李秋茹

　　【摘 要】生物學是一門實驗科學，學生生物實驗設計能力的培養和提高，有助於學生獲取及鞏固知識、激發學習興趣、培養創新能力、提高科學素養。生物實驗設計能力是實驗能力的較高層級，探討生物實驗設計能力結構的綜合性、創造性和靈活性特徵，爲培養學生生物實驗設計能力的教學策略提供了理論基石。靈活的教學策略，有助於學生實驗設計能力培養和優化教與學的全過程，以全面提高教學效益。　

　　【關鍵字】  生物  實驗設計能力  結構特徵   教學策略


　　生物學是一門實驗科學，生物學所特有的科學方法就是實驗法。２００４年普通高中新課程標準明確要求學生要“初步學會生物科學探究的一般方法，具有較强的生物學實驗的基本操作技能，養成科學態度和科學精神，樹立創新意識。”［１］ 由此可見，生物實驗能力是新課程標準要求的必備能力，而生物實驗設計能力則是實驗能力的較高層次。學生生物實驗設計能力的培養和提高，不僅是學生獲取和鞏固生物學知識的重要基礎，而且有助於激發學生的學習興趣、培養學生的創新能力、提高學生的科學素養。


　　高中生物實驗設計能力的結構特徵


　　所謂生物實驗設計，就是學生在具備一定的生物學知識和實驗技能的基礎上，明確實驗目標和要求，選擇實驗設計原理，選用實驗儀器材料，確定實驗思路，安排實驗步驟，並對實驗結果進行預測、分析和討論等一系列設計實驗方案的活動。

　　生物實驗設計能力，主要體現在學生能否正確理解並恰當選用實驗原理，運用生物學知識和實驗技能，善於在不同情境下靈活遷移，設計出實驗新方案的能力。生物實驗設計能力要在長期的實驗設計訓練中逐步形成。

　　生物實驗設計的能力結構包括實驗知識技能、觀察力、想象力、科學方法態度、分析能力、綜合能力、類比判斷能力、探究能力和創新能力，其中實驗技能與思維力是核心。生物實驗設計的能力結構表現出較强的綜合性、創造性和靈活性特徵。

　　綜合性特徵是指，進行生物實驗設計不僅要以一定的生物學知識和實驗技能爲基礎，而且還要綜合運用觀察、想象、思維、探究創新等方面的方法與技巧，是多種知識、方法和技能的綜合運用，具有較强的綜合性。

　　創造性特徵是指，無論是概念形成性實驗、驗证理論性實驗，還是探索性實驗，在實驗設計中，都不能默守陳規，要根據具體的實驗情景、條件，搆思、設計出新穎而巧妙的達成實驗目標的途徑和方法。既科學、合理、簡便、易行，又富有創意。

　　靈活性特徵是指，面對具體的實驗目標和要求，能藉助實驗方法和實驗條件，多角度發散思維，創設新情境，設計出多樣化的方案。不同實驗條件，可有不同設計；即便實驗條件相同，也能有相异的設計。


　　二、培養學生生物實驗設計能力的教學策略


　　教學策略是對完成特定教學目標而采取的教學活動程序、方法、形式和媒體等因素的總體考慮［２］（鄔美娜，１９９４）。在生物實驗設計能力的培養中，教學策略起着核心作用。雷杰盧斯（Ｒｅｉｇｅｌｕｔｈ，１９８３）認爲教學策略實際上包括三類策略：組織策略、授遞策略和管理策略［３］。在培養學生的生物實驗設計能力時，就應把課程組織、原理選用、方法與步驟安排、媒體技術使用、思維訓練等因素總體考慮在教學内容的組織、教學任務的安排和教學交互活動的設計中，優化生物實驗設計能力培養教與學的全過程，以全面提高教學效益。

