生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的要素分析

李能國(guó)

摘 要 敘述了生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生理性思維、科學(xué)精神的重要途徑，對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而為定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性和評(píng)價(jià)的針對(duì)性提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 定量實(shí)驗(yàn) 結(jié)構(gòu)分析 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào) Q-31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生理性思維、科學(xué)精神的重要途徑之一。在《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》和《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》的教學(xué)建議中，對(duì)定量實(shí)驗(yàn)要求的描述是：“在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)給學(xué)生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測(cè)量方法，實(shí)事求是地記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。”兩個(gè)不同學(xué)段的課程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的要求描述完全相同，都缺少相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或水平層次描述，從而使定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)陷入一種模糊狀態(tài)，不利于教學(xué)目標(biāo)的制定和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)。教師對(duì)生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和要求，常常來(lái)自考試說(shuō)明和高考試題，以應(yīng)試為導(dǎo)向的定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必然影響定量實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值。

對(duì)生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其由測(cè)量方法、記錄數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和定量表述4個(gè)要素組成見(jiàn)（表1）。把握定量實(shí)驗(yàn)要素的內(nèi)涵，是提升定量實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的基礎(chǔ)和保障。

1 測(cè)量方法

生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方法可以分為實(shí)驗(yàn)法、模型法和調(diào)查法三種類型。開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握多種生物學(xué)研究中的測(cè)量方法。

實(shí)驗(yàn)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)地去控制自然條件，使自然過(guò)程純化、典型化，從而認(rèn)識(shí)客觀世界的方法。如“探究幾種食物熱價(jià)的差異”中使用天平、量筒、溫度計(jì)等儀器。實(shí)驗(yàn)法通過(guò)控制自變量，限制無(wú)關(guān)變量，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，而且其他研究者能夠進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

模型法是對(duì)客觀對(duì)象進(jìn)行觀察，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)象的模型，通過(guò)對(duì)模型的研究來(lái)揭示客觀對(duì)象的特征和本質(zhì)的方法。定量實(shí)驗(yàn)的模型法主要適合在高中階段開(kāi)展，如“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”“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(lái)代替被研究對(duì)象，簡(jiǎn)化和理想化地再現(xiàn)原型與研究目的有關(guān)的各種基本因素和聯(lián)系，略去非本質(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，是一種有效的研究方法。

調(diào)查法是通過(guò)抽樣的基本步驟，采用問(wèn)卷、訪談、樣方等方法了解調(diào)查對(duì)象的有關(guān)信息，加以統(tǒng)計(jì)分析的研究，如“調(diào)查班級(jí)學(xué)生的近視率”“調(diào)查常見(jiàn)的人類遺傳病”“用樣方法調(diào)查草地中某種雙子葉植物的種群密度”等。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。開(kāi)展調(diào)查研究類的定量實(shí)驗(yàn)，要隨機(jī)取樣，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。

2 記錄數(shù)據(jù)

選擇適宜的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案，正確操作，仔細(xì)觀察，便可以獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是定量實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物，也是進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。一般來(lái)說(shuō)，原始數(shù)據(jù)不允許用鉛筆記錄；在記錄發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，修改部分要保持錯(cuò)誤數(shù)據(jù)可見(jiàn)；原始數(shù)據(jù)必須附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。記錄數(shù)據(jù)需要設(shè)計(jì)記錄表格、注明計(jì)量單位和確定有效數(shù)字。

設(shè)計(jì)記錄表格，一方面有利于數(shù)據(jù)的全面采集和填寫(xiě)，另一方面使各種數(shù)據(jù)一目了然，便于進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。記錄表格通常包括標(biāo)題、表頭、列標(biāo)、行標(biāo)、數(shù)據(jù)格5個(gè)部分，如果列標(biāo)表示實(shí)驗(yàn)組別或?qū)嶒?yàn)自變量，則行標(biāo)表示對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)組測(cè)量的次數(shù)、同一實(shí)驗(yàn)組內(nèi)不同個(gè)體、測(cè)量時(shí)間等信息，并在最后加入“總和”或“平均值”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況，行標(biāo)與列標(biāo)表示的內(nèi)容可以互換，從而保證表格的布局合理。

計(jì)量單位是指為定量表示同種量的大小而定義和采用的特定量，要賦予計(jì)量單位以約定的名稱和符號(hào)，如毫克（mg）、分鐘（min）、體積摩爾濃度（mol/L）等。在記錄數(shù)據(jù)時(shí)，一定要在記錄表格中明確計(jì)量單位，特別是一些容易混淆的單位，如質(zhì)量百分濃度、體積百分濃度、質(zhì)量體積濃度、體積摩爾濃度等。

