李能國

摘 要 敘述了生物學定量實驗是培養(yǎng)學生理性思維、科學精神的重要途徑，對定量實驗的結構進行分析，從而為定量實驗教學的有效性和評價的針對性提供基礎。

關鍵詞 定量實驗 結構分析 實驗教學

中圖分類號 Q-31 文獻標志碼 B

開展定量實驗是培養(yǎng)學生理性思維、科學精神的重要途徑之一。在《普通高中生物課程標準》和《義務教育生物學課程標準（2011版）》的教學建議中，對定量實驗要求的描述是：“在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應給學生提供機會學習生物學研究中的測量方法，實事求是地記錄、整理和分析實驗數(shù)據(jù)，定量表述實驗結果等?！眱蓚€不同學段的課程標準，對定量實驗的要求描述完全相同，都缺少相應的質(zhì)量標準或水平層次描述，從而使定量實驗的教學陷入一種模糊狀態(tài)，不利于教學目標的制定和實驗教學的評價。教師對生物學定量實驗的認識和要求，常常來自考試說明和高考試題，以應試為導向的定量實驗教學，必然影響定量實驗的教育價值。

對生物學定量實驗的結構進行分析，發(fā)現(xiàn)其由測量方法、記錄數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和定量表述4個要素組成見（表1）。把握定量實驗要素的內(nèi)涵，是提升定量實驗教學有效性的基礎和保障。

1 測量方法

生物學定量實驗的測量方法可以分為實驗法、模型法和調(diào)查法三種類型。開展定量實驗，讓學生學習和掌握多種生物學研究中的測量方法。

實驗法是人們依照研究目的，使用科學儀器和設備，有意識地去控制自然條件，使自然過程純化、典型化，從而認識客觀世界的方法。如“探究幾種食物熱價的差異”中使用天平、量筒、溫度計等儀器。實驗法通過控制自變量，限制無關變量，從而使復雜的現(xiàn)象變得簡單，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行重復實驗加以驗證。

模型法是對客觀對象進行觀察，并對所獲得的科學事實進行初步的概括后，利用想象、抽象、類比等方法，建立一個反映和代替客觀對象的模型，通過對模型的研究來揭示客觀對象的特征和本質(zhì)的方法。定量實驗的模型法主要適合在高中階段開展，如“模擬探究細胞表面積與體積的關系”“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”“用數(shù)學方法討論基因頻率的變化”“嘗試建立數(shù)學模型解釋種群的數(shù)量變化”等。用模型來代替被研究對象，簡化和理想化地再現(xiàn)原型與研究目的有關的各種基本因素和聯(lián)系，略去非本質(zhì)的細節(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)查法是通過抽樣的基本步驟，采用問卷、訪談、樣方等方法了解調(diào)查對象的有關信息，加以統(tǒng)計分析的研究，如“調(diào)查班級學生的近視率”“調(diào)查常見的人類遺傳病”“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，能在較短的時間里獲得大量資料。開展調(diào)查研究類的定量實驗，要隨機取樣，盡量多地收集數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，尋找數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律。

2 記錄數(shù)據(jù)

選擇適宜的測量方法，設計嚴謹?shù)膶嶒灧桨福_操作，仔細觀察，便可以獲得大量的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是定量實驗的產(chǎn)物，也是進行統(tǒng)計分析的基礎。一般來說，原始數(shù)據(jù)不允許用鉛筆記錄；在記錄發(fā)生錯誤時，修改部分要保持錯誤數(shù)據(jù)可見；原始數(shù)據(jù)必須附在實驗報告中。記錄數(shù)據(jù)需要設計記錄表格、注明計量單位和確定有效數(shù)字。

設計記錄表格，一方面有利于數(shù)據(jù)的全面采集和填寫，另一方面使各種數(shù)據(jù)一目了然，便于進行定量分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。記錄表格通常包括標題、表頭、列標、行標、數(shù)據(jù)格5個部分，如果列標表示實驗組別或?qū)嶒炞宰兞?，則行標表示對每個實驗組測量的次數(shù)、同一實驗組內(nèi)不同個體、測量時間等信息，并在最后加入“總和”或“平均值”。根據(jù)實驗的具體情況，行標與列標表示的內(nèi)容可以互換，從而保證表格的布局合理。

