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提升实验设计能力落地科学探究素养培育

朱俊
摘 要 通过巧用工作单指导实验设计的过程和方法，科学史探究提供实验设计的范例和引领，编制模拟题重视实验设计的检测与评价等方式，提升学生的实验设计能力，落实科学探究素养的培育。
关键词 实验设计 学科关键能力 学科核心素养
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
生物学是一门实验科学，实验探究能力是生物学科的关键能力之一，而实验设计能力是实验探究能力的一个重要内容。但目前普通高中生物教学中以讲实验、看录像代替学生做实验的现象仍比较普遍，更缺少学生对实验的自主设计，即使是学生进实验室做实验，也是按照教师规定的步骤去操作。
实验设计是指在进行生物学实验前根据一定的目的和要求，运用生物学的知识和原理，对实验材料、实验对照、实验变量、实验观察指标、实验方法步骤等进行精心预设和计划，并制定实验方案。
指导学生开展实验设计，培养学生实验设计能力，是提高学生科学素养、培养学生创新精神、发展学生科学探究能力的一个重要环节。学生按照教教师设计的实验方案一步一步操作，就不可能有自己的探究和创新。所以，《普通高中生物课程标准（实验）》强调要帮助学生“学会设计可行的实验方案”。近几年各地的高考也已将实验设计和实验分析作为生物学科的重要考查内容。江苏省从2000年生物恢复高考到现在，每年的高考试题中都有涉及实验设计的题型，而且分值所占的比例较大。这类题型知识面广，综合性强，能力要求高，有利于考查学生的科学探究能力。因此，教师在生物教学中必须重视组织和指导学生开展实验设计，努力提高学生实验设计的能力。
1 巧用工作单：指导实验设计的过程和方法
提高学生实验设计能力，教师必须放手让学生自主设计，并着力指导学生实验设计的基本方法。
一个完整的实验设计方案一般包括以下内容：实验名称（研究课题）；实验目的；实验原理；实验假说；实验预测；实验操作方法与步骤；实验观察或测量记录；分析数据，得出结论并交流。教师在实验教学中，可根据教学内容精心创设问题情境，引领学生学习和探究，指导学生利用“实验设计方案工作单”进行实验设计。
案例1：探究温度对酶活性的影响。
在学生进行实验设计之前，教师先引导学生讨论下列几个问题：
① 请从下述所给的材料中选择你所要的物质和对应酶，并说出你的理由。实验材料：淀粉、淀粉酶、H2O2溶液，新鲜的猪肝磨液（含H2O2酶），碘液、斐林试剂、酒精灯、火柴、试管等。
② 此实验设计中实验变量是什么？应该至少设计几组对照实验？分别是哪几组？
③ 在实验处理中应排除哪些无关因素的影响？怎样排除？
在问题探讨的基础上，教师指导学生根据“实验设计方案工作单”（表1）进行实验设计，形成实验方案。
学生完成实验设计、制定实验设计方案后，以小组为单位进行交流研讨，或在全班进行交流教师进一步组织学生分析完善自己制作的“实验设计方案工作单”，充分做好实验的准备。然后再组织学生根据设计的方案完成实验，并仔细观察是否达到预期的实验结果。如果达不到预期的效果，学生再反思实验设计方案的准确性和科学性，改进实验方案。这样一个“设计——交流——操作——反思”的活动过程，必然能有效提高学生的思维能力、实验设计能力和实验探究能力。
2 科学史探究：提供实验设计的范例
科学发展史就是人类不断探究，发现和创新的历史，是不断发现问题、提出问题、解决问题，不断地思考、质疑、再提出新问题和新方法的科学探究过程。科学史不仅描述了科学技术产生发展的历史，而且反映了科学家探究活动过程与探究方法，是学生理解科学、掌握科学方法的最好范例。因此在科学史教学时，教師不能只注重科学家的结论，更要注重科学家进行科学探究的方法，这样不仅有助于学生了解每个知识点的来龙去脉，而且能够从中获得许多关于科学实验、科学探究的思想启迪和方法启示。