有效數(shù)字是指在分析工作中實(shí)際能夠測(cè)量到的數(shù)字，由可靠數(shù)字加上有誤差的一位數(shù)字組成。有效數(shù)字的位數(shù)表示了測(cè)量所能達(dá)到的程度，這也與所用的測(cè)量工具有關(guān)，當(dāng)測(cè)量?jī)x器和被測(cè)量選定后，測(cè)量值的有效數(shù)字位數(shù)就己經(jīng)確定。如在“探究幾種常見(jiàn)食物熱價(jià)的差異”的實(shí)驗(yàn)中，使用的溫度計(jì)最小刻度是1℃，有效數(shù)字只能到小數(shù)點(diǎn)后一位。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、加工和分析，使其轉(zhuǎn)化為信息的過(guò)程。中學(xué)生物學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)的可靠性分析、簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理和一般的數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)可靠性的判斷主要集中在數(shù)據(jù)獲得方法的科學(xué)性以及數(shù)據(jù)的有效性上。首先要對(duì)幾次的平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，若有明顯偏移的數(shù)據(jù)，應(yīng)反思獲得數(shù)據(jù)的方法是否符合基本的原理、是否嚴(yán)密、出現(xiàn)誤差的可能原因是否為不規(guī)范操作等。如果測(cè)量方法科學(xué)，所用儀器的精度確定，有效數(shù)字不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)也是不可靠的。

簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理主要集中在計(jì)算和數(shù)據(jù)的取舍上。一般定量實(shí)驗(yàn)都要平行進(jìn)行若干次，取平均值作為最終的計(jì)算結(jié)果，有明顯偏移的數(shù)據(jù)在計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)舍棄，否則會(huì)使最終的結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。在“用樣方法調(diào)查種群密度”“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量變化”的實(shí)驗(yàn)中，首先要計(jì)數(shù)樣方或血球計(jì)數(shù)板小方格內(nèi)部的個(gè)體，對(duì)于處在界線上的個(gè)體，只計(jì)數(shù)相鄰兩條界線及其頂點(diǎn)上的，不能將邊界上的個(gè)體全部計(jì)入或者不計(jì)。由于生物學(xué)的特殊性，一些計(jì)算結(jié)果可保留小數(shù)，如“探究酸雨對(duì)種子萌發(fā)的影響”實(shí)驗(yàn)，不同pH溶液處理后種子的發(fā)芽率以百分比的形式表示，可以保留小數(shù)點(diǎn)后1～2位數(shù)。有些結(jié)果不宜保留小數(shù)，如種群密度的調(diào)查結(jié)果一般取整數(shù)。

數(shù)據(jù)分析是運(yùn)用生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、原理解讀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所表達(dá)的信息，通過(guò)推理和歸納得出科學(xué)可靠的結(jié)論的過(guò)程。如在“探索生長(zhǎng)素類似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)一組NAA濃度梯度溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以生根的數(shù)目或總長(zhǎng)度為觀測(cè)指標(biāo)，每5 d采集一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素的作用表現(xiàn)出兩重性，最適濃度介于某兩種濃度之間，卻不能直接找到最適濃度?？梢愿鶕?jù)曲線變化趨勢(shì)作出推測(cè)，也可以不斷縮小濃度梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更精確。

4 定量表述

定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果是指運(yùn)用圖表、數(shù)學(xué)模型等描述生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。定量表述將實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行抽象，從而揭示相關(guān)變量之間的關(guān)系和規(guī)律，避免冗長(zhǎng)的文字描述，便于分析、表達(dá)和交流。

運(yùn)用圖表定量表述最常見(jiàn)的是坐標(biāo)曲線，將這兩個(gè)變量分別用橫、縱坐標(biāo)軸代替，放在一個(gè)平面直角坐標(biāo)系內(nèi)，根據(jù)它們之間量的變化情況繪制曲線。通過(guò)分析曲線的變化規(guī)律，揭示生物體結(jié)構(gòu)功能、生理代謝、生物與環(huán)境的相互作用的關(guān)系等方面的本質(zhì)特性，如“探究酒精對(duì)水蚤心率的影響”“探究影響光合作用速率的環(huán)境因素”“探究植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)扦插枝條生根的作用”“探究培養(yǎng)液中酵母種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化”等。

數(shù)學(xué)建模就是把現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問(wèn)題加以提煉，抽象為數(shù)學(xué)模型，求出模型的解，驗(yàn)證模型合理性，并運(yùn)用該數(shù)學(xué)模型來(lái)解釋現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，如“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”等。建立數(shù)學(xué)模型可以排除環(huán)境因素、人為操作等無(wú)關(guān)變量的干擾，尋找出相關(guān)變量之間的本質(zhì)關(guān)系。

定性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)研究對(duì)象是否具有某種性質(zhì)或某種關(guān)系，只作定性描述而缺乏定量研究，不能使科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有普遍意義。雖然初中與高中兩個(gè)學(xué)段對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的要求表述相同，但在初中階段，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)注重讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過(guò)程，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，隨著學(xué)生思維能力的提升，在高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)中，大量增加了定量實(shí)驗(yàn)。明確定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)要素，才能整體規(guī)劃設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，關(guān)注學(xué)生能力形成過(guò)程，關(guān)注過(guò)程性評(píng)價(jià)，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用科學(xué)的思維和方法去分析問(wèn)題、解決問(wèn)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。

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