例談提升探究能力的定量實驗

邰玉韋

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0045 - 03

初中生物課程的核心目標(biāo)是提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力，增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)探究的理解?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》中，在“教學(xué)建議”中明確指出：在重視定性實驗的同時，也應(yīng)重視定量實驗，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)向?qū)W生提供機(jī)會學(xué)習(xí)量的測定，實事求是地記錄、整理和分析實驗數(shù)據(jù)、定量表述實驗結(jié)果等。下面結(jié)合探究性教學(xué)的實踐案例，淺談開發(fā)和利用“定量實驗”，促進(jìn)探究能力多層次的發(fā)展。

1 重視“定量實驗”思維意識的培養(yǎng)

生物學(xué)新課標(biāo)中共建議了9個探究實驗：① 探究影響鼠婦（或蚯蚓等）分布的環(huán)境因素；② 探究種子萌發(fā)的外界條件；③ 探究光合作用的條件、原料和產(chǎn)物；④ 探究饅頭在口腔中的化學(xué)性消化；⑤ 探究幾種食物熱價的差異；⑥ 探究螞蟻或其他動物的行為；⑦ 探究食品保存的方法；⑧ 探究“酸雨”的危害；⑨ 探究酒精對水蚤心率的影響。不同的探究實驗對培養(yǎng)科學(xué)探究能力所起的作用不同，但從實驗結(jié)果的性質(zhì)上可以分為定性實驗和定量實驗，其中“探究幾種食物熱價的差異”是典型的定量實驗。在初中階段，定性實驗較多，定量實驗較少，符合初中生的認(rèn)知特點和思維能力層次。

但在實際教學(xué)中，因“探究幾種食物熱價的差異”的實驗操作復(fù)雜，如“天平”的使用、“量筒”的使用等，教師因畏難情緒而放棄對該實驗的實際探究。這樣做淡化了對學(xué)生“定量”思維意識的培養(yǎng)，凸顯了學(xué)生探究能力層次的欠缺和探究教學(xué)思維深度的不夠。同時，在許多實驗操作中，尤其對實驗室的某些實驗儀器的科學(xué)操作中，學(xué)生縮手縮腳，畏難情緒常見，主要原因是他們不了解一些儀器和用具的基本用法。在初一教學(xué)中，許多教師會重視“顯微鏡的使用”這部分教學(xué)內(nèi)容，但在“其他常用的探究器具”教學(xué)內(nèi)容中，如量筒、天平等計量器具和試管、滴管、培養(yǎng)皿等通用器具，許多教師都是紙上談兵。如果教師能在課堂中，讓學(xué)生摸一摸、量一量這些探究實驗教學(xué)中可能用到的實驗儀器，一方面，學(xué)生可以掌握基本的實驗技能；另一方面，有利于培養(yǎng)學(xué)生實驗教學(xué)中嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)的思維意識，尤其是“量”意識。因此，重視“定量實驗”思維意識的培養(yǎng)，應(yīng)從基本的實驗常識開始。

2 重視基于“數(shù)據(jù)”探究教學(xué)的概念形成

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》提出了“關(guān)注重要概念的學(xué)習(xí)”的新理念，且篩選并呈現(xiàn)了50個生物學(xué)重要概念。落實新課程的“定量”理念和要求，滲透觀察測量等實驗方法，把數(shù)據(jù)整理成證據(jù)，使探究活動變得更真實、更準(zhǔn)確，有利于提高科學(xué)探究的效率，幫助學(xué)生在定量思維的基礎(chǔ)上建構(gòu)概念。

案例1：在“探究鳥類適合飛行的特征”教學(xué)中，可以讓學(xué)生用軟尺和直尺測量比較家鴿前后翼展開的面積；測量比較家鴿與人胸肌與胸骨的不同；用聽診器測量比較人與家鴿的心率（每分鐘心跳次數(shù)）；用溫度計測量比較家鴿與人的體溫等。

