高三生物实验设计专题复习的开篇

作为实验科学，生物学科高考中，实验的地位不容置疑。分析近几年的高考试卷，我们发现生物的实验考核，往往是有关实验设计方面的。而有关实验设计方面的内容，在我们教材中没有专门章节加以论述。教师在进行这个专题复习时往往是先将相关概念加以展示，然后针对各地的生物模拟考卷中的相关题目，实验目的、实验假设、实验变量、数据分析、实验结论分别进行讲解，学生是知其然，不知所以然。练习了大量题目后，一碰到新情景，还是“茫茫然不知所以焉”。要解决这个问题，笔者认为，应让学生掌握事物的本质。高考中的实验设计，它的本意应是考查学生在学科学的过程中是否学会做科学――即让学生以科学家做科学的方式去学科学，做科学。我们从新课程标准以及考试大纲中，可以体会到这点隐藏含义：让学生学会做科学比学习别人已经总结的事实、概念、原理、规则要好；知识应起着载体作用，能力培养是第一要义，所以才会有现在的以知识立题转为能力立题。

现今学生从小学到高中，进行的实验大多是验证性实验，而且还因条件的限制，往往不能开全，学生做科学的能力是很低的。我们知道：知识是不能完全由一个人传给另一个人的，人们必须拥有自己的知识和对知识的理解；学习不是简单地把信息从教师或教科书传给学生，他们应把已有的知识与新知识结合起来，形成自己的理解。这样，新知识才能为学生所拥有，才能为学生所掌握。我们现在来理性分析一下学生进行生物实验设计复习过程，会发现学生将努力地把实验设计这个新知识与他已掌握的知识联系起来，形成自己对新内容的有意义的理解，或是把新知识吸收到自己大脑中已有的体系里，或者将其容纳到一个与原有体系相联系的新体系中。问题是，学生大多对实验设计处于一种陌生状态，在他的脑海里还没有与实验设计相关的旧知。所以，在高三生物实验设计专题复习的开篇显得十分重要。

如何做好该专题的第一节课的教学设计呢?

不管什么学科，其科学本质是一样的，学科内容是一条纽带，通过它可以传授过程。针对生物学科实验周期长，实验要求较高的事实，我引入了学生已有过体验的，且实验用时短的单摆实验作为实验设计专题复习的开篇。通过这个步骤，学生可探讨做科学的所有过程，基本能明了实验设计的一般过程，在此基础上，教师应协助学生归纳出做科学的整体过程：识别和控制变量；形成和验证假设；可行性定义；实验；数据解释；模型建立。下面，我就此课题如何做及为什么要这样做作一描述。

实验：探讨影响单摆摆动速度的因素

实验材料：铅笔、30厘米以上的细线、多个不同尺寸的金属垫圈

把线的一端固定在铅笔的橡皮端，另一端系一金属垫圈，将铅笔用透明胶固定在课桌边上，这样摆锤就可以自由摆动了(注意：线绳部分不要碰到课桌或地面)。

让摆锤开始以“一前一后”地节奏摆动。此时不做其他事情，只是观察。

提问：如何定义“一次摆动”?(定义可能不一样，只要学生能发现周期性的变化，且能将一个周期确定为“一次摆动”即可。)

引发讨论：什么会使摆锤运动得更快一点或更慢一点?(把此问题在全班讨论，答案记录在黑板上。)在笔者的教学实践中，有以下一些比较典型的答案：摆锤起始力的大小、锤的重量、线绳的长度、摆锤的起始摆动幅度、空气的密度等等。

引导归纳：你们肯定想到了许多影响因素，也提出了许多答案，这些答案我们就称之为变量。(讨论影响摆锤摆动速度的因素过程就是识别变量的过程，在课堂上，我们没有必要将所有变量找出，因为那不是本课所要达成的目标；注意控制时间。)

引发思考：如何改变所识别出的变量的值?(比如：增大或增加垫圈，改变垫圈的重量；改变线绳的长度等。)

分组实验：把每一影响因素作为一个探究课题，进行小组活动。

1．先对影响因素进行讨论、猜测：对每一影响因素，写出猜测结果。(对于给定变量如何影响摆锤的运动的观点，称之为假设；引导学生列出这样的观点形式：如果这样做的话，摆锤的运动速度会加快或减慢。)

