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培养学生的生物实验能力,是中学生物教学大纲明确提出的培养学生观察能力、思维能力、实验能力和自学能力等四种能力之一,而生物实验设计能力既是实验能力的重要内容,也是实验能力的最高层次.
实验设计题能拓宽学生的思维空间,有利于学生的科学素质和创新能力的培养.当前学生对生物学实验教学普遍重视不够,学生缺乏对实验设计基础知识的学习和训练,因此学生的实验设计能力较差.为尽快而有效地提高学生的生物实验设计能力,应加强该方面的教学实践.
一、加强教学实践,挖掘教材中的实验设计理论知识
著名教育学家布鲁姆认为,决定教学效果有三个主要因素:认知的前提能力(基础知识)、情感的前提特性(参加学习的动机情感)、教学的质.它们对学习速度的影响分别是50%、25%、25%,虽然有了知识不等于就有了能力,但没有知识则不可能提高能力,由此可见基础知识的重要地位,因此实验设计之前必须深谙实验设计的原理.
1.拓展教学,明确实验设计原理
在现行的教材中对生物学实验设计的基本原则和方法等内容没有专门的系统阐述,而是把它们隐含在教材的实验内容和生物学史的内容之中,这就要求教师应善于发现并挖掘出教材中的隐含信息,帮助学生了解和掌握实验设计的理论知识.例如复习“唾液淀粉酶对淀粉的消化作用”实验时,通过对实验原理、操作步骤的细致分析,帮助学生形成科学、严谨的实验设计思想;通过比较对照组实验在实验过程中的重要作用,使学生学会运用实验设计的科学性原则——设立对照组;通过实验内容的剖析,使学生掌握实验设计的准确性原则——设立多因子变量.通过分析生长素的发现历程和孟德尔遗传规律的揭示过程使学生了解实验设计的基本方法和步骤.
2.补充经典实验,优化实验设计理论知识
分析教材中的实验发现,实验内容少且缺乏系统性的方法指导,这对于学生全面了解实验设计的理论知识是不够的.因此,在教学中可以适当地补充生物学的经典实验(如伞藻的嫁接实验、童弟周培育单尾鳍金鱼实验等),着重让学生了解实验者的实验意图,认识实验的形成过程,分析实验中设置的实验条件的目的.这对于学生进一步理解实验设计的原则,掌握实验设计的方法,都是十分重要的.
二、强化训练,培养学生独立完成研究型设计实验的能力
强化生物实验设计训练,是培养学生实验设计能力的必经之路.学生在明确了实验设计的基本原理后,只有通过必要的实验设计训练,才能真正掌握实验设计的方法,提高实验设计能力.
1.课本实验的重新设计——树立实验设计的信心
进行实验设计的初期,学生对实验设计方案的思路模糊,存在畏惧的心理.此时教师可采取由浅入深、循序渐进的策略,帮助学生树立实验设计的自信心.课本实验是学生既熟悉又亲切的知识,教师在课本实验的复习中可灵活地改变实验的某个条件,让学生模仿课本实验的程序进行简单的实验设计,使学生从中获得成功感,增强对实验设计的兴趣;同时在“模仿”的过程中训练学生实验设计的思维方式,使学生初步形成实验设计的思路.在学习“还原糖的鉴定”后,让学生练习由相关的课本实验重组、改编的实验设计题型.例如,让学生练习2001年上海高考生物实验设计题.
此实验设计步骤是以高二课本“实验一”为蓝本,源于教材又高于教材,旨在考查学生利用课本实验基础知识对新情境材料的分析和探究能力.利用该题可引导学生比较“鉴定还原性糖”与生物课本中的步骤有什么不同、“鉴定淀粉”与化学课本中鉴定淀粉溶液有何不同.学生往往能从中得到启发,在对课本实验的复习过程中形成基本的实验技能.
2.典型习题的剖析——理顺实验设计的思路
加强学生实验能力的培养,不但要重视分析、解释实验现象、结果以及推导实验结论能力的培养,更应重视培养设计实验方案的能力.提高学生实验设计的能力,教师不但要让学生明确实验设计的理论知识,更重要的是应让学生掌握实验设计的正确思路,准确完整地表达实验设计的全过程,下面结合2005年广东生物实验题对实验设计思路做简要分析.
研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液100OmL.利用以下实验材料和器材设计实验,探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响.
实验材料和器材:水稻种子、试管、培养皿、纱布、尺子(100mm)、蒸馏水、恒温光照培养箱、温度设定为28℃、光强度为200OLux(实验材料和器材的数量不限).
根据给出的实验材料和器材,请设计实验方法和步骤、预测实验结果并作出分析.
