高中生物課程中的定量實(shí)驗(yàn)分析

莊瑞峰

摘 要 分析定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值，并對(duì)高中生物課程中的定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類，提出相應(yīng)的實(shí)施策略。

關(guān)鍵詞 定量實(shí)驗(yàn) 教學(xué)建議 生物學(xué)教學(xué)

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

定量實(shí)驗(yàn)是研究觀察對(duì)象的性質(zhì)、組成和影響因素之間數(shù)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和活動(dòng)建議中，有17個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，在與課程標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的教材中，還開發(fā)了許多新的定量實(shí)驗(yàn)，如人教版教材增加了“用樣方法調(diào)查草地中某種雙子葉植物的種群密度”，蘇教版教材增加了“化肥與池塘富營養(yǎng)化”，中圖版教材增加了“自然選擇的模擬”等。

隨著高中新課程的實(shí)施，定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值卻沒有得到應(yīng)有的重視，甚至因?yàn)槎繉?shí)驗(yàn)操作要求嚴(yán)密、耗時(shí)過多等原因，不少學(xué)校很少開展定量實(shí)驗(yàn)。下面分析高中階段開展定量實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，對(duì)定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類，并提出相應(yīng)的實(shí)施策略。

1 高中生物定量實(shí)驗(yàn)的價(jià)值

人的認(rèn)識(shí)從定性到定量是一個(gè)飛躍。定性實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中有重要地位，對(duì)于任何一項(xiàng)研究，首先必須確定研究對(duì)象是否具有某種性質(zhì)或某種關(guān)系等，才能進(jìn)一步做精確的定量實(shí)驗(yàn)以確定量之間的關(guān)系。但是，只作定性描述而缺乏定量研究，往往不能使科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有普遍意義。定量實(shí)驗(yàn)的核心任務(wù)是尋找數(shù)量之間的關(guān)系，用觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查、測(cè)量、統(tǒng)計(jì)等來研究和分析現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)密性、測(cè)量的精確性、現(xiàn)象的客觀性、價(jià)值的中立性都提出了嚴(yán)格要求。

學(xué)生能力的養(yǎng)成是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。在義務(wù)教育階段，教師要注重讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程中，激發(fā)其探究的興趣，初步學(xué)會(huì)科學(xué)探究的一般方法。因此，定性實(shí)驗(yàn)多，定量實(shí)驗(yàn)少，定量實(shí)驗(yàn)的原理、方法相對(duì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯。在高中階段，隨著學(xué)生思維能力的提升，課程標(biāo)準(zhǔn)中大量增加定量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的操作相對(duì)復(fù)雜，有的實(shí)驗(yàn)需要較長時(shí)間才能完成，可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用科學(xué)的思想和方法去分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、敢于質(zhì)疑、堅(jiān)持不懈的科學(xué)精神。

2 高中生物定量實(shí)驗(yàn)的類型

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和活動(dòng)建議中的17個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，可以分為實(shí)驗(yàn)方法類、模型方法類和調(diào)查研究類這三種類型。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法類

實(shí)驗(yàn)方法是人們依照研究目的，使用科學(xué)儀器和設(shè)備，有意識(shí)地去控制自然過程條件，模擬自然現(xiàn)象，避開次要矛盾，突出主要因素，使自然過程純化、典型化，在特定條件下去探究客觀規(guī)律，從而認(rèn)識(shí)客觀世界的方法。

高中生物課程中，與實(shí)驗(yàn)方法相關(guān)的定量實(shí)驗(yàn)有：探究影響酶活性的因素；研究影響光合作用速率的環(huán)境因素；探究植物生產(chǎn)調(diào)節(jié)劑對(duì)扦插枝條生根的作用；探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化；土壤動(dòng)物類群豐富度的研究；測(cè)定某種微生物的數(shù)量；嘗試?yán)妹富盍y(cè)定的一般原理和方法；用實(shí)驗(yàn)找出在什么條件下使用加酶洗衣粉效果最好；測(cè)定食品加工中可能產(chǎn)生的有害物質(zhì)等。

