新課標(biāo)生物教學(xué)中探究實驗的設(shè)計和分析方法

李應(yīng)勝

新課標(biāo)生物教學(xué)中，探究實驗的教學(xué)占有非常突出的地位，對于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有十分重要的意義。本文針對探究實驗各環(huán)節(jié)所反映出的核心思想、原理、方法和原則進(jìn)行簡要分析說明。

一、實驗?zāi)康牡拇_定

探究實驗的本質(zhì)是根據(jù)某一合理假設(shè)，通過設(shè)計和實施實驗，對作用主體與作用對象之間的內(nèi)在聯(lián)系作出分析和判斷，從而得出科學(xué)結(jié)論的過程。因此，生物學(xué)探究實驗的實驗?zāi)康囊话忝枋龇绞綖椋禾骄磕骋蛩貙ι锬撤矫嫣卣鳎ㄈ缧螒B(tài)、結(jié)構(gòu)、生理功能）的影響。例如，探究光照強度對植物光合作用速率的影響；探究生長素濃度對植物插枝生根的影響；探究紫外線對草本植物植株形態(tài)和株高的影響等。

從實際應(yīng)用出發(fā)，實驗?zāi)康目梢詮膬蓚€不同角度分析確定。（1）可以從實驗課題中分析實驗?zāi)康?。很多探究課題實驗?zāi)康拿鞔_，不需要作進(jìn)一步分析。但也有部分課題探究目標(biāo)比較模糊。如，探究小麥生長中心與旗葉光合作用的關(guān)系。該課題既有可能是探究生長中心對旗葉光合速率的影響，也有可能是探究旗葉光合作用對生長中心生長速率的影響。因此，需要進(jìn)一步細(xì)化，確定探究方向。（2）從實驗步驟中歸納實驗?zāi)康?。從?xùn)練學(xué)生思維的角度出發(fā)，在某些情境下可能給定實驗步驟，要求歸納實驗?zāi)康摹４朔N情境下的一般方法是：根據(jù)實驗步驟找出實驗中的自變量和因變量，將實驗?zāi)康母爬椤疤骄磕骋蛩兀ㄗ宰兞浚δ承螒B(tài)結(jié)構(gòu)或生理功能（因變量）的影響”。

二、實驗原理的分析和歸納

實驗原理是對實驗的理論基礎(chǔ)、操作方法和目標(biāo)指向的高度濃縮概括。其內(nèi)容應(yīng)包含四個方面的基本要素：實驗的科學(xué)理論依據(jù)；操作過程要點；實驗結(jié)果的檢測方法和指標(biāo)；實驗的結(jié)論目標(biāo)指向。

在獨立設(shè)計實驗時，確定實驗原理的基本途徑是：（1）從生物科學(xué)的基本理論出發(fā)，深入分析影響因素與作用對象之間的內(nèi)在聯(lián)系。（2）分析操控影響因素的具體方法，確定自變量。（3）分析實驗對象受到影響后可能發(fā)生的反應(yīng)，找出與這些反應(yīng)相關(guān)的外在表現(xiàn)，確定觀測指標(biāo)。（4）概括說明該實驗?zāi)苓_(dá)成的最終目標(biāo)。

如果是在已有的實驗方案基礎(chǔ)上歸納實驗原理，基本方法是：找出實驗方案中的自變量和因變量，從理論上分析二者之間可能存在的聯(lián)系；然后以方案中實驗組為依據(jù)，描述對自變量的控制和對結(jié)果的檢測方法，忽略掉對照組設(shè)置以及對無關(guān)變量的控制等細(xì)節(jié)，從而歸納出實驗原理。

一個科學(xué)的實驗原理可以對實驗材料的選擇、實驗步驟的設(shè)計、觀測指標(biāo)的確定以及實驗結(jié)果的預(yù)測分析都能起到有效的指導(dǎo)作用，是整個實驗方案的綱領(lǐng)。

