學(xué)科教育論文-如何科學(xué)地進行生物實驗設(shè)計.doc

學(xué)科教育論文-如何科學(xué)地進行生物實驗設(shè)計生物科學(xué)是一門實驗科學(xué)，因此生物實驗一直是生物學(xué)高考必出的內(nèi)容。從近幾年的實驗題在高考中的題型變化來看，借助實驗方法創(chuàng)設(shè)新情境，側(cè)重考查學(xué)生對實驗進行解釋和分析的能力已成為命題趨向，其中設(shè)計型實驗題更是熱點。由于實驗設(shè)計是較高的能力要求，除要具備一定的知識基礎(chǔ)外，還需要具有一定的創(chuàng)造能力。所設(shè)計的實驗是建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上的，還應(yīng)具有一定的觀察和發(fā)現(xiàn)問題的能力。因此這一類考查考生綜合分析能力的題型在高考實驗復(fù)習(xí)中顯得尤為突出，也是令學(xué)生非常頭痛的。下面結(jié)合本人兩年來如何進行高三實驗設(shè)計復(fù)習(xí)的實踐，談一點自己的體會。一、什么是實驗設(shè)計所謂實驗設(shè)計，就是要求學(xué)生設(shè)計實驗原理，選擇實驗器材，安排實驗步驟，設(shè)計數(shù)據(jù)處理的方法及分析實驗的現(xiàn)象。它包括設(shè)計實驗方案、設(shè)計實驗步驟、設(shè)計實驗改進方法等。實驗設(shè)計，主要考查學(xué)生是否理解實驗原理，是否具有靈活運用實驗知識的能力，是否具有在不同情境下遷移知識的能力。一個完整的實驗設(shè)計過程包括5個環(huán)節(jié)。發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、實驗設(shè)計（包括假說和預(yù)期的結(jié)論）、實驗實施、結(jié)論（包括推導(dǎo)和運用結(jié)論）。其中實驗設(shè)計是聯(lián)系問題和結(jié)論的必要橋梁。二、實驗設(shè)計的基本原則1）科學(xué)性原則指實驗?zāi)康囊鞔_，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當(dāng)，整個設(shè)計思路和實驗方法的確定都不能偏離生物學(xué)基本知識和基本原理以及其他學(xué)科領(lǐng)域的基本原則。2）平行重復(fù)性原則平行重復(fù)原則，即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復(fù)實驗，觀察其對實驗結(jié)果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復(fù)，這是具有科學(xué)性的標(biāo)志。上述隨機性原則雖然要求隨機抽取樣本，這能夠在相當(dāng)大的程度上抵消非處理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影響。平行重復(fù)的原則就是為解決這個問題而提出的3）單一變量原則有兩層意思：一是確?！皢我蛔兞俊钡膶嶒炗^測，不論有幾個實驗變量，都應(yīng)做到一個實驗變量對應(yīng)觀測一個反應(yīng)變量；二是確?！皢我蛔兞俊钡牟僮饕?guī)范，實驗操作中要盡可能避免無關(guān)變量及額外變量的干擾。4）對照原則對照的目的在于削除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響。實驗對照原則是設(shè)計和實施實驗的準則之一。通過設(shè)置實驗對照，又排除無關(guān)變量的影響，又可增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。按對照的內(nèi)容和形式上的不同，通常有以下對照類型。A.空白對照指不做任何實驗處理的對象組。B.自身對照實驗與對照在同一對象上進行，不設(shè)對照組。C.條件對照雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，或者說這種處理不是實驗假設(shè)所給定的實驗變量意義的。D.相互對照指不另設(shè)對照組，而是幾個實驗組相互對比對照。三、實驗設(shè)計的方法一個比較完整的實驗設(shè)計方案，一般包括這樣幾方面的內(nèi)容：1）實驗題目的確定；2）提出假說；3）設(shè)計實驗方法和步驟；4）提出實驗的預(yù)期結(jié)果；5）要觀察和搜集的數(shù)據(jù)及方法。書寫實驗設(shè)計方案通常包括：“實驗課題”、“實驗假說”、“實驗預(yù)期”、“實驗?zāi)康囊蟆?、“實驗方法類型”、“實驗對照類型”、“實驗材料用具”、“實驗方法步驟”和“實驗結(jié)論與討論”等項目。而在中學(xué)生物課本的實驗指導(dǎo)中，實驗假說和實驗預(yù)期大都隱含在“實驗原理”中。實驗方法類型、實驗對照類型則一般隱含在“方法步驟”中。因此在實驗設(shè)計中可以從以下幾個方面去考慮：1）明確實驗?zāi)康?