朱俊

摘 要 通過巧用工作單指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程和方法，科學(xué)史探究提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的范例和引領(lǐng)，編制模擬題重視實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢測與評價(jià)等方式，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，落實(shí)科學(xué)探究素養(yǎng)的培育。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 學(xué)科關(guān)鍵能力 學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)探究能力是生物學(xué)科的關(guān)鍵能力之一，而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是實(shí)驗(yàn)探究能力的一個(gè)重要內(nèi)容。但目前普通高中生物教學(xué)中以講實(shí)驗(yàn)、看錄像代替學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象仍比較普遍，更缺少學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)，即使是學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，也是按照教師規(guī)定的步驟去操作。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指在進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)前根據(jù)一定的目的和要求，運(yùn)用生物學(xué)的知識(shí)和原理，對實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)對照、實(shí)驗(yàn)變量、實(shí)驗(yàn)觀察指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)方法步驟等進(jìn)行精心預(yù)設(shè)和計(jì)劃，并制定實(shí)驗(yàn)方案。

指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。學(xué)生按照教教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》強(qiáng)調(diào)要幫助學(xué)生“學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案”。近幾年各地的高考也已將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析作為生物學(xué)科的重要考查內(nèi)容。江蘇省從2000年生物恢復(fù)高考到現(xiàn)在，每年的高考試題中都有涉及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的題型，而且分值所占的比例較大。這類題型知識(shí)面廣，綜合性強(qiáng)，能力要求高，有利于考查學(xué)生的科學(xué)探究能力。因此，教師在生物教學(xué)中必須重視組織和指導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，努力提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。

1 巧用工作單：指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程和方法

提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，教師必須放手讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)，并著力指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法。

一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一般包括以下內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)名稱（研究課題）；實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?shí)驗(yàn)原理；實(shí)驗(yàn)假說；實(shí)驗(yàn)預(yù)測；實(shí)驗(yàn)操作方法與步驟；實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容精心創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探究，指導(dǎo)學(xué)生利用“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案工作單”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

案例1：探究溫度對酶活性的影響。

在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之前，教師先引導(dǎo)學(xué)生討論下列幾個(gè)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(yīng)酶，并說出你的理由。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)變量是什么？應(yīng)該至少設(shè)計(jì)幾組對照實(shí)驗(yàn)？分別是哪幾組？

③ 在實(shí)驗(yàn)處理中應(yīng)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(dǎo)學(xué)生根據(jù)“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案工作單”（表1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，形成實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、制定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案后，以小組為單位進(jìn)行交流研討，或在全班進(jìn)行交流。教師進(jìn)一步組織學(xué)生分析完善自己制作的“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案工作單”，充分做好實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備。然后再組織學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的方案完成實(shí)驗(yàn)，并仔細(xì)觀察是否達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果達(dá)不到預(yù)期的效果，學(xué)生再反思實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。這樣一個(gè)“設(shè)計(jì)——交流——操作——反思”的活動(dòng)過程，必然能有效提高學(xué)生的思維能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和實(shí)驗(yàn)探究能力。

2 科學(xué)史探究：提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的范例

科學(xué)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(xué)探究過程?？茖W(xué)史不僅描述了科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生發(fā)展的歷史，而且反映了科學(xué)家探究活動(dòng)過程與探究方法，是學(xué)生理解科學(xué)、掌握科學(xué)方法的最好范例。因此在科學(xué)史教學(xué)時(shí)，教師不能只注重科學(xué)家的結(jié)論，更要注重科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的方法，這樣不僅有助于學(xué)生了解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的來龍去脈，而且能夠從中獲得許多關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)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(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“光合作用的發(fā)現(xiàn)過程”這一內(nèi)容后，要求學(xué)生歸納：科學(xué)家探究植物光合作用的一般過程，說說科學(xué)家做實(shí)驗(yàn)時(shí)想知道些什么。

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

學(xué)生基于科學(xué)家實(shí)驗(yàn)探究的經(jīng)典范例，從模仿到獨(dú)立思考和創(chuàng)新，不僅很快就能設(shè)計(jì)出正確的實(shí)驗(yàn)方案，而且領(lǐng)悟了科學(xué)探究的一般過程，進(jìn)一步明確了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵要素：形成假說、確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罁?jù)目的選擇適宜的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法，確定和控制變量以保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確有效。

3 模擬題編制：重視實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢測與評價(jià)

培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，教師還必須重視對學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的檢測和評價(jià)，通過檢測評價(jià)及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)情況，并進(jìn)一步有針對性地予以訓(xùn)練和方法指導(dǎo)。筆者一方面經(jīng)常結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，布置一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的練習(xí)題，在期中或期末測試中編制一些帶有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的實(shí)驗(yàn)試題，對學(xué)生進(jìn)行檢測評價(jià)；另一方面精選一些高考試卷、本地高考復(fù)習(xí)調(diào)研試卷上的實(shí)驗(yàn)試題，讓學(xué)生練習(xí)，并進(jìn)行檢測評價(jià)。

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)試題既能考查學(xué)生在自然科學(xué)研究方面的潛質(zhì)，又能考查學(xué)生在生命科學(xué)研究方面的特質(zhì)，還能有效檢測學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析能力。特別是高考中的實(shí)驗(yàn)題，具有經(jīng)典性、示范性，是組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)練習(xí)和檢測的很好的資源。筆者分析高考中的實(shí)驗(yàn)試題，可分為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題、實(shí)驗(yàn)操作技能題、實(shí)驗(yàn)試劑材料選擇題、實(shí)驗(yàn)原理理解應(yīng)用題、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析處理題和實(shí)驗(yàn)評價(jià)改進(jìn)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(shí)驗(yàn)，請完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并回答下列問題：

（1）實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)步驟：第一步：選取若干的 水稻植株隨機(jī)平均分成甲、乙兩組，甲組為對照組，乙組為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理和方法，以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表示方法。選擇這樣的實(shí)驗(yàn)題或編制這樣的實(shí)驗(yàn)題，供學(xué)生練習(xí)，或用于考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，能為學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析提供很好的示范。學(xué)生在這樣的練習(xí)和考查中不僅能得到有效訓(xùn)練，而且能獲得思想啟示，學(xué)到科學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 王永勝等.生物學(xué)核心概念的發(fā)展—高中生物新課程的科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2012.endprint