學科教育論文-如何科學地進行生物實驗設計生物科學是一門實驗科學，因此生物實驗一直是生物學高考必出的內容。從近幾年的實驗題在高考中的題型變化來看，借助實驗方法創設新情境，側重考查學生對實驗進行解釋和分析的能力已成為命題趨向，其中設計型實驗題更是熱點。由于實驗設計是較高的能力要求，除要具備一定的知識基礎外，還需要具有一定的創造能力。所設計的實驗是建立在科學的基礎上的，還應具有一定的觀察和發現問題的能力。因此這一類考查考生綜合分析能力的題型在高考實驗復習中顯得尤為突出，也是令學生非常頭痛的。下面結合本人兩年來如何進行高三實驗設計復習的實踐，談一點自己的體會。一、什么是實驗設計所謂實驗設計，就是要求學生設計實驗原理，選擇實驗器材，安排實驗步驟，設計數據處理的方法及分析實驗的現象。它包括設計實驗方案、設計實驗步驟、設計實驗改進方法等。實驗設計，主要考查學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。一個完整的實驗設計過程包括5個環節。發現問題、提出問題、實驗設計（包括假說和預期的結論）、實驗實施、結論（包括推導和運用結論）。其中實驗設計是聯系問題和結論的必要橋梁。二、實驗設計的基本原則1）科學性原則指實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當，整個設計思路和實驗方法的確定都不能偏離生物學基本知識和基本原理以及其他學科領域的基本原則。2）平行重復性原則平行重復原則，即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復，這是具有科學性的標志。上述隨機性原則雖然要求隨機抽取樣本，這能夠在相當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：一是確保“單一變量”的實驗觀測，不論有幾個實驗變量，都應做到一個實驗變量對應觀測一個反應變量；二是確保“單一變量”的操作規范，實驗操作中要盡可能避免無關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變量對實驗結果的影響。實驗對照原則是設計和實施實驗的準則之一。通過設置實驗對照，又排除無關變量的影響，又可增加實驗結果的可信度和說服力。按對照的內容和形式上的不同，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所給定的實驗變量意義的。D.相互對照指不另設對照組，而是幾個實驗組相互對比對照。三、實驗設計的方法一個比較完整的實驗設計方案，一般包括這樣幾方面的內容：1）實驗題目的確定；2）提出假說；3）設計實驗方法和步驟；4）提出實驗的預期結果；5）要觀察和搜集的數據及方法。書寫實驗設計方案通常包括：“實驗課題”、“實驗假說”、“實驗預期”、“實驗目的要求”、“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“實驗結論與討論”等項目。而在中學生物課本的實驗指導中，實驗假說和實驗預期大都隱含在“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。因此在實驗設計中可以從以下幾個方面去考慮：1）明確實驗目的，即需要驗證的生物學事實；2）嚴格遵守實驗原理，實驗所依據的科學原理，涉及到的生物學及相關學科的方法和原理；3）恰當選擇實驗對象，選擇最能體現此生物學事實的具體對象，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方法處理后，認真研究實驗裝置設計的嚴密性和合理性；5）合理設計實驗步驟，要注意實驗步驟的關聯性和延續性，實驗操作的程序性；6）精心設置對照組實驗，控制和消除無關變量對實驗結果的影響；7）提出假設條件，預測結果，假設是對可見現象作出可以檢測的解釋，假設的成立與否依賴證據（預測結果符合事實或實現則假設成立；反之則假設不成立）；8）仔細觀察實驗現象，詳細記錄實驗結果，只考慮單一實驗變量對結果的影響；9）認真分析原因，全面討論結果，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，某同學制訂了下列實驗方案：(1)實驗目的(略)(2)實驗材料和用具(略)(3)實驗方法和步驟用一適當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，消耗掉葉片內貯藏的有機物。暗室內裝有紅色安全燈。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，平鋪在一個培養皿中，用碘液，檢測有無葡萄糖的特異顏色反應出現。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，影響實驗結果；淀粉遇碘變藍是淀粉等特有的顏色反應，而不是葡萄糖的顏色反應。鑒定還原糖(葡萄糖)的存在應用的試劑是班氏試劑。正確答案是：(1)實驗步驟中暗室內用紅色安全燈是錯誤的，應改為綠色安全燈(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)未設對照。對照的作法是：a裝置同題干中的步驟，但玻璃罩內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，消耗掉葉片內貯藏的有機物。暗室內裝有綠色安全燈。c重復題干中的步驟。d重復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：科學性和嚴謹性。主要指實驗設計必須有充分的科學依據，在某些實驗中要有對照實驗。實驗條件的一致性和可重復性。在實驗中除要設計的變量外，其他條件都要一致，并且一個實驗不能只看一次的結果，必須有足夠的實驗次數，才能判斷出實驗結果的可靠性。實驗器材的選擇。實驗中材料用具的選擇是非常重要的，要根據實驗所提出的問題和要求，聯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。準確表達實驗結果和進行數據處理。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，剝離出脊髓一側的一對脊神經根（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后肢發生運動反應。以已知背根含有傳入神經，腹根含有付出神經，背根與腹根合并成脊神經。請根據上述提供的實驗材料（實驗用具自選）設計實驗步驟，并預測實驗結果，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，觀察蛙后肢是否發生運動反應。預期結果：電刺激背根向中段應發生蛙后肢運動反應，電刺激背根外周段不發生反應，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，觀察蛙后肢是否發生運動反應。預期結果：電刺激腹根向中段不發生反應，電刺激腹根外周段就發生后肢運動反應，說明腹根具有傳出功能。例3、現有一種植物的種子，已經知道它的萌發受水分、溫度和氧氣的影響，但不了解其萌發與光是否有關，探究光的有無對該種子萌發的影響