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行的定量實(shí)驗(yàn)，通過控制自變量，限制無關(guān)變量，研究對(duì)象更便于觀察、統(tǒng)計(jì)和分析，從而使復(fù)雜的現(xiàn)象變得簡(jiǎn)單，使研究從現(xiàn)象觀察深入到本質(zhì)探討，而且可以反復(fù)再現(xiàn)，其他研究者能夠進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2.2 模型方法類

模型方法是對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所獲得的科學(xué)事實(shí)進(jìn)行初步的概括后，利用想象、抽象、類比等方法，建立一個(gè)反映和代替客觀對(duì)象，并通過對(duì)模型的研究來揭示客觀對(duì)象的、特征和本質(zhì)的方法。開展模擬實(shí)驗(yàn)的原因有很多種，常見的有：被研究對(duì)象的發(fā)展延續(xù)時(shí)間很長，中學(xué)階段難以開展，如動(dòng)植物的雜交實(shí)驗(yàn)、種群的數(shù)量和基因頻率變化等；被研究客體的物理屬性不能進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，如細(xì)胞的體積極其微??；涉及人的健康和倫理道德，如改變?nèi)梭w內(nèi)環(huán)境的理化指標(biāo)探究穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)等。

高中生物課程中，與模型方法相關(guān)的定量實(shí)驗(yàn)有：模擬探究細(xì)胞表面積與體積的關(guān)系；模擬植物或動(dòng)物性狀分離的雜交實(shí)驗(yàn)；用數(shù)學(xué)方法討論基因頻率的變化；利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件模擬人體某方面穩(wěn)態(tài)的維持；嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變化等。

用模型來代替被研究對(duì)象，在探究活動(dòng)中，實(shí)驗(yàn)工具只直接作用于模型而不直接作用于原型，能簡(jiǎn)化和理想化地再現(xiàn)原型與研究目的有關(guān)的各種基本因素和基本聯(lián)系，略去次要的、非本質(zhì)的細(xì)節(jié)，能夠使研究者充分發(fā)揮想象、抽象和推理能力，將從原型獲得的信息重新加以組合，形成新的圖形的、符號(hào)的或概念的模式，構(gòu)建一個(gè)理想的認(rèn)識(shí)工具。

2.3 調(diào)查研究類

調(diào)查研究是科學(xué)研究中常用的方法，是通過抽樣的基本步驟，采用問卷、訪談等方法了解調(diào)查對(duì)象的有關(guān)信息，加以統(tǒng)計(jì)分析的研究。調(diào)查法不受時(shí)間、空間的限制，能搜集到難以從直接觀察中獲得的資料，能在較短的時(shí)間里獲得大量資料。

高中生物課程中，與調(diào)查研究相關(guān)的定量實(shí)驗(yàn)有：調(diào)查常見的人類遺傳?。徽{(diào)查青少年中常見的免疫異常；調(diào)查當(dāng)?shù)刈匀蝗郝渲腥舾煞N生物的生態(tài)位等。

開展調(diào)查研究類的定量實(shí)驗(yàn)，要設(shè)計(jì)好調(diào)查表，盡量多地收集數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尋找數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律。同時(shí)對(duì)人類遺傳病、免疫異常等進(jìn)行的調(diào)查，可能涉及家庭和個(gè)人隱私，一方面要尊重受調(diào)查者的隱私權(quán)，另一方面要改變調(diào)查的策略，告知調(diào)查的目的和公開范圍，也可以到醫(yī)院進(jìn)行相關(guān)疾病的調(diào)查，從而獲得更真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

3 高中生物定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)建議

3.1 關(guān)注初高中銜接

從初中到高中的生物學(xué)習(xí)過程，是一個(gè)螺旋上升的過程，在知識(shí)和能力上都不可分割。學(xué)生在初中階段已經(jīng)掌握的知識(shí)和能力是高中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，高中教學(xué)是對(duì)學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)的豐富、能力的提升。