三、實驗步驟設(shè)計的方法和原則

實驗步驟是實驗探究方案的主體內(nèi)容。它直接決定實驗過程能否實現(xiàn)以及實驗?zāi)繕?biāo)能否達(dá)成。

實驗步驟設(shè)計的一般思路是：首先要明確自變量和因變量，再結(jié)合探究目標(biāo)確定變量控制方法和對照實驗設(shè)置方法，最后確定對實驗結(jié)果的檢測方法和指標(biāo)。如果是定性探究，則應(yīng)該以被探究因素的有、無或者強、弱等典型條件設(shè)置對照；如果是定量探究，則應(yīng)該以被探究因素的強弱程度設(shè)置一系列梯度實驗進(jìn)行探究。例如，若要探究“溫度對植物光合作用的影響”就可作定性探究，此時只需要設(shè)置高溫、常溫、低溫三個典型溫度條件作對照實驗即可。如果要求“探究植物光合作用的最適溫度”，這就是一個定量探究課題。必須在一定溫度范圍內(nèi)設(shè)置一系列溫度由低到高的梯度實驗進(jìn)行對照。檢測方法要有可行性，檢測指標(biāo)必須是實驗對象受自變量影響后產(chǎn)生的必然預(yù)期結(jié)果。

實驗步驟設(shè)計必須遵循的原則主要有：科學(xué)性原則；對照原則；單一變量原則；平行重復(fù)原則。

科學(xué)性原則的基本含義是：有確實的科學(xué)理論依據(jù)，邏輯推理嚴(yán)密，操作方法和順序合理，變量控制可靠有效，觀測手段簡便易行。

對照原則：探究過程中要通過設(shè)置對照實驗的方法來增強實驗的說服力?？筛鶕?jù)不同課題要求，在實驗中設(shè)計空白對照、條件對照、相互對照和自身對照等不同的對照實驗形式。

單一變量原則：實驗組與對照組只能有一個變量差異。即除開自變量以外，實驗組和對照組其他所有無關(guān)變量應(yīng)保持相同且適宜。

平行重復(fù)原則有兩層含義：一是指進(jìn)行探究實驗時對生理狀況相同的多個實驗對象同時進(jìn)行相同的實驗操作，以減少偶然因素或?qū)嶒瀸ο髠€體差異帶來的誤差；另一層含義是指控制自變量在相同的變化幅度下，以同樣的條件進(jìn)行重復(fù)實驗，從而體現(xiàn)過程與結(jié)果之間聯(lián)系的必然性。

在上述原則下，實驗步驟的設(shè)計可以大致上分為三個要點：第一步，準(zhǔn)備和分組。對實驗材料要進(jìn)行準(zhǔn)備和預(yù)處理，使其初始狀態(tài)相同并達(dá)到實驗要求。然后，根據(jù)實驗需要劃分為不同組別，為后續(xù)的對照實驗做好準(zhǔn)備。第二步，對照處理和變量控制。將不同組別控制在自變量的不同變化幅度之下形成對照，其余條件控制到相同且適宜的狀態(tài)，并給予充分的后續(xù)反應(yīng)時間。第三步，實驗現(xiàn)象的觀測統(tǒng)計。選定適當(dāng)?shù)挠^察測量指標(biāo)對不同組別分別進(jìn)行觀察和統(tǒng)計，以反映實驗結(jié)果。

四、實驗結(jié)果分析和結(jié)論歸納

在分析實驗結(jié)果時，首先要分析實驗現(xiàn)象，若涉及統(tǒng)計數(shù)據(jù)則要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，找出數(shù)據(jù)規(guī)律。然后比較實驗組和對照組實驗結(jié)果差異，通過分析不同組別實驗結(jié)果差異與實驗條件差異的內(nèi)在聯(lián)系，歸納實驗結(jié)論。

對于探究實驗而言，在實驗前通常都有一個理論上的假設(shè)，結(jié)合實驗探究方案演繹推理，會形成一個理論上的預(yù)期結(jié)果。但作為一種科學(xué)研究手段，一切分析都要以最終真實的實驗結(jié)果為依據(jù)。因此，在設(shè)計對實驗結(jié)果的分析方案時，應(yīng)考慮到實際結(jié)果有可能與理論預(yù)期并不相符，需要預(yù)設(shè)幾種不同的結(jié)果分析方向：若實驗結(jié)果隨自變量的變化幅度呈現(xiàn)與預(yù)期相符的規(guī)律性變化，則說明實驗假設(shè)成立；若實驗結(jié)果隨自變量的變化幅度呈現(xiàn)與預(yù)期相反的規(guī)律性變化，則說明結(jié)論應(yīng)與實驗假設(shè)相反；若實驗結(jié)果不隨自變量的改變程度而出現(xiàn)規(guī)律性變化，則說明此現(xiàn)象與實驗探究的影響因素?zé)o關(guān)。endprint