實驗。

  3.6組織討論與交流學生寫出實驗方案后,應組織討論和交流,說明各自的設計思路、依據(jù)的實驗原理、采用的實驗方法、主要的實驗步驟及對實驗結果的預期等,在學生明確實驗設計的基本環(huán)節(jié)、遵循的主要原則的基礎上,著重討論設計的創(chuàng)新之處,如實驗材料的選擇、實驗方法的改進、實驗順序的安排等,通過交流學生間能相互啟發(fā)和借鑒,更好地發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造性,對學生修改和完善實驗設計有積極的促進作用。設計實驗方案后,應根據(jù)方案進行實驗,觀察和記錄實驗現(xiàn)象,收集有關實驗數(shù)據(jù),并根據(jù)實驗結果進行分析、推理,得出結論。若實驗結果與假設一致,則假設成立,通過重復實驗的驗證,得出肯定的結論。若實驗結果與假設不一致,必須分析原因,重新設計或修改實驗方案,繼續(xù)進行實驗。在上述各個環(huán)節(jié)都要充分調動學生的積極性和主動性,鼓勵學生積極思考,敢于發(fā)表不同意見,既要尊重科學,也要敢于標新立異,大膽創(chuàng)新。

  4.教學策略

  4.1教的策略

  4.1.1創(chuàng)設情境充分運用各種手段創(chuàng)設具體生動的情境,激發(fā)學生的學習情緒,從而引導學生積極思維。創(chuàng)設情境的常用方法有:以真實的生活展示情境;以直觀的實物(如模型、標本、錄像、示范操作)演示情境;以簡潔的圖畫(包括簡筆畫、動畫、圖片)再現(xiàn)情境;以形象的語言描繪情境。

  4.1.2啟發(fā)思維教師的啟發(fā)性講授和學生之間的討論,是啟發(fā)學生積極思維的兩種常用方法。例如,運用“頭腦風暴法”進行討論,可以引起創(chuàng)造性思維的連鎖反應,在短時間調動起極大的創(chuàng)造力。實施方法為:①以小組合作的形式開展討論,在教師規(guī)定的時間內,盡快地說出盡可能多的解決問題的設想或方案。②由小組集中以后再向全班公布。③集體討論各小組報上來的設想或方案,由學生自己判斷其正誤。教師可以從多角度、多層次給學生以提示(但不是答案),給學生的討論以正確的導向。這種討論的方法猶如一場短時間的思維“風暴”,它既是思維的快速發(fā)散,又是信息的瞬間集中。這樣,不僅僅能使學生相互啟發(fā),相互彌補知識缺陷,而且借助競爭氣氛充分調動每個學生的思維潛能。

  4.1.3提供線索線索是思維的方向,及時為學生提供線索,可以使學生少走彎路,盡快實現(xiàn)目標,

  4.1.4傳授方法現(xiàn)行的生物學教材中很少有“設計創(chuàng)新性”實驗,沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。“工欲善其事,必先利其器”,教師必須給學生補上“如何設計實驗”這一課。讓學生了解實驗方案包括的內容、設計實驗的一般程序和遵循的原則;掌握設計實驗的方法和技巧、實驗器材的選擇和步驟的安排、實驗現(xiàn)象的觀察和結果的預測等。還要指導學生通過實驗來驗證實驗方案的正確性。

  4.1.5強化訓練,培養(yǎng)實驗設計能力

  (1)引導學生改進教學實驗過程傳統(tǒng)的實驗教學并不提倡對實驗現(xiàn)象、方法、材料質疑,無論是演示實驗還是分組實驗,基本上都是驗證實驗,只需模仿,不需研究。為此,教學中應鼓勵學生對實驗的方法、步驟、實驗材料進行改進、研究。

  [示例]在“光合作用”一節(jié)的教學中,引導學生將書本上的一個驗證實驗、兩個演示實驗進行綜合設計,改進成一個多組對照實驗方案:選擇兩盆銀邊天竺葵,標記A、B盆,分別選一片天竺葵葉,用黑紙片從上下兩面遮住葉片的一半,A盆放入盛有氫氧化鈉溶液的水槽中,B盆放入盛有等量清水的水槽中,分別放在兩個玻璃鐘罩內,經(jīng)過黑暗處理、陽光照射、脫色等一系列實驗步驟,可得出如下結論:光合作用的原料之一是二氧化碳;光是光合作用的條件;光合作用的場所是葉綠體;淀粉是光合作用的產(chǎn)物。

  通過這樣的實驗設計,既加深了學生對實驗原理的理解,又開拓了學生的思維,提高了學生的創(chuàng)新能力,還增加了學生進行實驗創(chuàng)新的興趣和信心,學生獲得了多方面的收益。