　　１． 整合“三課”，發揮課程資源優勢。

　　新的普通高中生物課程標準把高中生物課程分爲必修課和選修課兩部分６模塊。必修部分包括“分子與細胞”、“遺傳與進化”、“穩態與環境”３個模塊；選修部分包括“生物技術實踐”、“生物科學與社會”和“現代生物科技專題”３個模塊。必修部分緊扣基礎，選修部分旁及時代、社會；既强本固基，又注重發展。新課程標準還建議要充分利用學校、社區、家庭、網絡等活動課程資源。在培養學生生物實驗設計能力時，教師既要充分利用好必修、選修等學科課程資源，又要以學科課程爲基礎，充分挖掘與學科課程有關的活動課程資源，使“三課”資源互補、滲透、重組、綜合，顯性課程與潜在課程同步開發，爲學生進行實驗設計創設問題情景、創造實驗條件、啓迪問題思路、提供實驗材料，爲生物系列實驗專題的設計提供優化的資源平臺。

　　２． 利用實驗設計類型的多樣性，培養實驗設計的良好思維品質

　　思維品質培養是實驗設計能力結構形成的核心，多樣性的實驗設計類型，可以培養思維品質不同側面的特徵。（１）對照性實驗設計可以培養思維的比較性。設計“唾液澱粉酶促進澱粉水解”實驗，可運用清水作對照，排除非本質特徵。（２）控制性實驗設計可培養學生思維的嚴密性。設計“光對植物生長的影響”實驗，通過控制無關變量（植物種類、大小、温度、濕度等）可得出因變量（植物生長）與自變量（光）的必然聯繫。（３）矛盾性實驗設計可培養學生思維的批判性。設計“pＨ值對酶特性影響”實驗，教師可有意識提出“pＨ值對胃蛋白酶的影響”這一矛盾性實驗設計，引起學生反思。（４）聯繫性實驗設計可培養學生思維的靈活性。設計“植物向光性”實驗，可有５種思考角度。（６）延伸性實驗設計可培養學生思維的深刻性。巴甫洛夫條件反射實驗中 “反復多次”響鈴這一設計的深刻價值何在？可使學生透過表象深入本質。

　　３． 强化實驗設計基本步驟訓練，形成實驗設計的基本思路

　　正確的思路和規範的操作規程訓練，是實驗基本技能形成的練功場，是實驗設計取得預期成效的基本保证。比如象“驗证鈣離子在血液凝固中的作用”等實驗，教師在平時教學中應有意識地指導學生反復進行規範性的設計步驟訓練：（１）確認變量（２）作出假設和預期（３）設計可行的實驗方案（４）實施實驗方案，收集證據（５）利用數學方法處理、解釋數據（６）根據證據作出合理判斷（７）用準確的術語、圖表介紹研究方法和結果，闡明觀點（８）聽取他人的意見，利用證據和邏輯對自己的結論進行辯護及作必要的反思和修改。

　　這樣，就能在學生頭腦中牢固形成實驗設計的基本思路：１．明確目的要求→２．聯繫理論原理→３．確定實驗思路→４．設計實驗步驟→５．預料實驗結果、分析和討論。實驗設計步驟只要科學、合理、可行，都應給予認可，允許有一定的開放度。

　　４． 重視實驗設計原則的應用，提高實驗方案設計的科學性

　　不同的實驗條件，有不同的實驗設計思路和方法，也會用到不同的實驗原理。能不能選用科學合理的實驗設計原理，直接决定着實驗方案設計是否切實可行。生物實驗設計常常涉及到以下原則：（１）對照性原則。要求實驗設計要排除無關條件的干擾，顯示“變量一一結論”之間的必然聯繫。比如經典實驗“燕麥胚芽鞘實驗”，如果不要對照組，思維不够嚴密，就不能得到預期的結論。（２）單因子變量原則。要求實驗設計通過控制無關變量，只改變一個自變量，觀察對實驗結果的影響。比如觀察温度對酶活性的影響，只改變温度條件，其它如ｐＨ值、酶的濃度等無關變量控制不變。（３）平行重復原則。要求任何實驗設計都能够在同樣條件下重復驗证，以保证其科學性。（４）簡便可行原則。中學實驗畢竟條件有限，因此，實驗設計要注意材料容易獲得、裝置簡化、藥品便宜、操作簡便、量化簡單、步驟少、時間短，可操作性强，通過努力即可完成實驗全過程。設計實驗方案，要根據具體的實驗條件，擇優選用上述一到兩個原則，使實驗方案建立在科學原理的基礎上，這樣才能避免少走彎路。

