摘要:實驗設(shè)計在中學(xué)生物課程改革和考試內(nèi)容改革等方面越來越呈現(xiàn)出重要性。生物教學(xué)中的實驗設(shè)計可以分為局部型和全程型兩大類。全程型實驗設(shè)計應(yīng)按六個步驟進(jìn)行并遵循四個原則。本文從教和學(xué)的幾點策略上培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力。
關(guān)鍵詞:生物教學(xué)、實驗設(shè)計、能力培養(yǎng)
實驗設(shè)計是指正式實驗之前,實驗者根據(jù)一定的實驗?zāi)康暮鸵?運用有關(guān)的科學(xué)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(jié)合初中生物教學(xué)談?wù)剬W(xué)生實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)。
1.培養(yǎng)實驗設(shè)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(xué)習(xí)能力。培養(yǎng)學(xué)生的生物設(shè)計實驗?zāi)芰?是中學(xué)生物新課標(biāo)明確提出的培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力、實驗?zāi)芰妥詫W(xué)能力等四種能力之一。生物實驗設(shè)計能力既是實驗?zāi)芰Φ闹匾獌?nèi)容,也是實驗?zāi)芰Φ淖罡邔哟?其本身具有較強(qiáng)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(jìn)行設(shè)計的,在實驗設(shè)計中,通過設(shè)置對照組,可排除無關(guān)變量的影響,減少實驗誤差。筆者在教學(xué)視導(dǎo)中發(fā)現(xiàn),學(xué)生通過對新教材的學(xué)習(xí),在實驗設(shè)計能力上有了質(zhì)的飛躍,在設(shè)計實驗時都能自覺設(shè)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(xùn)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(xué)生就非常模糊,思維混亂。學(xué)生思維能力發(fā)展的方向及質(zhì)量,體現(xiàn)在教師的教學(xué)思路和方法上,因此要求教師在教學(xué)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(jìn)行滲透和指導(dǎo),使學(xué)生在設(shè)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(guān)于實驗設(shè)計的基本類型
課程與教學(xué)中的實驗設(shè)計大體上可以分為兩大類,即局部型和全程型的實驗設(shè)計。
2.1局部型實驗設(shè)計只要求學(xué)生設(shè)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(xué)生,比較節(jié)約時間,學(xué)生可隨堂完成。
2.1.1實驗?zāi)康脑淼脑O(shè)計。題目給出實驗題目及一些實驗情境,讓學(xué)生設(shè)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(shè)計。教師或教材提供了實驗題目、實驗?zāi)康幕驅(qū)嶒炘?要求學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有條件(如學(xué)校設(shè)備和自然資源)完成實驗器材的選擇與使用的設(shè)計。如“種子萌發(fā)的條件”的探究實驗,可以讓學(xué)生設(shè)計不同方案的實驗器材及實驗裝置。
2.1.3實驗步驟的設(shè)計。根據(jù)題目要求給定的器材以及實驗提出的目的,設(shè)計或補(bǔ)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(shè)計一個對照實驗,進(jìn)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(shè)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(shè)、器材、步驟和預(yù)期的結(jié)果等都由學(xué)生完成。甚至實驗課題的題目有時也可以由學(xué)生來選擇和設(shè)計。這類設(shè)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(xué)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(shè)計能力的培養(yǎng)問題。
3.分步細(xì)說實驗設(shè)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(shè);③設(shè)計具體的實驗方法和步驟;④預(yù)期實驗結(jié)果;⑤觀察和收集數(shù)據(jù);⑥分析推理;⑦得出結(jié)論;⑧討論與交流。
3.1了解實驗題目的確立中學(xué)生物實驗設(shè)計的題目雖然是教材給定的,但是讓學(xué)生了解科學(xué)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(xué)生的實驗設(shè)計的興趣,提高學(xué)生實驗設(shè)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(zhì)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(shè)計的目的和依據(jù)的原理實驗?zāi)康氖菍嶒炘O(shè)計的出發(fā)點和歸宿(方向和目標(biāo))。實驗原理是實驗設(shè)計的靈魂(依據(jù)),因此在進(jìn)行實驗設(shè)計前應(yīng)要求學(xué)生預(yù)習(xí),通過討論,使學(xué)生明確實驗設(shè)計的目的、主要研究的內(nèi)容和所依據(jù)的原理。
3.3引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)假設(shè)是實驗者對自然界或生物學(xué)實驗中的可以觀察到的現(xiàn)象提出一種推測或猜想。中學(xué)生物實驗設(shè)計的假設(shè)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(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)前,應(yīng)對教材中提供的材料進(jìn)行歸納分析,從中找出共同性、本質(zhì)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(shè)。
如何引導(dǎo)做出實驗假說根據(jù)科學(xué)事實提出問題和假說,這是科學(xué)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(dǎo)性探究和發(fā)現(xiàn)。一般情況下,學(xué)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(xué)過程;但作為教師必須明白,學(xué)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(xué)過程中有效地建立假說。
