摘要:实验设计在中学生物课程改革和考试内容改革等方面越来越呈现出重要性。生物教学中的实验设计可以分为局部型和全程型两大类。全程型实验设计应按六个步骤进行并遵循四个原则。本文从教和学的几点策略上培养学生的实验设计能力。
关键词:生物教学、实验设计、能力培养
实验设计是指正式实验之前,实验者根据一定的实验目的和要求,运用有关的科学知识和原理,对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定。这在新的课程改革和考试与评价改革中,越来越受到重视。本文拟结合初中生物教学谈谈对学生实验设计能力的培养。
1.培养实验设计能力的意义
由于新教材的实验以探究为主,着重培养自主学习能力。培养学生的生物设计实验能力,是中学生物新课标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。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,其本身具有较强的综合性、创造性和灵活性等特点。在生物实验中,其基本思想就是“对照”,大多数生物实验以对照性原则进行设计的,在实验设计中,通过设置对照组,可排除无关变量的影响,减少实验误差。笔者在教学视导中发现,学生通过对新教材的学习,在实验设计能力上有了质的飞跃,在设计实验时都能自觉设置对照实验,但是对于什么是实验组,什么是对照组概念模糊,经常张冠李戴。如初二上册P85技能训练“评价实验方案”中找出每个方案的实验组和对照组,大部分学生就非常模糊,思维混乱。学生思维能力发展的方向及质量,体现在教师的教学思路和方法上,因此要求教师在教学过程中必须自身首先明确概念,在各探究实验中有意识地进行渗透和指导,使学生在设计能力、思维上得以真正的深化提高。本文对初中教材中出现的探究实验涉及的对照实验略作探讨。
2.关于实验设计的基本类型
课程与教学中的实验设计大体上可以分为两大类,即局部型和全程型的实验设计。
2.1局部型实验设计只要求学生设计实验方案中的某一部分或某一个环节,可以用于较低年级的学生,比较节约时间,学生可随堂完成。
2.1.1实验目的原理的设计。题目给出实验题目及一些实验情境,让学生设计实验的目的和原理。例如:有人在室外空旷处,在不用任何药剂、装置触及幼苗的情况下,使幼嫩植株长成如图示(图略)形态。请写出该实验的目的,并说明实验原理。
2.1.2实验器材的设计。教师或教材提供了实验题目、实验目的或实验原理,要求学生根据现有条件(如学校设备和自然资源)完成实验器材的选择与使用的设计。如“种子萌发的条件”的探究实验,可以让学生设计不同方案的实验器材及实验装置。
2.1.3实验步骤的设计。根据题目要求给定的器材以及实验提出的目的,设计或补全实验步骤。例如,请参照“光对鼠妇生活的影响”的实验过程,设计一个对照实验,进一步探究“洗衣粉对鼠妇生活的影响”,并写出实验报告。
2.2全程型实验设计教师教材只给出实验的题目及某些附带的条件,实验的目的、假设、器材、步骤和预期的结果等都由学生完成。甚至实验课题的题目有时也可以由学生来选择和设计。这类设计提供的线索比较少,因而难度相对比较大,多在高中阶段的生物教学中出现。它仍可以分为两大类,一类是教科书规定的,另一类是教材之外追加的。本文后一部分就是以这种全程型为例来说明实验设计能力的培养问题。
3.分步细说实验设计能力的培养
一个完整的实验方案一般包括:①实验题目的确定;②提出假设;③设计具体的实验方法和步骤;④预期实验结果;⑤观察和收集数据;⑥分析推理;⑦得出结论;⑧讨论与交流。
3.1了解实验题目的确立中学生物实验设计的题目虽然是教材给定的,但是让学生了解科学家如何发现问题、提出问题、确立研究课题的过程,对激发学生的实验设计的兴趣,提高学生实验设计的能力有很大的作用。实验题目的确定大致有两个途径:一是从普通现象中寻找同一性,揭示事物的本质和规律;二是在普遍现象中寻找差异性,从中发现新问题、提出新观点、确立新的研究方向。
