淺談實驗設計教學的突破點

王洪奎　劉永武

摘要：從抓變量入手確定實驗分組和實驗步驟，通過問題討論體驗科學實驗步驟，培養(yǎng)學生實驗設計和分析能力。

關(guān)鍵詞：實驗教學 教學設計 生物學教學

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼B

實驗設計是考查學生綜合能力的重要評價手段，主要包括分析能力、知識遷移能力、創(chuàng)造能力、想象力和邏輯推理能力等。在探究性課題的教學中，利用有關(guān)原理和實驗材料，利用科學思維的方法，設計實驗教學，可實現(xiàn)開發(fā)學生潛能的目標，培養(yǎng)學生科學思維的良好習慣。教師精心設計實驗教學是提高解決探究性問題的捷徑。通過教學實踐及經(jīng)驗體會，筆者從以下方面展開教學，取得了顯著效果。

1.確定自變量，決定實驗分組

教師引導學生根據(jù)研究課題，確定自變量后，可以決定實驗的分組。引導學生對所研究的課題進行分析，確定自變量的種類是實驗設計問題的首要任務。學生按照對照和單一變量原則，大體可確定實驗的思路。通過針對變量的討論與分析，提高學生科學思維能力，使學生掌握科學思維方法。下面以研究某些課題為例。

1.1一種變量的確定與實驗分組

在實驗設計中，經(jīng)常出現(xiàn)考查探究一種因素對實驗結(jié)果的影響，那么這種影響因素即為自變量，如表1所示。教師要讓學生體會：自變量即為實驗研究的課題因素。

如不同濃度生長素對植物生根影響的實驗，不同濃度生長素是自變量，設計不同自變量時，依據(jù)單一變量和對照原則，要選擇有適宜生根的生長素濃度，且在該濃度的兩側(cè)選擇濃度梯度差相等的多組進行實驗，且要設計一組濃度是0ppm的對照組。接著要求讓學生討論以下問題：為什么要設計0ppm？為什么各組濃度差相等？為什么要有較適宜的生長素濃度的實驗組？通過問題的討論，教師引導學生感悟：依據(jù)自變量分組時要依據(jù)科學性原則，控制出現(xiàn)的無關(guān)變量，減少無關(guān)變量對實驗的干擾。為使學生準確掌握依據(jù)自變量確定實驗分組要領，教師要進行針對性訓練，如溫度對α-淀粉酶活性實驗中，提出以下問題進行討論：在該實驗中自變量是什么？為了避免額外出現(xiàn)無關(guān)變量，在分組實驗時要考慮那些問題？α-淀粉酶的最適宜溫度為60℃左右，不設計60℃或90℃的實驗可以嗎？通過以上問題的討論，完善實驗分組。

1.2兩種及兩種以上變量的確定與實驗分組

兩種及兩種以上影響因素的分組仍然要遵守單一變量和對照原則來體現(xiàn)科學性。為了使學生掌握這類實驗的設計思路，筆者采取分類分析然后進行整合的教學思路，取得了較好的教學效果，舉例如下。

[例1]保水劑是一類高分子聚合物，可提高土壤持水能力及水肥利用率。某生物興趣小組探究“保水劑和氮肥對小麥光合作用的影響”，進行了相關(guān)實驗。

材料用具：相同土壤基質(zhì)栽培的小麥幼苗若干、保水劑、氮肥等。保水劑和氮肥施用量分別為60kg·hm^-2、255kg·hm^-2。

請回答：該實驗應分成幾組開展實驗？寫出該實驗探究步驟。

本實驗探究“保水劑和氮肥對小麥光合作用的影響”，因此可以確定本實驗涉及“保水劑和氮肥”2個自變量的實驗分組問題。為了掌握這類問題的思考方法，筆者特提出以下問題進行討論：①在該實驗中如果分別研究保水劑或氮肥對小麥光合作用的影響，應如何分組實驗？②如果同時研究兩者對小麥光合作用的影響如何分組？通過學生對問題①的討論，依據(jù)單一變量和對照原則設計的分組，見表2。

對問題②討論時，教師提出：該問題是同時研究兩者對小麥光合作用的影響，在分組時將表3的分組直接整合在一起可以嗎？這樣使學生明確：若直接將兩者整合可以同時研究兩者對光合作用的影響，但不能說明兩者混合后對光合作用的影響，故還必須增加兩者混合的實驗組，見表3。

通過以上教學，教師使學生明確在多個變量的實驗研究時，這類問題的解決途徑是：分別列舉一種自變量的實驗分組一增加整合兩種或多種因素混合的實驗組→確定整個實驗的分組。另外教師還準備一些類似的問題進行變式訓練，使學生牢固掌握這類問題的解決方法，有效激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生思維的嚴密性。

2.嚴格控制無關(guān)變量，科學安排實驗步驟

除自變量作為重點研究外，無關(guān)變量也會影響實驗的結(jié)果。確定重要的無關(guān)變量，且嚴格控制無關(guān)變量，是科學安排實驗步驟的前提。若控制不當，會造成實驗失敗，故影響實驗的其他條件（無關(guān)變量）要選擇適宜且相同，才可用于說明自變量對實驗結(jié)果的影響。對無關(guān)變量的確定與控制，筆者主要在以下幾個方面展開教學。