　　５． 傳授實驗設計方法技巧，拓寬實驗設計的訓練思路。

　　實驗設計的方法技巧在實驗設計能力提高中起着重要作用，因此，進行實驗設計時要注重方法技巧的傳習。實驗設計技巧的關鍵是要弄清實驗起始狀態（包括隱含條件）和目標狀態，並努力尋求溝通二者之間的“橋樑”。廣泛使用的有效溝通方法有：（１）試誤法。針對實驗的目標狀態，充分發散思維，嘗試多種方案，然後尋求最佳方案。比如驗证“ＣＯ２是光合作用合成有機物必需的原料”的實驗設計可采用這種方法。（２）填補法。可通過填補實驗起始與目標狀態之間的差距來完成實驗設計。比如前述“鈣離子在血液凝固過程中所起作用”的實驗設計，采用這種方法效果較好。（３）類比法。利用已有的實驗知識和技能，設計出有類比關係的實驗。比如與酶有關的實驗設計，均可參照教材上“驗证唾液澱粉酶的實驗”來類比設計。

　　拓寬實驗設計的訓練思路，實現實驗設計訓練的多樣化，對學生實驗設計能力的培養十分有益。常用的訓練思路有：（１）運用生物學史，使學生認識到重大生物科學發現都依賴於科學家富有創意的實驗設計，牢固樹立學生實驗設計鋭意創新的基本理念。（２）教材經典實驗的重新設計，通過變换個别實驗條件，嘗試成功，使學生樹立勇於設計的信心。比如“光合作用實驗”。（３）教師提出實驗課題和實驗原理，由學生獨立進行實驗材料的準備和實驗步驟的安排，培養學生獨立設計實驗操作方案的技能。比如“設計製作小生態瓶實驗”。（４）教師提出實驗課題，由學生設計實驗步驟、選用實驗原理。比如“研究鬆樹針葉是否有保鮮作用的實驗”。（５）教師給出實驗情景及目的、條件，讓學生設計實驗方案。比如“植物向性實驗”。（６）可利用教材中的課外、家庭實驗和研究性課題等進行實驗設計。比如“廢舊電池對動植物生長的影響”、“家庭酸牛奶的製作”等實驗。（７）設計實驗改進方法，引導學生尋求最佳實驗方案，培養學生的科學素質和科學能力。比如“測定洋葱表皮細胞等滲濃度的實驗”。（８）利用實物投影、攝像、放映、多媒體網絡技術等現代教學技術，進行實驗設計的示範教學、輔助教學、微格教學、模擬實驗，拓展實驗設計訓練的空間。（９）交流點撥，總結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），取長補短，啓迪思維，使學生的實驗設計能力從本質上得到提昇。（１０）注重實驗設計的過程性評價和終結評價，及時反饋每個學生實驗設計的優點，給以肯定和鼓勵，使學生嘗到成功的喜悦；同時分析漏洞和易忽略的地方，使學生吃一塹長一智。增强探索發現、攻關奪隘的勇氣和信念。


　　［１］《普通高中生物課程標準》（第二部分 課程目標）  人民教育出版社２００４年２月版 第７頁

　　［２］ 鄔美娜《教學設計》  高等教育出版社１９９４年版

　　［３］ Ｒｅｉｇｅｌｕｔｈ， Ｃ． Ｍ． （Ｅｄ．， １９８３）． Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ－Ｄｅｓｉｇｎ Ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｎｄ Ｍｏｄｅｌｓ： Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅｉｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ． Ｈｉｌｌｓｄａｌｅ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ： Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｅｒｌｂａｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