王元潔 任山章（杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院 浙江杭州 310036）

生物實驗對于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。“分子與細胞”模塊是中美兩國共有的必修內(nèi)容之一，也是學習其他模塊的基礎(chǔ)?！犊茖W發(fā)現(xiàn)者·生物生命的動力》（《Biology：The Dynamics of Life》）是美國高中生物主流教材之一，在美國使用較廣（以下簡稱美國教材）。通過人教版、浙科版與美國教材“分子與細胞”模塊的實驗進行比較，為中美教材中這一部分的實驗特色做出評價。

表1 三個版本教材“分子與細胞”模塊生物實驗體系及編排

1 中美教材“分子與細胞”模塊實驗體系及編排特點

中美教材“分子與細胞”模塊實驗的體系及編排各具特色見表1。人教版的“分子與細胞”模塊中，實驗部分主要分為實驗、技能訓練、模型建構(gòu)、探究等欄目，共計22個實驗。浙科版這一模塊的實驗主要分為活動、建議活動和演示3個欄目，共計19個實驗。美國教材中這一內(nèi)容的實驗部分單獨設(shè)立了“實驗目錄”，體系及編排十分清晰，包括實驗設(shè)計、迷你實驗、網(wǎng)絡(luò)生物實驗、技能實驗和調(diào)查實驗，共計22個實驗。

三個版本教材中“分子與細胞”模塊中實驗數(shù)量基本一致。由上述對三個版本教材實驗部分體系的介紹可知，人教版和美國教材的實驗欄目類型多樣、分類清晰，而浙科版教材只有三個欄目，其中“活動”欄目稱謂與生物課程標準一致，包括了實驗、探究等。浙科版教材中特有的是“演示”和“建議活動”欄目：演示實驗通過教師操作，讓學生在觀察與思考中體驗整個研究過程，一方面給予學生正確示范，規(guī)范學生的實驗操作，另一方面也可以節(jié)約課堂時間，做到有序而高效；“建議活動”給學校師生更大的選擇空間，有利于拓展學生實驗探究能力，提升科學思維。而美國教材中特有的網(wǎng)絡(luò)生物實驗是通過網(wǎng)絡(luò)平臺收集、上傳數(shù)據(jù)并進行交流分享，以提升學生的信息素養(yǎng)。

2 中美教材中“分子與細胞”部分實驗的難度比較

2.1 生物實驗難度模型

生物實驗的難度水平也是評價教材的一個重要指標，受實驗背景、類型、目標等諸多因素的影響。對于生物實驗難度的比較研究，主要借鑒鮑建生教授建構(gòu)的數(shù)學題綜合難度模型和陳玉彬的物理實驗綜合難度模型，在此基礎(chǔ)上針對生物實驗特點，建立了實驗背景、實驗類型、實驗目標、開放度、實驗器材、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理和討論分析八個指標的生物實驗難度模型，并對這8個指標進行不同等級水平的劃分。實驗背景分為三級，依次為提示與生活經(jīng)驗的聯(lián)系、提供科學理論背景、不提供實驗背景；實驗類型劃分為演示型、操作型、探究型三個等級；實驗目標依據(jù)個數(shù)分為四個等級；實驗開放度由研究問題、方案、結(jié)果的開放程度分為四個等級；實驗器材分為1～4個、5～8個、9個及以上3個等級；實驗步驟也依次分為1～4個、5～8個、9個及以上3個等級；數(shù)據(jù)處理分為簡單處理、簡單運算、圖表分析三個等級；分析討論依據(jù)問題的個數(shù)分為1～2個、3～4個、5個及以上3個等級。等級由低到高從1開始依次賦值。根據(jù)上述等級值統(tǒng)計實驗樣本的加權(quán)平均數(shù)，計算公式為：

其中，上式中的di（i=1，2，3，4，5，6，7，8）依次代表實驗背景、實驗類型、實驗目標、實驗開放度、實驗器材、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理和討論分析8個難度指標上的取值；dij為第i個難度指標上的第j個等級水平的權(quán)重取值（依次為1、2、3、…）；“nij”則表示這版本教材中屬于第i個難度指標的第j個等級水平的實驗的個數(shù)，n為該版本選擇比較的實驗的個數(shù)。

2.2 中美高中生物教材分子與細胞模塊共有實驗的難度比較

為使研究結(jié)果具有更好的可比性，本研究選取三個版本教材“分子與細胞”模塊中主題相同的實驗作為研究對象。因此在三個版本教材中選取了細胞形態(tài)觀察、細胞器觀察、酶活性、光合色素、光合作用強度、細胞大小、細胞有絲分裂8個主題，各8個，共計24個實驗進行了評分和統(tǒng)計，見表2。