2.1選擇適宜的實驗材料

為了使實驗現(xiàn)象更為明顯，教師應通常選擇各種指標均相同且適宜的實驗材料，這樣實驗過程中因變量變化才明顯。如在觀察植物細胞有絲分裂的實驗中，選擇含染色體數(shù)量較少且細胞分裂旺盛的實驗材料，則便于觀察染色體數(shù)目變化和容易尋找分裂期。

2.2設計對照組排除無關(guān)變量的影響

設置對照組的目的是排除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響，教師在實驗過程中可能會出現(xiàn)哪些無關(guān)變量，才能使實驗設計更科學合理。例如，在DNA的鑒定實驗中，因為在檢測時，加入二苯胺后要沸水浴加熱，那么在沸水浴條件下，二苯胺與NaCl溶液是否會發(fā)生顏色變化？所以在實驗中設置對照組，目的是排除NaCl對二苯胺試劑的影響。

2.3消除偶然因素的影響

為了避免偶然因素對實驗結(jié)果的影響，在實驗過程設計中，要考慮平衡重復原則。在實驗時除考慮實驗材料外，還要考慮材料的數(shù)量，若實驗材料數(shù)量太少，一些偶然的因素可能導致錯誤的實驗結(jié)論。如例1中選取長勢一致的小麥幼苗若干，平均分為A、B、C、D 4組，并不是選擇4棵小麥幼苗，而是每組有多棵，其目的是避免偶然因素對實驗結(jié)果的影響。

2.4控制適宜且相同條件實驗

在實驗時，應考慮現(xiàn)象明顯才能得出相應的結(jié)論，而實驗現(xiàn)象明顯應在適宜的條件下展開實驗，且各組的條件相同。例如，探究不同種類加酶洗衣粉的洗滌效果時，有關(guān)變量分析如表4所示。

在上表所列舉無關(guān)變量中，應該選擇適量的水、適宜的溫度等控制適宜條件才可獲得明顯的實驗現(xiàn)象。

3.突出問題意識，培養(yǎng)科學思維習慣

在實驗設計教學中，理論學習會使學生明確設計的原則和變量的控制方法。為了培養(yǎng)學生實驗分析和解決問題的能力，筆者選擇一些典型事例，強化學生的問題意識，通過問題討論，體驗設計的科學性原則，逐漸形成科學思維習慣。

[例2]動物器官的體外培養(yǎng)技術(shù)對于研究器官的生理、病理過程及其機制意義重大。圖1是一個新生小鼠的肝臟小塊培養(yǎng)裝置示意圖。請回答下列問題。

有機物x有毒性，可誘發(fā)染色體斷裂。利用圖中所示裝置和提供的下列材料用具，探究肝臟小塊對有機物x是否具有解毒作用。

材料用具：

肝臟小塊，外周血淋巴細胞，淋巴細胞培養(yǎng)液，植物凝集素（刺激淋巴細胞分裂）；顯微鏡，載玻片，蓋玻片，玻璃皿，滴管；吉姆薩染液（使染色體著色），有機物x溶液等。實驗過程：

①在淋巴細胞培養(yǎng)液中加入植物凝集素培養(yǎng)淋巴細胞，取4等份，備用。

②利用甲、乙、丙、丁4組上圖所示裝置，按表5所示步驟操作（“√”表示已完成的步驟）。

上表中還需進行的操作是__。

③培養(yǎng)一段時間后，取4組裝置中的等量培養(yǎng)液，分別添加到4份備用的淋巴細胞培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)。

④一段時間后取淋巴細胞分別染色、制片。在顯微鏡下觀察__，并對比分析。若丙組淋巴細胞出現(xiàn)異常，而甲組的淋巴細胞正常，則說明__。

答案：向乙（或丁）組裝置中放置肝臟小塊染色體形態(tài)和數(shù)量

肝臟小塊對有機物X具有解毒作用

對探究肝臟小塊對有機物x是否具有解毒作用的實驗中，討論以下問題：①該實驗的自變量和實驗指標如何確定？教師讓學生體會，自變量應從研究的課題中找線索，實驗指標則應在因變量中找指標，因有機物X有毒性，可誘發(fā)染色體斷裂，所以在顯微鏡下觀察染色體是否異常為指標。②你能列舉在本題中哪些重要的無關(guān)變量？實驗中采取了哪些措施減少無關(guān)變量對實驗的干擾？這樣讓學生體會無關(guān)變量要從影響因變量的一些因素中去尋找。③在實驗設計中安排步驟時，大都是采取步驟中的①③④，而本實驗為什么要加入步驟②？學生通過討論，體會到對肝臟小塊是否對有機物x具有解毒作用，應先用肝臟小塊處理有機物x，才可說明有無解毒作用，從而了解對這種類型問題的歸類。即對于某物質(zhì)對另一物質(zhì)的影響設計實驗時，都應首先做某物質(zhì)對另一物質(zhì)的影響實驗，然后再做處理后的效果實驗。通過以上問題的討論使學生體驗實驗設計要做到思維嚴密、科學合理，才能讓人信服，培養(yǎng)學生形成科學思維的習慣。

實驗設計教學是一個系統(tǒng)的教學工程，教師在教學中只有針對不同實驗類型，找出解決問題的突破點，選擇恰當?shù)慕虒W方法，才可培養(yǎng)學生實驗設計和分析的能力，嚴謹求實的科學態(tài)度，團結(jié)協(xié)作的良好品質(zhì)。