中美高中生物學(xué)教材中實驗部分的比較研究
——以“研究光合作用的影響因素”為例

黃雅雯 鄒崢嶸

（江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江西南昌 330022）

實驗教學(xué)是中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分，對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的形成有重要意義。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中學(xué)教學(xué)條件得到極大改善，教學(xué)儀器設(shè)備配備越來越完善，為中學(xué)生物學(xué)實驗課的順利進(jìn)行提供了良好條件。下面對我國人民教育出版社出版的普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《必修1·分子與細(xì)胞》（以下簡稱“人教版”）和浙江教育出版社編譯出版的美國高中生物學(xué)教材《biology：The Dynamics of Life》中冊（以下簡稱“美國教材”）基礎(chǔ)，從實驗導(dǎo)入、實驗過程、實驗旁欄和實驗討論等方面入手，比較中、美高中生物教材中“光與光合作用”一節(jié)中實驗部分的異同點和優(yōu)缺點，為我國中學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)提供借鑒，有效提高中學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)的質(zhì)量。

1“研究光合作用的影響因素”這一實驗在教材中的地位

此實驗在國內(nèi)外教材中都具有承前啟后的作用，是學(xué)生學(xué)習(xí)呼吸作用和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。人教版中設(shè)置了兩個探究實驗：“綠葉中色素的提取和分離”以及“環(huán)境因素對光合作用的影響”，以實驗為載體與相關(guān)的科學(xué)史緊密銜接，闡明科學(xué)家的科學(xué)過程和思維方法。美國教材則設(shè)置“分離色素”和“用同位素來研究光合作用”兩個精簡的實驗來銜接本節(jié)內(nèi)容，在章節(jié)末尾以網(wǎng)絡(luò)生物實驗“研究光合作用的影響因素”總結(jié)本節(jié)重難點。

2 中美生物學(xué)教材中關(guān)于光合作用實驗的對比

2.1“實驗導(dǎo)入”部分的比較

從中美兩國教材實驗的導(dǎo)入來看，美國教材中實驗前先給出問題：不同波長的光如何影響植物光合作用的速率？再給出目標(biāo)：“在本次實驗中，你將觀察水生植物的光合作用；測定光合作用的速率；研究不同顏色的光的波長；觀察不同波長的光如何影響光合作用的速率，通過互聯(lián)網(wǎng)收集其他學(xué)生的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比較?！泵绹滩淖钪饕亲寣W(xué)生制作數(shù)據(jù)表，并與其他學(xué)生進(jìn)行對比，通過利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，擴(kuò)大學(xué)生的知識面。而人教版中該實驗屬于自主探究式，實驗前給出提示和參考案例：“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有許多提高農(nóng)作物光合作用強度的措施，選擇其中一種因素，通過實驗探究它對光合作用的影響”。這樣從而讓學(xué)生了解基本的實驗原理和操作，促使學(xué)生通過獨立動手操作得出結(jié)論。這兩種導(dǎo)入都有助于學(xué)生深化對教材知識的領(lǐng)悟。

2.2 實驗類型的比較

中美教材對于“研究影響光合作用的因素”的實驗設(shè)計最主要的不同點在于探究方式的差異。美國教材中這一實驗屬于網(wǎng)絡(luò)生物實驗，學(xué)生根據(jù)實驗導(dǎo)入提出的問題，按步驟做實驗，隨后通過訪問網(wǎng)頁（bdol.glencoe.com/internet-lab）上傳數(shù)據(jù)并與同學(xué)分享數(shù)據(jù)，最后對網(wǎng)站上其他學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對比完善自己的圖表。而人教版教材中，該實驗為自主探究類型。教材先給出一個參考案例——探究光照強弱對光合作用強度的影響，讓學(xué)生自己提出假設(shè)，再設(shè)計實驗驗證假設(shè)，通過數(shù)據(jù)收集、小組討論，得出結(jié)論。對比兩國教材實驗類型，不難發(fā)現(xiàn)二者各有優(yōu)點；美國教材讓學(xué)生有獨立思考的余地，人教版讓學(xué)生了解如何通過實驗來驗證自己的假設(shè)，且兩者都注重對實驗的探究。

2.3 實驗器材部分的比較

人教版教材中提出的實驗器材：打孔器、注射器、40 W臺燈、燒杯、綠葉（如菠菜葉）。美國教材中提出的實驗器材：1 000 mL燒杯、三株伊樂藻、帶反射鏡的150 W的臺燈、繩子、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的NaHCO3溶液、墊圈、帶秒針的手表、不同顏色的彩色玻璃紙。

比較中美教材，可以發(fā)現(xiàn)共同之處：材料經(jīng)濟(jì)且簡單易取，都選用了節(jié)能且安全的臺燈。值得借鑒的是，美國教材選擇了易于實驗室配置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%的NaHCO3溶液，體現(xiàn)了不同學(xué)科的相互滲透，有助于培養(yǎng)學(xué)生全方位的科學(xué)思考能力和發(fā)散思維能力。