3.2明确实验设计的目的和依据的原理实验目的是实验设计的出发点和归宿(方向和目标)。实验原理是实验设计的灵魂(依据),因此在进行实验设计前应要求学生预习,通过讨论,使学生明确实验设计的目的、主要研究的内容和所依据的原理。
3.3引导学生作出假设假设是实验者对自然界或生物学实验中的可以观察到的现象提出一种推测或猜想。中学生物实验设计的假设一般是依据教材提供的事实和一定的实验原理而提出的,因此在指导学生作出假设前,应对教材中提供的材料进行归纳分析,从中找出共同性、本质性的东西,将感性的材料上升为理性的思考,从而做出合理的假设。
如何引导做出实验假说根据科学事实提出问题和假说,这是科学研究的起始步骤。从现行教材提供的材料看,探究性实验和研究性课题都是有一定目的的引导性探究和发现。一般情况下,学生做出的假说无对错之分。这一原则旨在鼓励大胆做出假说,积极参与教学过程;但作为教师必须明白,学生做出的假说又有好坏之分,这主要表现为:一个好的假说总是和做出假说的前提有着高度的一致性、派生性和演绎性。作者曾以人类对于疟疾病因的探究过程为例,较好地说明了如何在科学过程中有效地建立假说。
19世纪,疟疾猖獗,人们根据疟疾分布区的环境得出结论:低洼多水、气温较高的烟瘴之区易发疟疾。为什么在这样的地带易发生疟疾呢?人们设想:污水可能是使人患疟疾的病原,污水蒸发可能产生毒气使人生病。这是根据经验规律而提出的疟疾病因假说。当污水被清除后,疟疾果然大大减少。这证明假说是正确的。那么污水是如何引起疟疾的呢?若污水是直接致病的,喝了污水就应该发病。但研究否定了污水直接引起疟疾的假说。人们又发现:①清除了污水,蚊子少了,同时疟疾也少了;②住在低洼沼泽地、室外露天睡眠的人易患疟疾;③不用蚊帐的人易患疟疾;④夜间在薰烟的火旁睡眠的人很少患疟疾。联系这些事实,人们不尽假说:疟疾是不是蚊子传播的呢?
法国医生拉佛兰在疟疾患者的血液中发现了细长如丝的微生物。他假说微生物可能是疟疾的病原。这一假说和上述蚊子可能传播疟疾的假说联系起来,使英国军医罗斯推想:如果上述两个假说是对的,吸了患者血液的蚊子,体内就应该带有这种微生物。后来罗斯通过实验证实了这一假说。罗斯还让蚊子吸麻雀的血,定时解剖蚊胃。他发现这种小生物不但存在于蚊胃中,并且能够繁殖。他又让感染的蚊子去吸健康麻雀的血液,原来健康的麻雀发病了。进一步在志愿者身上试验,直接证明了疟原虫在人体的传播与在鸟类体内的传播一样,都是以蚊子为媒介的。至此,疟疾是由蚊子传播的假说得到最后的证实,假说已转化为科学定理或学说了。
同时也从以上材料中总结出:假说是问题的延伸,同时也是实验设计的基础;做出假说和提出问题之间的逻辑联系,在这里,科学问题、科学实验、科学资料、科学实践、生产实践、人文活动等都可能是做出假说的基础(下图中用“观察”一词来概括);假说在科学过程中的地位及其承前启后的重要作用。
3.4指导学生设计实验过程实验过程设计是根据实验目的、原理和提出的假设。设计出具体的实验方法和步骤。指导学生设计实验过程应遵循如下原则
:A、单因子变量原则:控制其他因素不变,而只改变其中某一元素,观察其对实验结果的影响。单因子变量有两层含义,一是确保“单因子变量”的实验观察,一个实验一般只设置一个变量,做到一个实验因子对应观察一个反应分子。二是确保单因子变量的操作规范,尽可能避免无关因子及额外因子的干扰。
B、设立对照原则:对照是实验控制的手段之一,通过设置对照实验,可以消除无关因子对实验结果的影响,增加实验结果的可信度和说服力。根据实验项目可以采用相互对照、空白对照、自身对照、条件对照等。例如本实验采用的是相互对照。
C、随机性原则:为了使实验更具代表性,消除或减少实验中的系统误差,从而避免实验结果的偶然性,在选择样本时选择面要广,种类、数量要比较多,还要注意随机取样。