案例2：在“探究幾種常見食物熱價的差異”的教學(xué)中，讓學(xué)生親自用天平、家庭電子秤稱出花生、爆米花、油面筋、核桃仁等各0.5 g；讓學(xué)生親自用量筒量出水20 mL；讓學(xué)生親自用溫度計測一測食物燃燒前后水的溫度變化；讓學(xué)生親自算一算不同食物之間熱價的差異；讓學(xué)生親自參與實驗材料的準(zhǔn)備工作，如紙杯預(yù)處理：在紙杯下方剪開一個寬4 cm、高5 cm的開口……這些都是學(xué)生感興趣的環(huán)節(jié)。

案例3：在“骨的特性與骨的成分之間的關(guān)系”教學(xué)中，教師選擇一段較大的魚肋骨，先讓學(xué)生稱一稱其質(zhì)量，然后再將其浸入盛有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸的試管中。待魚肋骨的周圍不再有氣泡產(chǎn)生時，取出魚肋骨并將其表面鹽酸擦拭干凈，然后稱一稱這時的魚骨質(zhì)量。要求學(xué)生算一算骨內(nèi)有機(jī)物和無機(jī)物的含量比例。

案例4：在“探究小腸是消化和吸收的主要器官”教學(xué)中，要讓學(xué)生理解小腸絨毛可以增大小腸的消化和吸收面積，僅僅用百褶裙比直筒裙的面積大小來比喻是不夠的，教師還要讓學(xué)生用筆算一算：小腸長約5～6 m，內(nèi)直徑平均約為3 cm時，如果小腸內(nèi)壁是平整光滑的管狀，那么表面積不到0.5 m2，而事實上小腸內(nèi)壁的表面積是200～300 m2，是前者的600倍，相當(dāng)于一個排球場的占地面積。這樣的教學(xué)對建構(gòu)概念更有意義。

案例5：在“人體內(nèi)的氣體交換”教學(xué)中，理解肺泡與血液間發(fā)生氣體交換的原理、血液與組織細(xì)胞間發(fā)生氣體交換的原理以及交換后血液成分的變化是本節(jié)課重點和難點。如果教師在教學(xué)中呈現(xiàn)表1和表2，即肺泡處和組織細(xì)胞處氧氣與二氧化碳的壓力比較，再結(jié)合其他教學(xué)手段，將會更有效突破重難點。

3 凸顯“定量實驗”探究設(shè)計，提升探究能力

定量實驗在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，提高思維的邏輯性和深刻性等方面具有重要作用。定量實驗的設(shè)計是為了克服偶然誤差。學(xué)生因缺乏“量”的概念和意識，常常在設(shè)計實驗方案時帶有一定的盲目性和隨意性。教師可以有意識地將定性實驗教學(xué)設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉嶒灥慕虒W(xué)設(shè)計，即在教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)以突出定量實驗的設(shè)計思維為主線，遵循對照原則、單一變量原則展開實驗教學(xué)設(shè)計。

案例6：蘇教版七年級上冊“實驗：植物的呼吸作用”一節(jié)中，筆者的指導(dǎo)如下：（1） 學(xué)生4人一組，提前1 d，將新鮮的和用沸水處理了2～3 min的同一種蔬菜各100 g分別裝入2個不漏氣的黑色塑料袋中，插入軟管后適當(dāng)?shù)卦o袋口，并用止水夾夾緊軟管，裝置不加標(biāo)記。（2） 實驗時每組隨機(jī)取一袋蔬菜，將軟管插入盛有澄清的石灰水的錐形瓶中，移開止水夾，輕輕地擠壓塑料袋，觀察石灰水是否變渾濁。

為進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的探究能力，可以將本實驗改為定量的探究性實驗設(shè)計如下：（1） 取等量、適量的白蘿卜、土豆、菠菜、花菜、橘子、豆芽等的根、莖、葉、花、果實和種子六大器官作為實驗材料，4人一組，每兩組同用一種實驗材料，并設(shè)置對照實驗，一份用新鮮的實驗材料，一份用煮熟過的同種實驗材料。（2） 將黑色塑料袋改為用同樣規(guī)格的白色飲料瓶并加蓋密封（引導(dǎo)讓學(xué)生分析為什么放入葉子后塑料瓶要用黑色布包裹）。（3） 實驗時，用20 mL規(guī)格透明塑料瓶裝入10 mL澄清石灰水。（4） 用2個50 mL規(guī)格的注射器分別從裝有同種實驗材料（新鮮的和煮熟的）的2個飲料瓶中抽出40 mL氣體，然后分別注入到兩個裝有10 mL澄清石灰水的瓶中檢驗（探究部分設(shè)計如表3所示）。