2.4 實驗過程部分的比較

人教版教材中所示的實驗步驟：

（1）取生長旺盛的綠葉，用直徑1 cm的打孔器打出小圓形葉片30片。（2）將小圓形葉片置于注射器內(nèi)，并讓注射器吸入清水，待排除注射器內(nèi)殘留的空氣后，用手堵住注射器前端的小孔并緩緩拉動活塞，使小圓形葉片內(nèi)的氣體逸出。這一步驟可以重復(fù)幾次。（3）將內(nèi)部氣體逸出的小圓形葉片，放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用。（4）取3只小燒杯，分別倒入20 mL富含CO2的清水。（5）分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片，然后分別對這3個實驗裝置進(jìn)行強、中、弱三種光照（3盞40 W臺燈分別向3個實驗裝置照射，光照強弱可通過調(diào)節(jié)臺燈與實驗裝置間的距離來決定）。（6）觀察并記錄同一時間段內(nèi)各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數(shù)量。

美國教材中所示的實驗步驟：

（1）安裝實驗裝置。（2）制作數(shù)據(jù)表來測量結(jié)果。每種顏色一欄，另留一欄作對照。（3）把伊樂藻放入燒杯，完全浸沒在水中、加入小蘇打溶液，它能為水生植物提供CO2。（4）直接把臺燈（不用玻璃紙遮光）照射在植物上作為對照，觀察何時能看到氣泡。（5）觀察并記錄5 min內(nèi)伊樂藻產(chǎn)生的氧氣氣泡數(shù)量。（6）用一種顏色的玻璃紙遮住燈泡，然后重復(fù)步驟（4）和（5）。（7）再用另一種顏色的玻璃紙遮住燈泡，重復(fù)步驟（4）和（5）。（8）訪問網(wǎng)頁：bdol.glencoe.com/internetlab。（9）清潔與整理：把植物放入缸中，避免干枯。

對比人教版實驗步驟（5）與美國教材步驟（4）～（7），可以看出人教版教材側(cè)重于定性的分析，定量分析較為簡單，相對籠統(tǒng)地使用“強、中、弱來描述光照的強度，通過改變臺燈和葉片間的距離來控制自變量，忽略了在移動臺燈時，臺燈距離改變導(dǎo)致的溫度改變對光合作用產(chǎn)生的影響。美國教材主要用不同顏色玻璃紙遮擋燈泡，產(chǎn)生的波長來定量地控制實驗因素，巧妙地把物理學(xué)的知識和方法作為生物學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)，但和學(xué)生的生活聯(lián)系不如人教版教材。

2.5 實驗旁欄部分的比較

美國教材的實驗旁欄部分涉及研究背景、數(shù)據(jù)分享和兩幅彩色實驗插圖。研究背景：“O2是光合作用的產(chǎn)物之一。因為O2微溶于水，伊樂藻等水生植物進(jìn)行光合作用時會釋放出可見的O2氣泡。你可以通過測定氣泡形成的速度來判斷光合作用的速度?！边@一部分與人教版實驗前介紹相似，都可以幫助學(xué)生理解實驗原理，為學(xué)生動手操作提供鋪墊。在實驗步驟旁欄部分，插入兩幅彩色的實驗操作與結(jié)果插圖，以這些精致的伊樂藻圖片代替文字說明，幫助學(xué)生更準(zhǔn)確地認(rèn)識生物的真實形態(tài)，使抽象復(fù)雜的知識更直觀化。實驗結(jié)束時，在旁欄部分給出網(wǎng)站鏈接，要求學(xué)生公布自己測得的數(shù)據(jù)，并根據(jù)其他學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，充分體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)生物實驗的高效性，解決了實驗室的空間限制，同時培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)，在具體實驗過程中，人教版實驗可以借鑒美國教材實驗旁欄部分，通過增加插圖的數(shù)量、提高插圖的質(zhì)量來有效地輔助實驗進(jìn)行。

2.6 實驗討論部分的比較

在中美教材實驗結(jié)尾都設(shè)置了相應(yīng)的分析與討論。美國教材通過4個問題來引出所要分析的數(shù)據(jù)，與實驗導(dǎo)入提出的問題相互呼應(yīng)，幫助學(xué)生高效地記憶影響光合作用的關(guān)鍵內(nèi)容，且特意加紅列出誤差分析一項：為什么每次實驗使用相同量的NaHCO3溶液？學(xué)生在思考的同時，也能培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。人教版注重培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作，將數(shù)據(jù)分析融入在實驗過程中，沒有單獨列出，但在實驗結(jié)尾要求開展小組討論。

綜上，我國教材實驗設(shè)計更趨于生活化，原料和題材都來源于生活，但局限于實驗室中的封閉式實驗教學(xué)，學(xué)生的主體性得不到較好的發(fā)揮。當(dāng)然高中學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，上實驗課時間有限，使得開放性實驗較少。美國教材實驗重視培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計與分析能力，擅于將學(xué)科之間的知識相互融合，讓學(xué)生充分發(fā)揮獨立思考的能力。通過比較兩國教材，可以相互學(xué)習(xí)和借鑒，共同進(jìn)步，以便在之后的生物學(xué)教材編寫以及實驗教學(xué)中設(shè)計出更為符合培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求的實驗。