提升實驗設(shè)計能力 落地科學探究素養(yǎng)培育

朱俊

摘 要 通過巧用工作單指導實驗設(shè)計的過程和方法，科學史探究提供實驗設(shè)計的范例和引領(lǐng)，編制模擬題重視實驗設(shè)計的檢測與評價等方式，提升學生的實驗設(shè)計能力，落實科學探究素養(yǎng)的培育。

關(guān)鍵詞 實驗設(shè)計 學科關(guān)鍵能力 學科核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

生物學是一門實驗科學，實驗探究能力是生物學科的關(guān)鍵能力之一，而實驗設(shè)計能力是實驗探究能力的一個重要內(nèi)容。但目前普通高中生物教學中以講實驗、看錄像代替學生做實驗的現(xiàn)象仍比較普遍，更缺少學生對實驗的自主設(shè)計，即使是學生進實驗室做實驗，也是按照教師規(guī)定的步驟去操作。

實驗設(shè)計是指在進行生物學實驗前根據(jù)一定的目的和要求，運用生物學的知識和原理，對實驗材料、實驗對照、實驗變量、實驗觀察指標、實驗方法步驟等進行精心預設(shè)和計劃，并制定實驗方案。

指導學生開展實驗設(shè)計，培養(yǎng)學生實驗設(shè)計能力，是提高學生科學素養(yǎng)、培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、發(fā)展學生科學探究能力的一個重要環(huán)節(jié)。學生按照教教師設(shè)計的實驗方案一步一步操作，就不可能有自己的探究和創(chuàng)新。所以，《普通高中生物課程標準（實驗）》強調(diào)要幫助學生“學會設(shè)計可行的實驗方案”。近幾年各地的高考也已將實驗設(shè)計和實驗分析作為生物學科的重要考查內(nèi)容。江蘇省從2000年生物恢復高考到現(xiàn)在，每年的高考試題中都有涉及實驗設(shè)計的題型，而且分值所占的比例較大。這類題型知識面廣，綜合性強，能力要求高，有利于考查學生的科學探究能力。因此，教師在生物教學中必須重視組織和指導學生開展實驗設(shè)計，努力提高學生實驗設(shè)計的能力。

1 巧用工作單：指導實驗設(shè)計的過程和方法

提高學生實驗設(shè)計能力，教師必須放手讓學生自主設(shè)計，并著力指導學生實驗設(shè)計的基本方法。

一個完整的實驗設(shè)計方案一般包括以下內(nèi)容：實驗名稱（研究課題）；實驗目的；實驗原理；實驗假說；實驗預測；實驗操作方法與步驟；實驗觀察或測量記錄；分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論并交流。教師在實驗教學中，可根據(jù)教學內(nèi)容精心創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學生學習和探究，指導學生利用“實驗設(shè)計方案工作單”進行實驗設(shè)計。

案例1：探究溫度對酶活性的影響。

在學生進行實驗設(shè)計之前，教師先引導學生討論下列幾個問題：

① 請從下述所給的材料中選擇你所要的物質(zhì)和對應酶，并說出你的理由。實驗材料：淀粉、淀粉酶、H2O2溶液，新鮮的豬肝磨液（含H2O2酶），碘液、斐林試劑、酒精燈、火柴、試管等。

② 此實驗設(shè)計中實驗變量是什么？應該至少設(shè)計幾組對照實驗？分別是哪幾組？

③ 在實驗處理中應排除哪些無關(guān)因素的影響？怎樣排除？

在問題探討的基礎(chǔ)上，教師指導學生根據(jù)“實驗設(shè)計方案工作單”（表1）進行實驗設(shè)計，形成實驗方案。

學生完成實驗設(shè)計、制定實驗設(shè)計方案后，以小組為單位進行交流研討，或在全班進行交流。教師進一步組織學生分析完善自己制作的“實驗設(shè)計方案工作單”，充分做好實驗的準備。然后再組織學生根據(jù)設(shè)計的方案完成實驗，并仔細觀察是否達到預期的實驗結(jié)果。如果達不到預期的效果，學生再反思實驗設(shè)計方案的準確性和科學性，改進實驗方案。這樣一個“設(shè)計——交流——操作——反思”的活動過程，必然能有效提高學生的思維能力、實驗設(shè)計能力和實驗探究能力。

2 科學史探究：提供實驗設(shè)計的范例

科學發(fā)展史就是人類不斷探究，發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的歷史，是不斷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，不斷地思考、質(zhì)疑、再提出新問題和新方法的科學探究過程?？茖W史不僅描述了科學技術(shù)產(chǎn)生發(fā)展的歷史，而且反映了科學家探究活動過程與探究方法，是學生理解科學、掌握科學方法的最好范例。因此在科學史教學時，教師不能只注重科學家的結(jié)論，更要注重科學家進行科學探究的方法，這樣不僅有助于學生了解每個知識點的來龍去脈，而且能夠從中獲得許多關(guān)于科學實驗、科學探究的思想啟迪和方法啟示。