案例2：光合作用的探究历程。
笔者在指导学生学习“光合作用的发现过程”这一内容后，要求学生归纳：科学家探究植物光合作用的一般过程，说说科学家做实验时想知道些什么。
接着，教师要求学生探讨以下问题：植物为什么能清新空气？光合作用的氧气是哪里产生的，需要什么条件？光合作用产生的氧气中的氧来源哪里？
教师要求学生根据历史上科学家所做的实验，推测科学家作出的假设、取得的预期结果；并要求学生模仿科学家的探究过程设计实验，探究植物利用水和二氧化碳制造的有机物是不是淀粉。学生在探讨上述问题的基础上，很快设计出实验步骤：暗处理—照光—脱色—漂洗—加碘。这样的设计不是简单的模仿，而是学生依据实验原理自己研究出来的成果。
学生基于科学家实验探究的经典范例，从模仿到独立思考和创新，不仅很快就能设计出正确的实验方案，而且领悟了科学探究的一般过程，进一步明确了科学实验的关键要素：形成假说、确定实验目的，依据目的选择适宜的实验材料和实验方法，确定和控制变量以保证实验准确有效。
3 模拟题编制：重视实验设计的检测与评价
培养学生的实验设计能力，教师还必须重视对学生实验设计的检测和评价，通过检测评价及时了解学生实验设计的学习情况，并进一步有针对性地予以训练和方法指导。笔者一方面经常结合教学内容，布置一些实验设计的练习题，在期中或期末测试中编制一些带有实验设计要求的实验试题，对学生进行检测评价；另一方面精选一些高考试卷、本地高考复习调研试卷上的实验试题，让学生练习，并进行检测评价。
生物学实验试题既能考查学生在自然科学研究方面的潜质，又能考查学生在生命科学研究方面的特质，还能有效检测学生的实验设计和实验分析能力。特别是高考中的实验题，具有经典性、示范性，是组织学生进行实验设计练习和检测的很好的资源。笔者分析高考中的实验试题，可分为实验设计题、实验操作技能题、实验试剂材料选择题、实验原理理解应用题、实验结果分析处理题和实验评价改进题6种类型。
案例3：（根据2012年江苏高考题改编）为探究低浓度NaHSO3溶液对水稻光合速率的影响，某研究小组做了如下实验，请完成实验报告并回答下列问题：
（1）实验报告：① 材料用具：盆栽水稻若干株，1 mmol/LNaHSO3溶液，蒸馏水，喷壶，光合分析测定仪等。② 实验步骤：第一步：选取若干的 水稻植株随机平均分成甲、乙两组，甲组为对照组，乙组为实验组。第二步：每天傍晚分别将等量的 、 喷洒在甲、乙两组的水稻叶片上，次日上午测定光合速率。③ 结果与分析：实验结果见图1，经分析可以得出的结论是 。
（2） 研究发现NaHSO3增加了叶片内叶绿体形成ATP的能力，推测其作用部位是叶绿体的 ，进而加快对图2中 （填字母A～D）物质的利用。
本题主要考查了实验设计的基本原理和方法，以及相关实验分析能力和实验结果的表示方法。选择这样的实验题或编制这样的实验题，供学生练习，或用于考查学生的实验水平，能为学生开展实验设计、实验分析提供很好的示范。学生在这样的练习和考查中不仅能得到有效训练，而且能获得思想启示，学到科学方法。
参考文献：
[1] 李能国.生物学科能力表现与关键能力的分析[J].中学生物教学，2015（5）：12-14.
[2] 王永胜等.生物学核心概念的发展—高中生物新课程的科学史资源[M].北京：人民教育出版社，2007.
[3] 中华人民共和国教育部制订.普通高中生物课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2012.endprint

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