(1)方法和步骤:
(2)結果预测和分析:
该题是探究实验设计题,考查学生对实验方法和步骤的设计,分析和处理实验数据,作出合理的结论.解题思路为:
1.首先认真阅读试题,明确实验探究目的:不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响.然后仔细审查题目中提供的实验材料和用具,初步设想这些材料、用具在实验中可能起的作用.
2.实验原理:重金属污染液对植物有毒害作用(生物学科知识定位),测定不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响.如可用单位时间内幼苗株高(或根长)或萌发率等任一种明确的、可量度的指标进行评价.
3.确定实验思路.
(1)确定实验变量为:不同浓度的重金属污染液.根据材料应进行配制,用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10、102、103、104倍等(稀释过程中pH的变化可不作考虑),获得多种不同浓度的污染液.不能忘记设空白对照组(变量为蒸馏水).
(2)保证实验条件的一致性.除处理因素(变量)外,其他实验条件必须保持一致.用等量(数量、质量等)水稻种子,放入相同的用纱布铺垫的培养皿中,给予相同的条件恒温光照培养箱,温度设定为28℃,光强度为200OLux进行实验.为保证实验过程科学性,要注意每天补充等量的相应浓度重金属污染液,对照组补充等体积的蒸馏水.
(3)实验结果的处理.根据实验材料,要用尺子来测量幼苗株高(或根长),计算其平均值,确定其萌发和生长情况.最后,根据有关理论和原理对实验可能出现的结果进行预测,并能科学合理地分析不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发和生长是否有抑制作用,抑制程度如何.
4.设计实验步骤.思路清楚后,按顺序把步骤和现象表述出来.表述时注意实验操作的规范性和科学性,实验现象表述要准确,语言表达要简明.本题设计步骤如下:
由以上分析得出实验设计的基本思路为:1.明确要求和目的;2.联系理论原理;3.确定实验思路;4.设计实验步骤;5.实验结果的预期、分析和讨论.
3.专题训练——深化对实验设计的理解
“实践出真知.”学习的目的在于应用,只有将知识应用于实践,才能加深对知识的理解和巩固,从而形成相应的技能.学生在明确了实验设计的基本原则和思路之后,一定数量的练习是必要的,它可培养学生综合处理信息的能力、逻辑思维能力以及语言文字的表达能力等.为了使学生更好地掌握实验设计的方法,提高运用知识解决问题的能力,可以根据实验设计题的类型,采用专题训练的做法.专题训练的内容有:(1)设计实验方案:如三支试管内分别装有红眼雄性和两种不同基因型的红眼雌性果蝇,还有一支试管内装有白眼果蝇.请利用实验室条件设计最佳方案,鉴定并写出上述三支试管内果蝇的基因型(显性基因用b表示).这种题型要求学生根据题目的要求和给出的条件,确定跟书本相关的知识点涉及的实验原理,构思相关的生物情景,尔后再设计便于操作的实验方案.这有利于培养学生的想象能力、设计能力和创造能力.(2)设计实验步骤:此类题目要求学生根据给定的器材和药品以及实验提出的目的,设计或补全实验步骤.这类题目体现了高考题强调理论与实际结合、学以致用的特点,有利于学生全面掌握实验设计的方法、步骤.(3)设计实验改进方法:此类题目主要检查学生对实验设计的严密性和科学性的把握,并以此为媒介,引出解决问题的思路方法,进一步培养学生的科学素质和思维能力.题型如1999年广东省的生物高考第44题,验证pH对唾液淀粉酶活性的影响(题略).学生通过专题性的实验设计练习,对实验设计的原理有了更进一步的理解,训练了思维的独特性和文字表达的准确性,创新能力得到极大的提高,同时使学生对实验设计的情感得到了升华,最终对实验设计的兴趣发生了质的飞跃.
4.交流点拨——提高实验设计的能力
由于实验设计题具有开放性的特点,再加上每个学生自己独特的思考方法和不同的解决问题的途径,得出的结果是多种多样的.所以,在进行了一定数量的设计训练后,教师要及时给予点拨或引导,让学生交流设计成果,总结出生物实验设计方案的基本思路和评价标准(科学合理、设计简捷、效果明显等),从而提高实验设计的能力.另外,通过学生对实验设计方案的讨论,可以互相取长补短,完善设计方案,丰富设计内容.同学的启示和教师的点拨丰富了解题的思路,启迪了思维,通过交流点拨使每个同学对问题的理解更加全面和深入,实验设计能力从本质上得到了很大的提高.
参考文献:
[1]郭友等编著.教师教学技能[M].北京:首都师范大学出版社,2000.
[2]薛静尧.高考理综复习指南:教你设计生物实验[N].现代教育报-高考周刊,2004-04-28.