D、重复性原则:某一具体实验的结论不一定能概括出同类事物的本质,必须进行重复验证。即控制某种因素的变化,在同等条件下重复实验,观察其对实验结果的影响程度。重复的方法有两种,一是扩大实验样本,二是将实验结果扩大到同类事物中去。
第三,要排除其他因素的干扰。因为生物生长在复杂的环境中,受到各种环境因素的影响,为消除无关因子对实验结果的干扰,增加实验结果的可信度和说服力,可以通过设置对照组消除其他无关因素的影响,
第四,要增加实验的可信度,必须进行重复实验
第五,要避免实验的偶然性,根据随机性原则,
3.5作出实验预期预期是指检测假设之前提出的对实验结果的预期。它既是从假设中推测出的结果,又是检验假设的一个对照。一般情况下,实验结果与预期一致,则假设成立,若实验结果与预期矛盾,则假设不成立,必须寻找原因,修改实验方案,重新进行实验。
3.6组织讨论与交流学生写出实验方案后,应组织讨论和交流,说明各自的设计思路、依据的实验原理、采用的实验方法、主要的实验步骤及对实验结果的预期等,在学生明确实验设计的基本环节、遵循的主要原则的基础上,着重讨论设计的创新之处,如实验材料的选择、实验方法的改进、实验顺序的安排等,通过交流学生间能相互启发和借鉴,更好地发挥学生的积极性和创造性,对学生修改和完善实验设计有积极的促进作用。设计实验方案后,应根据方案进行实验,观察和记录实验现象,收集有关实验数据,并根据实验结果进行分析、推理,得出结论。若实验结果与假设一致,则假设成立,通过重复实验的验证,得出肯定的结论。若实验结果与假设不一致,必须分析原因,重新设计或修改实验方案,继续进行实验。在上述各个环节都要充分调动学生的积极性和主动性,鼓励学生积极思考,敢于发表不同意见,既要尊重科学,也要敢于标新立异,大胆创新。
4.教学策略
4.1教的策略
4.1.1创设情境充分运用各种手段创设具体生动的情境,激发学生的学习情绪,从而引导学生积极思维。创设情境的常用方法有:以真实的生活展示情境;以直观的实物(如模型、标本、录像、示范操作)演示情境;以简洁的图画(包括简笔画、动画、图片)再现情境;以形象的语言描绘情境。
4.1.2启发思维教师的启发性讲授和学生之间的讨论,是启发学生积极思维的两种常用方法。例如,运用“头脑风暴法”进行讨论,可以引起创造性思维的连锁反应,在短时间调动起极大的创造力。实施方法为:①以小组合作的形式开展讨论,在教师规定的时间内,尽快地说出尽可能多的解决问题的设想或方案。②由小组集中以后再向全班公布。③集体讨论各小组报上来的设想或方案,由学生自己判断其正误。教师可以从多角度、多层次给学生以提示(但不是答案),给学生的讨论以正确的导向。这种讨论的方法犹如一场短时间的思维“风暴”,它既是思维的快速发散,又是信息的瞬间集中。这样,不仅仅能使学生相互启发,相互弥补知识缺陷,而且借助竞争气氛充分调动每个学生的思维潜能。
4.1.3提供线索线索是思维的方向,及时为学生提供线索,可以使学生少走弯路,尽快实现目标,
4.1.4传授方法现行的生物学教材中很少有“设计创新性”实验,没有现成的经验可以借鉴。“工欲善其事,必先利其器”,教师必须给学生补上“如何设计实验”这一课。让学生了解实验方案包括的内容、设计实验的一般程序和遵循的原则;掌握设计实验的方法和技巧、实验器材的选择和步骤的安排、实验现象的观察和结果的预测等。还要指导学生通过实验来验证实验方案的正确性。
4.1.5强化训练,培养实验设计能力
(1)引导学生改进教学实验过程传统的实验教学并不提倡对实验现象、方法、材料质疑,无论是演示实验还是分组实验,基本上都是验证实验,只需模仿,不需研究。为此,教学中应鼓励学生对实验的方法、步骤、实验材料进行改进、研究。
[示例]在“光合作用”一节的教学中,引导学生将书本上的一个验证实验、两个演示实验进行综合设计,改进成一个多组对照实验方案:选择两盆银边天竺葵,标记A、B盆,分别选一片天竺葵叶,用黑纸片从上下两面遮住叶片的一半,A盆放入盛有氢氧化钠溶液的水槽中,B盆放入盛有等量清水的水槽中,分别放在两个玻璃钟罩内,经过黑暗处理、阳光照射、脱色等一系列实验步骤,可得出如下结论:光合作用的原料之一是二氧化碳;光是光合作用的条件;光合作用的场所是叶绿体;淀粉是光合作用的产物。