表2 實驗難度因素量化指標

將表中的加權(quán)平均數(shù)繪制成雷達圖，得到三個版本生物教材“分子與細胞”模塊中相同主題實驗的難度模型圖（圖1）。

圖1 三個版本教材“分子與細胞”模塊共有實驗難度模型圖

從總體趨勢上可以看出，美國教材實驗設(shè)置的難度在各方面都比較均衡。人教版教材在實驗目的、實驗開放水平、實驗器材和實驗步驟方面的難度均高于另外兩個版本教材；而在數(shù)據(jù)處理、分析討論、實驗背景等維度的難度水平較低。這體現(xiàn)了人教版教材中實驗的設(shè)置更加注重培養(yǎng)學生自主設(shè)計實驗及學生的動手實踐能力，而美國教材中的實驗設(shè)置更注重數(shù)據(jù)處理與分析討論，鍛煉學生的科學思維。

3 啟示

3.1 優(yōu)化實驗設(shè)計與欄目編排

人教版教材和美國教材實驗欄目類型多樣，美國教材中這一內(nèi)容的實驗部分單獨設(shè)立了“實驗目錄”，體系及編排十分清晰，包括實驗設(shè)計、迷你實驗、網(wǎng)絡(luò)生物實驗、技能實驗和調(diào)查實驗5個欄目。其中迷你實驗具有取材易、效果顯著、切口小、層次深的特點。還具有激發(fā)學習興趣、鞏固理解、提高技能和聯(lián)系生活等作用。網(wǎng)絡(luò)生物實驗充分利用互聯(lián)網(wǎng)打造生物實驗教學的配套資源，有利于增強學生獨立自主解決問題的能力?，F(xiàn)在中學生物學實驗經(jīng)常面臨課時少、時間緊的問題，建立這些欄目的實驗可以有效節(jié)約課堂時間，并有效拓寬課堂外的學習。

3.2 注重實驗數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)

實驗數(shù)據(jù)是指學生在探究過程中獲得的各種證據(jù)，包括觀察、測量、實驗和調(diào)查等活動中所獲得的各種數(shù)據(jù)及現(xiàn)象。數(shù)據(jù)處理是科學探究活動中的一個重要環(huán)節(jié)，也是學生形成科學概念的橋梁?？茖W地處理數(shù)據(jù)對于培養(yǎng)學生的實證意識以及科學概念的形成具有重要意義。

在人教版和美國教材中的技能訓練（技能實驗）中，有專門針對培養(yǎng)數(shù)據(jù)處理技能的實驗，如運用數(shù)學工具、因果推斷、解釋數(shù)據(jù)等。這些實驗不需要使用實驗儀器，著重培養(yǎng)學生的探究與思維能力，值得借鑒和學習。在對數(shù)據(jù)進行分析時，教師可以運用數(shù)學工具，鍛煉學生學會選擇合適的工具并繪制合適的圖表建立變量的量化圖，科學地處理實驗數(shù)據(jù)。教師要引導學生意識到數(shù)學是用來描述和表示變量之間特性，以及進行邏輯推理的有效工具。一些觀察型實驗還可以加入學生自己的生物繪圖，有條件時教師還可以借助拍照，錄像等輔助手段幫助記錄。

3.3 關(guān)注實驗后的分析討論

科學知識不僅僅建立在經(jīng)驗和實驗流程上，還依靠邏輯，反思等思維方式詮釋和解讀許多不同的經(jīng)驗和實驗的數(shù)據(jù)。在一定程度上，只有科學教育可以支持學生發(fā)展科學思維能力，可以促進學生重要科學思維習慣和特征的養(yǎng)成，幫助學生發(fā)展最科學的數(shù)據(jù)—理論協(xié)調(diào)能力，并培養(yǎng)學生的耐心，交流，發(fā)散思想。因此教材中實驗分析討論部分設(shè)置的問題應有層次性，層層深入，引導學生進行科學推導，使學生經(jīng)歷比較完整的思維過程，能獨立做出決斷，得出自己的結(jié)論，形成自己的科學認識。美國教材中還重視學生使用科學術(shù)語和簡單圖示來描述實驗過程和實驗結(jié)論，鍛煉學生把獨立的數(shù)據(jù)聯(lián)系成一個比較系統(tǒng)的整體，綜合分析并認識事物發(fā)展變化的規(guī)律。最后，教材還應重視引導學生開展討論和交流活動，鼓勵學生發(fā)表自己的探究成果和方法、傾聽他人的探究經(jīng)驗，并進行客觀的比較和鑒別，學會從不同的角度改進自己的學習經(jīng)驗，克服獨立探究中的片面性和局限性，正確理解所獲得的知識。