計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，要賦予計量單位以約定的名稱和符號，如毫克（mg）、分鐘（min）、體積摩爾濃度（mol/L）等。在記錄數(shù)據(jù)時，一定要在記錄表格中明確計量單位，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際能夠測量到的數(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)表示了測量所能達到的程度，這也與所用的測量工具有關，當測量儀器和被測量選定后，測量值的有效數(shù)字位數(shù)就己經(jīng)確定。如在“探究幾種常見食物熱價的差異”的實驗中，使用的溫度計最小刻度是1℃，有效數(shù)字只能到小數(shù)點后一位。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是將收集的數(shù)據(jù)進行整理、加工和分析，使其轉(zhuǎn)化為信息的過程。中學生物學定量實驗的數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)的可靠性分析、簡單的數(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)獲得方法的科學性以及數(shù)據(jù)的有效性上。首先要對幾次的平行實驗數(shù)據(jù)進行篩選，若有明顯偏移的數(shù)據(jù)，應反思獲得數(shù)據(jù)的方法是否符合基本的原理、是否嚴密、出現(xiàn)誤差的可能原因是否為不規(guī)范操作等。如果測量方法科學，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。

簡單的數(shù)據(jù)處理主要集中在計算和數(shù)據(jù)的取舍上。一般定量實驗都要平行進行若干次，取平均值作為最終的計算結果，有明顯偏移的數(shù)據(jù)在計算時應當舍棄，否則會使最終的結果產(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”的實驗中，首先要計數(shù)樣方或血球計數(shù)板小方格內(nèi)部的個體，對于處在界線上的個體，只計數(shù)相鄰兩條界線及其頂點上的，不能將邊界上的個體全部計入或者不計。由于生物學的特殊性，一些計算結果可保留小數(shù)，如“探究酸雨對種子萌發(fā)的影響”實驗，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)點后1～2位數(shù)。有些結果不宜保留小數(shù)，如種群密度的調(diào)查結果一般取整數(shù)。

數(shù)據(jù)分析是運用生物學基礎知識、原理解讀實驗數(shù)據(jù)所表達的信息，通過推理和歸納得出科學可靠的結論的過程。如在“探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度”實驗中，設計一組NAA濃度梯度溶液進行實驗，以生根的數(shù)目或總長度為觀測指標，每5 d采集一次實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)生長素的作用表現(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)曲線變化趨勢作出推測，也可以不斷縮小濃度梯度進行實驗，使實驗結論更精確。

4 定量表述

定量表述實驗結果是指運用圖表、數(shù)學模型等描述生物學實驗的結果。定量表述將實驗過程與結果進行抽象，從而揭示相關變量之間的關系和規(guī)律，避免冗長的文字描述，便于分析、表達和交流。

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

數(shù)學建模就是把現(xiàn)實世界中的實際問題加以提煉，抽象為數(shù)學模型，求出模型的解，驗證模型合理性，并運用該數(shù)學模型來解釋現(xiàn)實問題，如“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”“用數(shù)學方法討論基因頻率的變化”等。建立數(shù)學模型可以排除環(huán)境因素、人為操作等無關變量的干擾，尋找出相關變量之間的本質(zhì)關系。

定性實驗能夠發(fā)現(xiàn)研究對象是否具有某種性質(zhì)或某種關系，只作定性描述而缺乏定量研究，不能使科學發(fā)現(xiàn)具有普遍意義。雖然初中與高中兩個學段對定量實驗的要求表述相同，但在初中階段，生物學實驗注重讓學生體驗科學探究的一般過程，初步學會科學探究的一般方法，因此，定性實驗多，定量實驗少。定量實驗的原理、方法相對簡單，現(xiàn)象明顯，隨著學生思維能力的提升，在高中生物課程標準中，大量增加了定量實驗。明確定量實驗的結構要素，才能整體規(guī)劃設計定量實驗的教學目標，關注學生能力形成過程，關注過程性評價，從而培養(yǎng)學生獨立運用科學的思維和方法去分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生嚴謹、敢于質(zhì)疑、堅持不懈的科學精神。

參考文獻：

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