19世紀(jì),瘧疾猖獗,人們根據(jù)瘧疾分布區(qū)的環(huán)境得出結(jié)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(shè)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(dāng)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(yīng)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(xì)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(nèi)就應(yīng)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(jìn)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(nèi)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(zhuǎn)化為科學(xué)定理或?qū)W說了。
同時也從以上材料中總結(jié)出:假說是問題的延伸,同時也是實驗設(shè)計的基礎(chǔ);做出假說和提出問題之間的邏輯聯(lián)系,在這里,科學(xué)問題、科學(xué)實驗、科學(xué)資料、科學(xué)實踐、生產(chǎn)實踐、人文活動等都可能是做出假說的基礎(chǔ)(下圖中用“觀察”一詞來概括);假說在科學(xué)過程中的地位及其承前啟后的重要作用。
3.4指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗過程實驗過程設(shè)計是根據(jù)實驗?zāi)康�、原理和提出的假設(shè)。設(shè)計出具體的實驗方法和步驟。指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗過程應(yīng)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(jié)果的影響。單因子變量有兩層含義,一是確�！皢我蜃幼兞俊钡膶嶒炗^察,一個實驗一般只設(shè)置一個變量,做到一個實驗因子對應(yīng)觀察一個反應(yīng)分子。二是確保單因子變量的操作規(guī)范,盡可能避免無關(guān)因子及額外因子的干擾。
B、設(shè)立對照原則:對照是實驗控制的手段之一,通過設(shè)置對照實驗,可以消除無關(guān)因子對實驗結(jié)果的影響,增加實驗結(jié)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(jī)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(jié)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(jī)取樣。
D、重復(fù)性原則:某一具體實驗的結(jié)論不一定能概括出同類事物的本質(zhì),必須進(jìn)行重復(fù)驗證。即控制某種因素的變化,在同等條件下重復(fù)實驗,觀察其對實驗結(jié)果的影響程度。重復(fù)的方法有兩種,一是擴(kuò)大實驗樣本,二是將實驗結(jié)果擴(kuò)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(fù)雜的環(huán)境中,受到各種環(huán)境因素的影響,為消除無關(guān)因子對實驗結(jié)果的干擾,增加實驗結(jié)果的可信度和說服力,可以通過設(shè)置對照組消除其他無關(guān)因素的影響,
第四,要增加實驗的可信度,必須進(jìn)行重復(fù)實驗
第五,要避免實驗的偶然性,根據(jù)隨機(jī)性原則,
3.5作出實驗預(yù)期預(yù)期是指檢測假設(shè)之前提出的對實驗結(jié)果的預(yù)期。它既是從假設(shè)中推測出的結(jié)果,又是檢驗假設(shè)的一個對照。一般情況下,實驗結(jié)果與預(yù)期一致,則假設(shè)成立,若實驗結(jié)果與預(yù)期矛盾,則假設(shè)不成立,必須尋找原因,修改實驗方案,重新進(jìn)行實驗。
3.6組織討論與交流學(xué)生寫出實驗方案后,應(yīng)組織討論和交流,說明各自的設(shè)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(jié)果的預(yù)期等,在學(xué)生明確實驗設(shè)計的基本環(huán)節(jié)、遵循的主要原則的基礎(chǔ)上,著重討論設(shè)計的創(chuàng)新之處,如實驗材料的選擇、實驗方法的改進(jìn)、實驗順序的安排等,通過交流學(xué)生間能相互啟發(fā)和借鑒,更好地發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性,對學(xué)生修改和完善實驗設(shè)計有積極的促進(jìn)作用。設(shè)計實驗方案后,應(yīng)根據(jù)方案進(jìn)行實驗,觀察和記錄實驗現(xiàn)象,收集有關(guān)實驗數(shù)據(jù),并根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行分析、推理,得出結(jié)論。若實驗結(jié)果與假設(shè)一致,則假設(shè)成立,通過重復(fù)實驗的驗證,得出肯定的結(jié)論。若實驗結(jié)果與假設(shè)不一致,必須分析原因,重新設(shè)計或修改實驗方案,繼續(xù)進(jìn)行實驗。在上述各個環(huán)節(jié)都要充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性,鼓勵學(xué)生積極思考,敢于發(fā)表不同意見,既要尊重科學(xué),也要敢于標(biāo)新立異,大膽創(chuàng)新。
4.教學(xué)策略
4.1教的策略
4.1.1創(chuàng)設(shè)情境充分運用各種手段創(chuàng)設(shè)具體生動的情境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒,從而引導(dǎo)學(xué)生積極思維。創(chuàng)設(shè)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(biāo)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(xué)生之間的討論,是啟發(fā)學(xué)生積極思維的兩種常用方法。例如,運用“頭腦風(fēng)暴法”進(jìn)行討論,可以引起創(chuàng)造性思維的連鎖反應(yīng),在短時間調(diào)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(nèi),盡快地說出盡可能多的解決問題的設(shè)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(shè)想或方案,由學(xué)生自己判斷其正誤。教師可以從多角度、多層次給學(xué)生以提示(但不是答案),給學(xué)生的討論以正確的導(dǎo)向。這種討論的方法猶如一場短時間的思維“風(fēng)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(xué)生相互啟發(fā),相互彌補(bǔ)知識缺陷,而且借助競爭氣氛充分調(diào)動每個學(xué)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(xué)生提供線索,可以使學(xué)生少走彎路,盡快實現(xiàn)目標(biāo),