2．思考如何测变量：我们要测的是摆锤运动速度，但直接测速度有较大难度，因而需要一个与摆锤速度成比例关系的测量方法。引导转测摆锤完成一个摆动循环所需的时间，即测一开始让学生观察的摆动周期。摆动周期怎么测?测每次的，还是按20次摆动循环为一计时单位，再计算出每一周期所需时间?(按适合操作的原则去寻找一个平行的测量方法，但有时一些数据是不能直接测量的。像在这个实验中，直接测每次摆动循环的时间是难以进行的，因此我们寻求间接的办法，用间接工具去测量它。但要注意：所寻求的办法必须和被取代的测量方法相平行，尽管它不一定给出相同的测量结果。这种做法叫可操作定义。当然，若用标准测量系统可以对一设置的变量进行直接测量，则不需要进行可操作定义。)

3．准备实验计划：每一组选择一个测试变量，但无论选择哪一个变量，均要保证其他变量的恒定，这叫单一变量原则。例如，如果以线绳的长度为变量，就必须保证摆锤的提起高度、锤的重量等其他变量的恒定。可以提出讨论：若其他变量不恒定，会发生什么情况?这里一定要学生明白这个道理。另外，要告诉大家，有许多因素会影响测定结果，因此，必须像科学家所做的工作一样，每个值测三次。

4．实验，采集数据：好了，可以开始各组的工作了。将采集到的数据填入表格，测三次，取三次的平均值。表格的设计可让学生自己进行，只要简单明了，容易对数据进行分析即可。例如，以下表格是我们常用的一种形式。

所有组完成实验后，将表格数据展示，进行分析。先分析全班同一测试变量小组的数据，你能得出什么结论?再将各测试变量小组得到的结论汇总，又能得到什么结论?

若时间允许的话，最好让每个实验小组都测所有变量，这样每个小组都可对自己所采集的数据进行综合。

对单摆的研究，可以说是实验设计教学的经典模型，它激发和引导了我们对科学研究的整体性探讨。在这一实验中，除了建立模型外，使用了科学研究的整体过程的全部：识别了实验变量；理解了单一变量原则；对每一变量均进行了假设；通过改变变量的值以及至少从3次测试中收集数据来验证假设；当决定测定摆锤完成一个循环所需时间时，进行了可操作性的定义；进行了实验设计、实验操作及数据的采集；对数据进行了分析及解释。

这里我要指出的是：建立模型，是对不易见到的事物或现象具体化，现今最成功的建模应算是原子结构模型了。高考假如要考查这部分内容的话，应是对教材中已有模型进行演绎推理方面的应用。

我要进一步指出的是：要使用实验过程清单。教师可以根据学生的具体情况，设计详略、侧重点各不相同的工作清单，学生只要按着清单的程序，就能完成实验，且能在各自的基础上有所提高，有所感悟。清单上应列出相应的问题让学生回答。

教学进行到这里，即可进入与生物学相关内容的探究了。例如，探究影响细胞质流动的相关因素；探究种子萌发的相关因素；探究影响胃蛋白酶活性的相关因素等等。

总结：我们在生物实验专题复习的开篇作这样教学设计的理由是：学生在学物理时，做过单摆实验，只是并没有将其引申到科学研究的整体性层面上进行。我们再做这个实验时，很容易就能激发学生的已有体验，学生有积极的情感投入到实验当中，将新知与旧知有机揉合，形成体系，掌握新知，即可归纳出科学研究的一般过程，这是进行归纳探究。当进入与生物学相关内容的探究时，实际上是在进行从理论到实践的过程，这是将归纳得到的规则进行演绎探究，形成新的理解，达到新的领悟。另外，在对实验设计的学习过程中，要把握教学的度：只要学生理解、体会、归纳出科学研究的一般过程即可，没有必要一定要学生对实验过程的相关概念作定义。

生物教师必须鼓励学生们建立自己对生物实验设计的理解性意义，发展学生自己对科学过程的使用和本质的理解，并以对自己有意义的方式把生物实验设计的思路应用到新的情景中去――这应是高考中生物实验设计命题对我们平时教学提出的指导性意义。