，即需要驗證的生物學(xué)事實；2）嚴格遵守實驗原理，實驗所依據(jù)的科學(xué)原理，涉及到的生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科的方法和原理；3）恰當(dāng)選擇實驗對象，選擇最能體現(xiàn)此生物學(xué)事實的具體對象，如細胞、組織、器官或生物個體；4）細心注意對實驗條件、材料用具和裝置的理化條件和生物學(xué)方法處理后，認真研究實驗裝置設(shè)計的嚴密性和合理性；5）合理設(shè)計實驗步驟，要注意實驗步驟的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，實驗操作的程序性；6）精心設(shè)置對照組實驗，控制和消除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響；7）提出假設(shè)條件，預(yù)測結(jié)果，假設(shè)是對可見現(xiàn)象作出可以檢測的解釋，假設(shè)的成立與否依賴證據(jù)（預(yù)測結(jié)果符合事實或?qū)崿F(xiàn)則假設(shè)成立；反之則假設(shè)不成立）；8）仔細觀察實驗現(xiàn)象，詳細記錄實驗結(jié)果，只考慮單一實驗變量對結(jié)果的影響；9）認真分析原因，全面討論結(jié)果，無論實驗成功與否都要分析原因，對實驗要進行多角度、全方位的分析討論。四、實驗設(shè)計的實例分析例1(廣東、河南高考題)為證實二氧化碳是光合作用合成有機物必需的原料，某同學(xué)制訂了下列實驗方案：(1)實驗?zāi)康?略)(2)實驗材料和用具(略)(3)實驗方法和步驟用一適當(dāng)大小的玻璃罩罩住一株生長正常的盆栽綠色植物和一杯NaOH溶液，密封不漏氣。將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內(nèi)貯藏的有機物。暗室內(nèi)裝有紅色安全燈。饑餓一定時間后，自暗室中取出，照光若干小時，使其充分進行光合作用。取一葉片，放人盛有酒精的燒杯中，水浴加熱，使葉綠素溶于酒精中。將已脫綠的葉片取出，平鋪在一個培養(yǎng)皿中，用碘液，檢測有無葡萄糖的特異顏色反應(yīng)出現(xiàn)。該實驗方案有幾項明顯錯誤，請指出錯誤并改正。誤解對該實驗方案的分析片面或缺乏必要的實驗分析能力而誤答。診斷錯因：忽視了平時的生物實驗操作和訓(xùn)練。正確思路：實驗中無對照實驗；實驗中不能用紅色安全燈，因為色素能夠吸收紅光，進行光合作用，影響實驗結(jié)果；淀粉遇碘變藍是淀粉等特有的顏色反應(yīng)，而不是葡萄糖的顏色反應(yīng)。鑒定還原糖(葡萄糖)的存在應(yīng)用的試劑是班氏試劑。正確答案是：(1)實驗步驟中暗室內(nèi)用紅色安全燈是錯誤的，應(yīng)改為綠色安全燈(此項不改，僅在對照中提到也給分)；(2)實驗步驟中的葡萄糖是錯誤的，改為淀粉；(3)未設(shè)對照。對照的作法是：a裝置同題干中的步驟，但玻璃罩內(nèi)用同一種生長狀況相同的另一株植物代替題干中的植物；用一杯清水代替NaOH溶液。b將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內(nèi)貯藏的有機物。暗室內(nèi)裝有綠色安全燈。c重復(fù)題干中的步驟。d重復(fù)改正后的題干中的步驟。需要注意的是：對于實驗分析要求從以下幾個方面進行：科學(xué)性和嚴謹性。主要指實驗設(shè)計必須有充分的科學(xué)依據(jù)，在某些實驗中要有對照實驗。實驗條件的一致性和可重復(fù)性。在實驗中除要設(shè)計的變量外，其他條件都要一致，并且一個實驗不能只看一次的結(jié)果，必須有足夠的實驗次數(shù)，才能判斷出實驗結(jié)果的可靠性。實驗器材的選擇。實驗中材料用具的選擇是非常重要的，要根據(jù)實驗所提出的問題和要求，聯(lián)系命題者所提供的器材，準確判斷和篩選實驗所需的用具及材料。準確表達實驗結(jié)果和進行數(shù)據(jù)處理。例2（2003全國高考理綜試卷非選擇題27題）將青蛙腦破壞保留脊髓，在脊柱下部打開脊椎骨，剝離出脊髓一側(cè)的一對脊神經(jīng)根（包含一個背根和一個腹根，圖略）。分別電刺激背根與腹根均可引起蛙同側(cè)后肢發(fā)生運動反應(yīng)。以已知背根含有傳入神經(jīng)，腹根含有付出神經(jīng)，背根與腹根合并成脊神經(jīng)。請根據(jù)上述提供的實驗材料（實驗用具自選）設(shè)計實驗步驟，并預(yù)測實驗結(jié)果，以分別驗證背根具有傳入功能，腹根具有傳出功能。答案：實驗步驟1：在背根中央處剪斷（或用麻醉藥阻斷），分別電刺激背根向中段、外周段，觀察蛙后肢是否發(fā)生運動反應(yīng)。預(yù)期結(jié)果：電刺激背根向中段應(yīng)發(fā)生蛙后肢運動反應(yīng)，電刺激背根外周段不發(fā)生反應(yīng)，說明背根具有傳入功能。實驗步驟2：在腹根中央處剪斷（或用麻醉藥阻斷），分別電刺激腹根向中段、外周段，觀察蛙后肢是否發(fā)生運動反應(yīng)。預(yù)期結(jié)果：電刺激腹根向中段不發(fā)生反應(yīng)，電刺激腹根外周段就發(fā)生后肢運動反應(yīng)，說明腹根具有傳出功能。例3、現(xiàn)有一種植物的種子，已經(jīng)知道它的萌發(fā)受水分、溫度和氧氣的影響，但不了解其萌發(fā)與光是否有關(guān)，探究光的有無對該種子萌發(fā)的影響