基于假設(shè)開展有效實驗探究

張培賢

摘 要 以“探究螞蟻的通訊”為例，引導(dǎo)學(xué)生基于合理科學(xué)進行假設(shè)，對課本實驗方案進行改進，取得了良好的實驗效果，在過程中關(guān)注了學(xué)生的科學(xué)思維的發(fā)展，提升了學(xué)生的實驗探究能力。

關(guān)鍵詞 合理假設(shè) 有效探究 實驗方案改進

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 V

探究教學(xué)是將科學(xué)探究導(dǎo)入教學(xué)實踐中，并通過學(xué)生自己的探究來形成對知識的理解與掌握。生物是重要的實驗學(xué)科，因此在實驗教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生從實驗中獲取知識、發(fā)展能力具有重要意義。此外，生物學(xué)科的核心素養(yǎng)之一即培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力。但有些實驗探究表面非常熱鬧，看似學(xué)生“動”起來了，但其實過程中缺乏科學(xué)性，學(xué)生思維偏離探究方向。這樣的科學(xué)探究并不能有助于學(xué)生形成科學(xué)縝密的邏輯思維，更不能真正培養(yǎng)學(xué)生的獨立實驗探究能力。出現(xiàn)這種情況的原因之一往往是學(xué)生對要探究的問題沒有科學(xué)的認識及假設(shè)，同時也缺乏有邏輯的思考和分析。

1 合理假設(shè)是開展有效實驗探究的基礎(chǔ)

1.1 假設(shè)與實驗探究的關(guān)系

實驗探究的一般步驟有提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計及實施實驗、得出結(jié)論、表達交流。探究活動的核心是“做出假設(shè)”與“設(shè)計及實施實驗”兩個環(huán)節(jié)。恩格斯說：“只要自然科學(xué)還在思維著，他的存在方式就是假設(shè)?！薄凹僭O(shè)”是指學(xué)生根據(jù)已積累的學(xué)習經(jīng)驗，對需要探究的問題猜想出來的一種或多種可能的答案或結(jié)論。它是科學(xué)探究的重要特征之一，也是設(shè)計及實施實驗的基礎(chǔ)。任何假設(shè)與猜想都必須通過實驗“驗證”。在這個過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過邏輯與推理，把假設(shè)變成可行的、具體的實驗方案并進行驗證。

1.2 合理假設(shè)與實驗設(shè)計的關(guān)系

面對探究問題，學(xué)生作出的假設(shè)若是荒謬或明顯錯誤的，后面的實驗設(shè)計與實施也必定漏洞百出，此探究實驗也是無意義的。只有依據(jù)科學(xué)常識或日常經(jīng)驗作出假設(shè)，才能確保實驗探究的有效性。在實驗探究的過程中再來判斷假設(shè)的合理性，并不斷進行改進和完善。

2 基于假設(shè)的實驗探究及案例分析

“螞蟻的通訊”是人教版八年級上冊“社會行為”一課中的探究實驗。對于“螞蟻如何進行通訊？”這一探究問題，很多學(xué)生依據(jù)自己從書籍、視頻資料中積累的經(jīng)驗給出了“通過氣味通訊”這一合理假設(shè)。接著，學(xué)生就需根據(jù)假設(shè)，設(shè)計并實施可行、具體的實驗方案來判斷假設(shè)是否正確。

2.1 實驗1：原方案

方案：將ABC三塊石頭放在盛有水的盤中，形成三座小島（圖1）。將誘捕到的多只同窩饑餓處理的螞蟻放在B島，食物放在C島，在BC與AB之間用細木條架設(shè)小橋，一段時間后將BC與AB交換，觀察螞蟻的動向。

預(yù)期：基于螞蟻依靠氣味通訊的假設(shè)，最初螞蟻應(yīng)沿BC橋來到C島覓食。換橋后，螞蟻應(yīng)沿留有氣味的原BC橋到A島。從而可以證明假設(shè)。

實際結(jié)果：實施實驗后發(fā)現(xiàn)，從實驗開始B島上的螞蟻就四處亂爬，約一半的螞蟻無心覓食。換橋后，螞蟻也沒有絲毫預(yù)期的行動跡象。

分析：學(xué)生經(jīng)過討論分析，初步判斷螞蟻從自然環(huán)境到陌生的實驗室環(huán)境，行為慌亂，因此無法正常開展實驗。改進辦法便是將實驗地點搬到自然環(huán)境中。

2.2 實驗2：改進后的實驗

方案：學(xué)生課間在校園中四處尋找螞蟻窩，終于找到了幾處螞蟻數(shù)量較多的螞蟻窩。在清晨，螞蟻饑餓感最強的時候來進行實驗。為方便爬向所架設(shè)的實驗器材，學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一座新橋，命名橋1，連通螞蟻窩與中轉(zhuǎn)島B。橋2連通島BC，橋3連通島AB（圖2）。一段時間后，將橋2與橋3互換，觀察螞蟻動向。

預(yù)期：換橋前，大量螞蟻沿著橋1來到島B，又沿著橋2來到島C覓食，橋3上的螞蟻雖有但數(shù)量很少?；Q后，大量螞蟻沿著橋2的氣味到島A，而橋3螞蟻較少。

實際結(jié)果：實驗進展得很順利，換橋前與預(yù)期一致，但換橋后，卻沒有看到預(yù)期的現(xiàn)象。雖有一些螞蟻沿橋2來到了島A，但更多的螞蟻卻沿橋3來到了島C。

分析：學(xué)生在懷疑假設(shè)正確性的同時，也在反思著自己的實驗設(shè)計。他們發(fā)現(xiàn)如果假設(shè)正確，換橋后，此實驗存在了橋上留有的氣味和食物的有無2個變量。但對照實驗強調(diào)單一變量，學(xué)生再次調(diào)整，去掉換橋后的食物，重新實驗。

2.3 實驗3：再改進的實驗

方案：保留實驗2的前半段，換橋后，學(xué)生重新替換了島C，確保島C沒有食物及食物氣味殘留，保證此實驗只有橋上的氣味這一變量（圖3）。

預(yù)期：在排除干擾后，更多的螞蟻沿著橋2來到了A島。

實際結(jié)果：與預(yù)期一致。

分析：證明了假設(shè)是正確的，螞蟻的確在橋上留下了氣味，而螞蟻確實也依靠氣味來進行通訊。

總之，實驗“螞蟻的通訊”能夠成功，原因便是學(xué)生做出了科學(xué)的假設(shè)，并及時根據(jù)反思，調(diào)整實驗方案。一開始，部分學(xué)生對此探究問題的假設(shè)是低層次的，如超聲波、跳舞等，可見學(xué)生作出假設(shè)的能力還需培養(yǎng)。假設(shè)的不合理必然導(dǎo)致探究實驗的低效，需經(jīng)常變更假設(shè)。隨意地變更假設(shè)不利于學(xué)生培養(yǎng)系統(tǒng)深入的科學(xué)思維能力和實驗探究能力。因此在實驗設(shè)計之前，教師通過運用歸納法、演繹法、分類法、類比法等方法，引導(dǎo)學(xué)生開展討論分析，提出較科學(xué)的假設(shè)。這樣才能基于假設(shè)，有效地開展實驗探究。