在本節(jié)實際教學(xué)中，教師可以先設(shè)計出幾種不同的實驗方案然后讓學(xué)生分析，對每種實驗方案的可行性、準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案、實驗步驟存在不當(dāng)時，就會主動地設(shè)計出改進(jìn)的實驗方案。然后，教師再啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生將目標(biāo)變量轉(zhuǎn)化為可測量的量，最終形成最佳的定量實驗方案，讓學(xué)生感受設(shè)計量實驗的樂趣。

4 重視定量分析和定性表達(dá)結(jié)果的結(jié)合

科學(xué)探究能力不僅僅是指一系列具體的過程技能，更重要的是掌握基于這些技能來收集、解釋以及論證的科學(xué)思維方式。英國科學(xué)探究能力測評（APU）對科學(xué)探究能力的關(guān)注更多集中于測評學(xué)生的高級思維能力，主要考查學(xué)生在完成探究過程后是否能夠獲得充分的證據(jù)、能否很好地回答探究問題以及對探究作出評價。因此，合理解釋實驗現(xiàn)象，就要對實驗教學(xué)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，即定量分析。教師選取合適的方式從定性、定量結(jié)合的角度闡述實驗結(jié)果，是對探究作出評價的重要環(huán)節(jié)，也是增強(qiáng)學(xué)生探究能力的重要階段。

案例7：“探究幾種常見食物熱價的差異”本節(jié)教學(xué)設(shè)計可以緊緊圍繞“探究實驗方案的設(shè)計、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)的處理與評價”三個環(huán)節(jié)進(jìn)行重難點的突破，實現(xiàn)教學(xué)的優(yōu)化。其中重難點之一是學(xué)生能認(rèn)同在實驗過程要盡量減少熱量的散失，保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。具體的教學(xué)策略可以設(shè)計為：（1） 實驗裝置的甄別”，教師引導(dǎo)學(xué)生建立熱量收集過程中要盡量減少散失的意識。（2） 操作過程中，教師適當(dāng)提醒。（3） 利用“誤差分析”環(huán)節(jié)，教師在引導(dǎo)反思和評價蜞 實驗操作的過程中，進(jìn)一步幫助學(xué)生達(dá)成這一共識。如在“探究分析與得出結(jié)論”環(huán)節(jié)，教師可以出示以下問題：① 為什么水的溫度會升高？② 哪種食物使水升高的溫度最多？這個結(jié)果說明了什么？③ 你所測出的食物熱價符合實際熱價嗎？誤差產(chǎn)生的原因有哪些？教師引導(dǎo)學(xué)生多角度反思實驗操作的過程。通過評價探究過程，學(xué)生會總結(jié)出一些誤差產(chǎn)生的原因，如食物未燃燒充分、中間火熄滅了重新點燃浪費了熱量、動作慢在空中停留時間長等。然后，教師幫助學(xué)生積極尋找解決問題的辦法。在定量分析的基礎(chǔ)上，再定性地表達(dá)實驗結(jié)果，得出科學(xué)的實驗結(jié)論。定量分析和定性表達(dá)的結(jié)合讓學(xué)生充分認(rèn)識了科學(xué)探究的基本思想、方法和素養(yǎng)，體驗探究實驗的魅力。

中學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是分層次、分階段實施的，科學(xué)探究能力的提升也是一個循序漸進(jìn)的過程。只要教師心中有明確的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，尊重學(xué)生的興趣和認(rèn)知心理發(fā)展規(guī)律，在定性探究實驗的基礎(chǔ)上，重視“定量實驗”過程的思維培養(yǎng)，就一定能使學(xué)生的探究能力有進(jìn)一步提升和發(fā)展。