如在初中階段，課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光合作用的實(shí)驗(yàn)要求是“探究光合作用的條件、原料和產(chǎn)物”，運(yùn)用簡(jiǎn)單而科學(xué)的方法驗(yàn)證植物光合作用需要光和二氧化碳，產(chǎn)生淀粉和氧氣，這是定性分析。而在高中階段，課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光合作用的實(shí)驗(yàn)要求是“葉綠體色素的提取和分離，研究影響光合作用速率的環(huán)境因素”。探究影響光合作用速率的環(huán)境因素是一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，而環(huán)境因素主要有光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度和溫度。教師如何從學(xué)生已經(jīng)掌握的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)原理和方法上大同小異，但需要確定一個(gè)可測(cè)量、有信度的指標(biāo)，同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)材料的選擇、自變量和無關(guān)變量的控制等方面，可以發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。

3.2 合理安排實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

高中階段開展的定量實(shí)驗(yàn)有的比較簡(jiǎn)單，可以在一節(jié)課中完成；有的需要到野外采集和調(diào)查；有的需要在人群中進(jìn)行調(diào)查；有的培養(yǎng)周期較長，需要一周甚至更長的時(shí)間才能完成；有的實(shí)驗(yàn)需要較多的器材，如果不能提前準(zhǔn)備、科學(xué)規(guī)劃，許多實(shí)驗(yàn)是無法開展的。

合理安排實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，可以在每學(xué)期開學(xué)初，由教研組集體研究，確定各年級(jí)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、時(shí)間、場(chǎng)地和負(fù)責(zé)人，制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)、流程和評(píng)價(jià)。特別是評(píng)價(jià)制度的創(chuàng)新，引入過程性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)學(xué)生在提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)換、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表達(dá)與交流等方面的表現(xiàn)，使過程性評(píng)價(jià)真正進(jìn)入學(xué)生的學(xué)業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系，利用評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式。

3.3 成立生物興趣小組

由于部分定量實(shí)驗(yàn)的周期比較長，對(duì)器材、場(chǎng)地的要求特別高，一般學(xué)校無法滿足每個(gè)學(xué)生都能參與到實(shí)驗(yàn)的全過程；有的定量實(shí)驗(yàn)需要野外采集和調(diào)查，組織全體學(xué)生到野外去也不現(xiàn)實(shí)。因此，成立生物興趣小組，讓小組成員共同完成實(shí)驗(yàn)或野外采集和調(diào)查，然后在全班展示他們的研究過程和成果。在一個(gè)真實(shí)的情境中，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論、分析、評(píng)價(jià)，可以在最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。

如“探究植物生長調(diào)節(jié)劑對(duì)扦插枝條生根的作用”的實(shí)驗(yàn)，需要設(shè)置不同濃度的植物生長調(diào)節(jié)劑作為對(duì)照，每一濃度需要有多根插穗進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因此要準(zhǔn)備大量的枝條、容器。而且插穗生根可能需要2周以上的時(shí)間，要有足夠的場(chǎng)地?cái)[放實(shí)驗(yàn)裝置。如果由興趣小組完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過圖片、文字、視頻等方法展示實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，從而達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的教學(xué)要求。如果教師將教材中的定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，與科技創(chuàng)新活動(dòng)結(jié)合起來，還能夠引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，運(yùn)用科學(xué)的思想和方法去解決現(xiàn)實(shí)問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

孟德爾使用豌豆為材料進(jìn)行雜交的定量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了遺傳的兩大規(guī)律，使遺傳學(xué)從定性描述進(jìn)入定量測(cè)定的全新領(lǐng)域。可以想象，如果沒有定量實(shí)驗(yàn)，生命科學(xué)不會(huì)發(fā)展到今天的規(guī)模，也不會(huì)對(duì)社會(huì)發(fā)展、人類進(jìn)步起到如此巨大的作用。教師首先要認(rèn)識(shí)到開展定量實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，同時(shí)，更要讓學(xué)生體驗(yàn)和感悟定量實(shí)驗(yàn)的魅力，提升生物科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

王德勝.化學(xué)方法論[M].杭州：浙江教育出版社，2007：43-48.