  (2)將驗證實驗設計為探究實驗將驗證性實驗設計為探究性實驗,必須考慮三個條件:①教材內容難易適中;②學生對進行探究性實驗已有一定的知識準備;③教師恰當?shù)囊龑Ш蛦�發(fā)。

  [示例]驗證“人體呼出的氣體中含較多的CO2”,教師鼓勵學生把它設計成探究性實驗,學生設計探究的問題是:“人體呼出的氣體CO2與空氣中的CO2含量的關系”。實驗方法為:A、B、C三個試管裝有等量的澄清石灰水,A試管由學生用吸管向里吹氣,B試管用吸耳球向里打氣,C試管不做處理。觀察三個試管中石灰水的變化。

  (3)引導學生拓展實驗內容:

  [示例]如鑒定骨的成分實驗中,學生有這樣的疑問:①骨煅燒后剩下的是無機物嗎?②骨脫鈣后剩的是有機物嗎?針對上述疑問學生設計出補充實驗:將煅燒后的灰白色物質投入另一只裝有鹽酸的試管中,灰白色的物質產(chǎn)生大量氣泡,最后全部溶解,液體呈無色透明狀。將脫鈣后的骨用吸水紙吸干水分,繼而燃燒,初時觀察到骨受熱縮成團,繼而燃燒,證明柔韌的骨主要成分是有機物。

  拓展實驗方法:

  [示例]“植物向性運動”實驗,教師試著給出實驗目的(驗證植物根具有向地性)、實驗材料(幾種植物種子、培養(yǎng)皿、紗布、潮濕的沙土等),然后讓同學們自行設計實驗來驗證植物具有向地性。結果收效甚豐,方案十幾種且基本簡單合理、可靠性強。比如:

  方案一:將大小相似的幾粒黃豆種子以不同的姿態(tài)(胚根橫置、朝上或朝下)播種到潮濕的沙土中,幾天后觀察它們的生長狀況。結果:所有黃豆的根都朝下生長。結論:黃豆的根具有向地生長的特性。

  方案二:選4粒飽滿有生命力的玉米種子,平放到一個培養(yǎng)皿中,使種子的尖端部分都朝向培養(yǎng)皿中央,按上下左右位置安放妥當,用膠帶紙固定。玉米種子上面用棉花鋪滿,然后將棉花和玉米種子膠帶紙固定并加水濕透。把培養(yǎng)皿豎起來放在橡皮泥或支架上固定。幾天后,從培養(yǎng)皿底部可發(fā)現(xiàn)所有的玉米種子根都朝下生長。

  方案三:將幾粒玉米種子放在濕潤的土壤中,待長出2cm左右的長根時,小心仔細地挖出。在濕潤的沙土表面把帶長根的種子一部分水平放置,一部分垂直向上放置,保持種子濕潤。過一段時間觀察,玉米根仍向下生長。

  (4)交流點撥———提高實驗設計的能力由于實驗設計具有開放性的特點,再加上每個學生自己獨特的思考方法和不同的解決的途徑,設計水平高低不同,得出的結果是多種多樣的。所以,在進行了一定數(shù)量的設計訓練后,教師要及時給予點撥或引導學生交流設計成果,總結出生物實驗設計方案的基本思路和評價標準(科學合理、設計簡捷、效果明顯等),從而使學生鞏固實驗設計方法,提高實驗設計的能力,豐富了學生的思路,啟迪了思維。

  4.2學的策略

  4.2.1強烈的問題意識問題意識是產(chǎn)生創(chuàng)造性思維的條件。學生一旦有了這種意識,大腦就會處于高度的興奮狀態(tài),大大加快思維活動,想出平時想不到的好辦法、好主意、好點子來。

  4.2.2積極的個性特征探究性學習需要腦力和體力的高度緊張,這就要求學生具備強烈的好奇心和求知欲,堅強的自信心與耐心,堅忍不拔的意志與恒心。因此,積極的個性心理特征是開展探究性學習的必要條件。

  4.2.3懷疑的思維品質留心觀察,勤于思考,常會產(chǎn)生疑問:①實驗的材料能否用其它材料代替?②能不能改進一下實驗的用具和裝置?③實驗的步驟是否可以設計得更簡單些?…由觀察v生疑v解疑v創(chuàng)新,這是實驗教學中培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效途徑。

  4.2.4合作的團隊精神不論是小組討論還是集體討論,都要敢于發(fā)表自己的意見,接受同學們的評價。虛心向他人學習,學會與同學交流,取長補短,共同提高。