4.1.4傳授方法現(xiàn)行的生物學(xué)教材中很少有“設(shè)計創(chuàng)新性”實驗,沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒�！肮び破涫�,必先利其器”,教師必須給學(xué)生補(bǔ)上“如何設(shè)計實驗”這一課。讓學(xué)生了解實驗方案包括的內(nèi)容、設(shè)計實驗的一般程序和遵循的原則;掌握設(shè)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(jié)果的預(yù)測等。還要指導(dǎo)學(xué)生通過實驗來驗證實驗方案的正確性。
4.1.5強(qiáng)化訓(xùn)練,培養(yǎng)實驗設(shè)計能力
(1)引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)教學(xué)實驗過程傳統(tǒng)的實驗教學(xué)并不提倡對實驗現(xiàn)象、方法、材料質(zhì)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(xué)中應(yīng)鼓勵學(xué)生對實驗的方法、步驟、實驗材料進(jìn)行改進(jìn)、研究。
[示例]在“光合作用”一節(jié)的教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生將書本上的一個驗證實驗、兩個演示實驗進(jìn)行綜合設(shè)計,改進(jìn)成一個多組對照實驗方案:選擇兩盆銀邊天竺葵,標(biāo)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(nèi),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(jié)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(shè)計,既加深了學(xué)生對實驗原理的理解,又開拓了學(xué)生的思維,提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力,還增加了學(xué)生進(jìn)行實驗創(chuàng)新的興趣和信心,學(xué)生獲得了多方面的收益。
(2)將驗證實驗設(shè)計為探究實驗將驗證性實驗設(shè)計為探究性實驗,必須考慮三個條件:①教材內(nèi)容難易適中;②學(xué)生對進(jìn)行探究性實驗已有一定的知識準(zhǔn)備;③教師恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和啟發(fā)。
[示例]驗證“人體呼出的氣體中含較多的CO2”,教師鼓勵學(xué)生把它設(shè)計成探究性實驗,學(xué)生設(shè)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(guān)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(xué)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(dǎo)學(xué)生拓展實驗內(nèi)容:
[示例]如鑒定骨的成分實驗中,學(xué)生有這樣的疑問:①骨煅燒后剩下的是無機(jī)物嗎?②骨脫鈣后剩的是有機(jī)物嗎?針對上述疑問學(xué)生設(shè)計出補(bǔ)充實驗:將煅燒后的灰白色物質(zhì)投入另一只裝有鹽酸的試管中,灰白色的物質(zhì)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(tuán),繼而燃燒,證明柔韌的骨主要成分是有機(jī)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?zāi)康?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(xué)們自行設(shè)計實驗來驗證植物具有向地性。結(jié)果收效甚豐,方案十幾種且基本簡單合理、可靠性強(qiáng)。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(jié)果:所有黃豆的根都朝下生長。結(jié)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(dāng),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(xì)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(shè)計的能力由于實驗設(shè)計具有開放性的特點,再加上每個學(xué)生自己獨特的思考方法和不同的解決的途徑,設(shè)計水平高低不同,得出的結(jié)果是多種多樣的。所以,在進(jìn)行了一定數(shù)量的設(shè)計訓(xùn)練后,教師要及時給予點撥或引導(dǎo)學(xué)生交流設(shè)計成果,總結(jié)出生物實驗設(shè)計方案的基本思路和評價標(biāo)準(zhǔn)(科學(xué)合理、設(shè)計簡捷、效果明顯等),從而使學(xué)生鞏固實驗設(shè)計方法,提高實驗設(shè)計的能力,豐富了學(xué)生的思路,啟迪了思維。
4.2學(xué)的策略
4.2.1強(qiáng)烈的問題意識問題意識是產(chǎn)生創(chuàng)造性思維的條件。學(xué)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(xué)習(xí)需要腦力和體力的高度緊張,這就要求學(xué)生具備強(qiáng)烈的好奇心和求知欲,堅強(qiáng)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(xué)習(xí)的必要條件。
4.2.3懷疑的思維品質(zhì)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(jìn)一下實驗的用具和裝置?③實驗的步驟是否可以設(shè)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(xué)中培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效途徑。
4.2.4合作的團(tuán)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(xué)們的評價。虛心向他人學(xué)習(xí),學(xué)會與同學(xué)交流,取長補(bǔ)短,共同提高。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://portlandfoamroofing.com/chuzhong/1112211.html
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