案例2：光合作用的探究歷程。

筆者在指導學生學習“光合作用的發(fā)現(xiàn)過程”這一內(nèi)容后，要求學生歸納：科學家探究植物光合作用的一般過程，說說科學家做實驗時想知道些什么。

接著，教師要求學生探討以下問題：植物為什么能清新空氣？光合作用的氧氣是哪里產(chǎn)生的，需要什么條件？光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧來源哪里？

教師要求學生根據(jù)歷史上科學家所做的實驗，推測科學家作出的假設(shè)、取得的預期結(jié)果；并要求學生模仿科學家的探究過程設(shè)計實驗，探究植物利用水和二氧化碳制造的有機物是不是淀粉。學生在探討上述問題的基礎(chǔ)上，很快設(shè)計出實驗步驟：暗處理—照光—脫色—漂洗—加碘。這樣的設(shè)計不是簡單的模仿，而是學生依據(jù)實驗原理自己研究出來的成果。

學生基于科學家實驗探究的經(jīng)典范例，從模仿到獨立思考和創(chuàng)新，不僅很快就能設(shè)計出正確的實驗方案，而且領(lǐng)悟了科學探究的一般過程，進一步明確了科學實驗的關(guān)鍵要素：形成假說、確定實驗目的，依據(jù)目的選擇適宜的實驗材料和實驗方法，確定和控制變量以保證實驗準確有效。

3 模擬題編制：重視實驗設(shè)計的檢測與評價

培養(yǎng)學生的實驗設(shè)計能力，教師還必須重視對學生實驗設(shè)計的檢測和評價，通過檢測評價及時了解學生實驗設(shè)計的學習情況，并進一步有針對性地予以訓練和方法指導。筆者一方面經(jīng)常結(jié)合教學內(nèi)容，布置一些實驗設(shè)計的練習題，在期中或期末測試中編制一些帶有實驗設(shè)計要求的實驗試題，對學生進行檢測評價；另一方面精選一些高考試卷、本地高考復習調(diào)研試卷上的實驗試題，讓學生練習，并進行檢測評價。

生物學實驗試題既能考查學生在自然科學研究方面的潛質(zhì)，又能考查學生在生命科學研究方面的特質(zhì)，還能有效檢測學生的實驗設(shè)計和實驗分析能力。特別是高考中的實驗題，具有經(jīng)典性、示范性，是組織學生進行實驗設(shè)計練習和檢測的很好的資源。筆者分析高考中的實驗試題，可分為實驗設(shè)計題、實驗操作技能題、實驗試劑材料選擇題、實驗原理理解應用題、實驗結(jié)果分析處理題和實驗評價改進題6種類型。

案例3：（根據(jù)2012年江蘇高考題改編）為探究低濃度NaHSO3溶液對水稻光合速率的影響，某研究小組做了如下實驗，請完成實驗報告并回答下列問題：

（1）實驗報告：① 材料用具：盆栽水稻若干株，1 mmol/LNaHSO3溶液，蒸餾水，噴壺，光合分析測定儀等。② 實驗步驟：第一步：選取若干的 水稻植株隨機平均分成甲、乙兩組，甲組為對照組，乙組為實驗組。第二步：每天傍晚分別將等量的 、 噴灑在甲、乙兩組的水稻葉片上，次日上午測定光合速率。③ 結(jié)果與分析：實驗結(jié)果見圖1，經(jīng)分析可以得出的結(jié)論是 。

（2） 研究發(fā)現(xiàn)NaHSO3增加了葉片內(nèi)葉綠體形成ATP的能力，推測其作用部位是葉綠體的 ，進而加快對圖2中 （填字母A～D）物質(zhì)的利用。

本題主要考查了實驗設(shè)計的基本原理和方法，以及相關(guān)實驗分析能力和實驗結(jié)果的表示方法。選擇這樣的實驗題或編制這樣的實驗題，供學生練習，或用于考查學生的實驗水平，能為學生開展實驗設(shè)計、實驗分析提供很好的示范。學生在這樣的練習和考查中不僅能得到有效訓練，而且能獲得思想啟示，學到科學方法。

參考文獻：

[1] 李能國.生物學科能力表現(xiàn)與關(guān)鍵能力的分析[J].中學生物教學，2015（5）：12-14.

[2] 王永勝等.生物學核心概念的發(fā)展—高中生物新課程的科學史資源[M].北京：人民教育出版社，2007.

[3] 中華人民共和國教育部制訂.普通高中生物課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2012.endprint