通过这样的实验设计,既加深了学生对实验原理的理解,又开拓了学生的思维,提高了学生的创新能力,还增加了学生进行实验创新的兴趣和信心,学生获得了多方面的收益。
(2)将验证实验设计为探究实验将验证性实验设计为探究性实验,必须考虑三个条件:①教材内容难易适中;②学生对进行探究性实验已有一定的知识准备;③教师恰当的引导和启发。
[示例]验证“人体呼出的气体中含较多的CO2”,教师鼓励学生把它设计成探究性实验,学生设计探究的问题是:“人体呼出的气体CO2与空气中的CO2含量的关系”。实验方法为:A、B、C三个试管装有等量的澄清石灰水,A试管由学生用吸管向里吹气,B试管用吸耳球向里打气,C试管不做处理。观察三个试管中石灰水的变化。
(3)引导学生拓展实验内容:
[示例]如鉴定骨的成分实验中,学生有这样的疑问:①骨煅烧后剩下的是无机物吗?②骨脱钙后剩的是有机物吗?针对上述疑问学生设计出补充实验:将煅烧后的灰白色物质投入另一只装有盐酸的试管中,灰白色的物质产生大量气泡,最后全部溶解,液体呈无色透明状。将脱钙后的骨用吸水纸吸干水分,继而燃烧,初时观察到骨受热缩成团,继而燃烧,证明柔韧的骨主要成分是有机物。
拓展实验方法:
[示例]“植物向性运动”实验,教师试着给出实验目的(验证植物根具有向地性)、实验材料(几种植物种子、培养皿、纱布、潮湿的沙土等),然后让同学们自行设计实验来验证植物具有向地性。结果收效甚丰,方案十几种且基本简单合理、可靠性强。比如:
方案一:将大小相似的几粒黄豆种子以不同的姿态(胚根横置、朝上或朝下)播种到潮湿的沙土中,几天后观察它们的生长状况。结果:所有黄豆的根都朝下生长。结论:黄豆的根具有向地生长的特性。
方案二:选4粒饱满有生命力的玉米种子,平放到一个培养皿中,使种子的尖端部分都朝向培养皿中央,按上下左右位置安放妥当,用胶带纸固定。玉米种子上面用棉花铺满,然后将棉花和玉米种子胶带纸固定并加水湿透。把培养皿竖起来放在橡皮泥或支架上固定。几天后,从培养皿底部可发现所有的玉米种子根都朝下生长。
方案三:将几粒玉米种子放在湿润的土壤中,待长出2cm左右的长根时,小心仔细地挖出。在湿润的沙土表面把带长根的种子一部分水平放置,一部分垂直向上放置,保持种子湿润。过一段时间观察,玉米根仍向下生长。
(4)交流点拨———提高实验设计的能力由于实验设计具有开放性的特点,再加上每个学生自己独特的思考方法和不同的解决的途径,设计水平高低不同,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),从而使学生巩固实验设计方法,提高实验设计的能力,丰富了学生的思路,启迪了思维。
4.2学的策略
4.2.1强烈的问题意识问题意识是产生创造性思维的条件。学生一旦有了这种意识,大脑就会处于高度的兴奋状态,大大加快思维活动,想出平时想不到的好办法、好主意、好点子来。
4.2.2积极的个性特征探究性学习需要脑力和体力的高度紧张,这就要求学生具备强烈的好奇心和求知欲,坚强的自信心与耐心,坚忍不拔的意志与恒心。因此,积极的个性心理特征是开展探究性学习的必要条件。
4.2.3怀疑的思维品质留心观察,勤于思考,常会产生疑问:①实验的材料能否用其它材料代替?②能不能改进一下实验的用具和装置?③实验的步骤是否可以设计得更简单些?…由观察v生疑v解疑v创新,这是实验教学中培养创新能力的有效途径。
4.2.4合作的团队精神不论是小组讨论还是集体讨论,都要敢于发表自己的意见,接受同学们的评价。虚心向他人学习,学会与同学交流,取长补短,共同提高。
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