[3]王云香.高考复习中须注意的几种实验设计题型[J].生物学教学,2006,(3).
(责任编辑:廖银燕)
实验设计题能拓宽学生的思维空间,有利于学生的科学素质和创新能力的培养.当前学生对生物学实验教学普遍重视不够,学生缺乏对实验设计基础知识的学习和训练,因此学生的实验设计能力较差.为尽快而有效地提高学生的生物实验设计能力,应加强该方面的教学实践.
一、加强教学实践,挖掘教材中的实验设计理论知识
著名教育学家布鲁姆认为,决定教学效果有三个主要因素:认知的前提能力(基础知识)、情感的前提特性(参加学习的动机情感)、教学的质.它们对学习速度的影响分别是50%、25%、25%,虽然有了知识不等于就有了能力,但没有知识则不可能提高能力,由此可见基础知识的重要地位,因此实验设计之前必须深谙实验设计的原理.
1.拓展教学,明确实验设计原理
在现行的教材中对生物学实验设计的基本原则和方法等内容没有专门的系统阐述,而是把它们隐含在教材的实验内容和生物学史的内容之中,这就要求教师应善于发现并挖掘出教材中的隐含信息,帮助学生了解和掌握实验设计的理论知识.例如复习“唾液淀粉酶对淀粉的消化作用”实验时,通过对实验原理、操作步骤的细致分析,帮助学生形成科学、严谨的实验设计思想;通过比较对照组实验在实验过程中的重要作用,使学生学会运用实验设计的科学性原则——设立对照组;通过实验内容的剖析,使学生掌握实验设计的准确性原则——设立多因子变量.通过分析生长素的发现历程和孟德尔遗传规律的揭示过程使学生了解实验设计的基本方法和步骤.
2.补充经典实验,优化实验设计理论知识
分析教材中的实验发现,实验内容少且缺乏系统性的方法指导,这对于学生全面了解实验设计的理论知识是不够的.因此,在教学中可以适当地补充生物学的经典实验(如伞藻的嫁接实验、童弟周培育单尾鳍金鱼实验等),着重让学生了解实验者的实验意图,认识实验的形成过程,分析实验中设置的实验条件的目的.这对于学生进一步理解实验设计的原则,掌握实验设计的方法,都是十分重要的.
二、强化训练,培养学生独立完成研究型设计实验的能力
强化生物实验设计训练,是培养学生实验设计能力的必经之路.学生在明确了实验设计的基本原理后,只有通过必要的实验设计训练,才能真正掌握实验设计的方法,提高实验设计能力.
1.课本实验的重新设计——树立实验设计的信心
进行实验设计的初期,学生对实验设计方案的思路模糊,存在畏惧的心理.此时教师可采取由浅入深、循序渐进的策略,帮助学生树立实验设计的自信心.课本实验是学生既熟悉又亲切的知识,教师在课本实验的复习中可灵活地改变实验的某个条件,让学生模仿课本实验的程序进行简单的实验设计,使学生从中获得成功感,增强对实验设计的兴趣;同时在“模仿”的过程中训练学生实验设计的思维方式,使学生初步形成实验设计的思路.在学习“还原糖的鉴定”后,让学生练习由相关的课本实验重组、改编的实验设计题型.例如,让学生练习2001年上海高考生物实验设计题.
此实验设计步骤是以高二课本“实验一”为蓝本,源于教材又高于教材,旨在考查学生利用课本实验基础知识对新情境材料的分析和探究能力.利用该题可引导学生比较“鉴定还原性糖”与生物课本中的步骤有什么不同、“鉴定淀粉”与化学课本中鉴定淀粉溶液有何不同.学生往往能从中得到启发,在对课本实验的复习过程中形成基本的实验技能.
2.典型习题的剖析——理顺实验设计的思路
加强学生实验能力的培养,不但要重视分析、解释实验现象、结果以及推导实验结论能力的培养,更应重视培养设计实验方案的能力.提高学生实验设计的能力,教师不但要让学生明确实验设计的理论知识,更重要的是应让学生掌握实验设计的正确思路,准确完整地表达实验设计的全过程,下面结合2005年广东生物实验题对实验设计思路做简要分析.
研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液100OmL.利用以下实验材料和器材设计实验,探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响.
实验材料和器材:水稻种子、试管、培养皿、纱布、尺子(100mm)、蒸馏水、恒温光照培养箱、温度设定为28℃、光强度为200OLux(实验材料和器材的数量不限).
根据给出的实验材料和器材,请设计实验方法和步骤、预测实验结果并作出分析.
(1)方法和步骤:
(2)結果预测和分析:
该题是探究实验设计题,考查学生对实验方法和步骤的设计,分析和处理实验数据,作出合理的结论.解题思路为:
1.首先认真阅读试题,明确实验探究目的:不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响.然后仔细审查题目中提供的实验材料和用具,初步设想这些材料、用具在实验中可能起的作用.
2.实验原理:重金属污染液对植物有毒害作用(生物学科知识定位),测定不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响.如可用单位时间内幼苗株高(或根长)或萌发率等任一种明确的、可量度的指标进行评价.
3.确定实验思路.
(1)确定实验变量为:不同浓度的重金属污染液.根据材料应进行配制,用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10、102、103、104倍等(稀释过程中pH的变化可不作考虑),获得多种不同浓度的污染液.不能忘记设空白对照组(变量为蒸馏水).
(2)保证实验条件的一致性.除处理因素(变量)外,其他实验条件必须保持一致.用等量(数量、质量等)水稻种子,放入相同的用纱布铺垫的培养皿中,给予相同的条件恒温光照培养箱,温度设定为28℃,光强度为200OLux进行实验.为保证实验过程科学性,要注意每天补充等量的相应浓度重金属污染液,对照组补充等体积的蒸馏水.
(3)实验结果的处理.根据实验材料,要用尺子来测量幼苗株高(或根长),计算其平均值,确定其萌发和生长情况.最后,根据有关理论和原理对实验可能出现的结果进行预测,并能科学合理地分析不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发和生长是否有抑制作用,抑制程度如何.
4.设计实验步骤.思路清楚后,按顺序把步骤和现象表述出来.表述时注意实验操作的规范性和科学性,实验现象表述要准确,语言表达要简明.本题设计步骤如下:
由以上分析得出实验设计的基本思路为:1.明确要求和目的;2.联系理论原理;3.确定实验思路;4.设计实验步骤;5.实验结果的预期、分析和讨论.
3.专题训练——深化对实验设计的理解
“实践出真知.”学习的目的在于应用,只有将知识应用于实践,才能加深对知识的理解和巩固,从而形成相应的技能.学生在明确了实验设计的基本原则和思路之后,一定数量的练习是必要的,它可培养学生综合处理信息的能力、逻辑思维能力以及语言文字的表达能力等.为了使学生更好地掌握实验设计的方法,提高运用知识解决问题的能力,可以根据实验设计题的类型,采用专题训练的做法.专题训练的内容有:(1)设计实验方案:如三支试管内分别装有红眼雄性和两种不同基因型的红眼雌性果蝇,还有一支试管内装有白眼果蝇.请利用实验室条件设计最佳方案,鉴定并写出上述三支试管内果蝇的基因型(显性基因用b表示).这种题型要求学生根据题目的要求和给出的条件,确定跟书本相关的知识点涉及的实验原理,构思相关的生物情景,尔后再设计便于操作的实验方案.这有利于培养学生的想象能力、设计能力和创造能力.(2)设计实验步骤:此类题目要求学生根据给定的器材和药品以及实验提出的目的,设计或补全实验步骤.这类题目体现了高考题强调理论与实际结合、学以致用的特点,有利于学生全面掌握实验设计的方法、步骤.(3)设计实验改进方法:此类题目主要检查学生对实验设计的严密性和科学性的把握,并以此为媒介,引出解决问题的思路方法,进一步培养学生的科学素质和思维能力.题型如1999年广东省的生物高考第44题,验证pH对唾液淀粉酶活性的影响(题略).学生通过专题性的实验设计练习,对实验设计的原理有了更进一步的理解,训练了思维的独特性和文字表达的准确性,创新能力得到极大的提高,同时使学生对实验设计的情感得到了升华,最终对实验设计的兴趣发生了质的飞跃.
4.交流点拨——提高实验设计的能力
由于实验设计题具有开放性的特点,再加上每个学生自己独特的思考方法和不同的解决问题的途径,得出的结果是多种多样的.所以,在进行了一定数量的设计训练后,教师要及时给予点拨或引导,让学生交流设计成果,总结出生物实验设计方案的基本思路和评价标准(科学合理、设计简捷、效果明显等),从而提高实验设计的能力.另外,通过学生对实验设计方案的讨论,可以互相取长补短,完善设计方案,丰富设计内容.同学的启示和教师的点拨丰富了解题的思路,启迪了思维,通过交流点拨使每个同学对问题的理解更加全面和深入,实验设计能力从本质上得到了很大的提高.
参考文献:
[1]郭友等编著.教师教学技能[M].北京:首都师范大学出版社,2000.
[2]薛静尧.高考理综复习指南:教你设计生物实验[N].现代教育报-高考周刊,2004-04-28.
[3]王云香.高考复习中须注意的几种实验设计题型[J].生物学教学,2006,(3).
(责任编辑:廖银燕)