鄭耀賢 王愛東 胡佳娜

(1 北京師范大學(xué)珠海附屬高級中學(xué) 珠海 519080； 2 廣東省珠海市唐國安紀(jì)念學(xué)校 珠海 519080)

《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出課程的宗旨是： 提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任?！翱茖W(xué)探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及結(jié)果的交流與討論的能力[1]。其中，設(shè)計并實施恰當(dāng)可行的探究實驗方案屬于高階的科學(xué)探究水平(水平三、水平四)。縱觀近幾年的高考題中，實驗設(shè)計題都占據(jù)了較大比例，較之其他題型，生物學(xué)實驗設(shè)計題的得分率偏低。對中學(xué)生生物學(xué)實驗設(shè)計能力的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實驗設(shè)計能力是中學(xué)生探究能力中較薄弱的環(huán)節(jié)[2]。

本文以指導(dǎo)學(xué)生開展“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液對小球藻的化感作用”的實踐為例，說明如何培養(yǎng)設(shè)計實驗的技能，以供參考。

1 例說有效開展設(shè)計實驗

1.1 培養(yǎng)學(xué)生選擇合適的材料藥品、試劑、器具 開展實踐探究活動需要使用各種各樣的實驗材料(如南美蟛蜞菊、黑藻、酵母菌等)、基本實驗器具(如光學(xué)顯微鏡、研缽、移液器等)進行顯微觀察、溶液配制等操作；可能需要使用傳感技術(shù)、分光光度計、電子天平、恒溫光照培養(yǎng)箱、血球計數(shù)板等特定實驗儀器進行實驗數(shù)據(jù)的測定或?qū)嶒灄l件的控制。

教師引導(dǎo)學(xué)生基于實驗?zāi)康暮蛯嶒炇椰F(xiàn)有條件，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，在開展實驗設(shè)計之前進行儀器與材料的選擇、實驗材料的培養(yǎng)、處理等操作，為設(shè)計出恰當(dāng)可行的實驗方案做準(zhǔn)備。本實踐探究活動從儀器與材料、藻種及培養(yǎng)、南美蟛蜞菊根、莖、葉浸提液母液的制取等過程中培養(yǎng)學(xué)生的基本技能。

1.2 遵循實驗設(shè)計的基本原則 包括科學(xué)性原則、對照性原則、單一變量原則。

1.2.1 科學(xué)性原則 所謂科學(xué)性原則，是指實驗的原理要符合科學(xué)原理，實驗結(jié)果的預(yù)期要有科學(xué)依據(jù)，實驗的各個環(huán)節(jié)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[3]。例如，本實驗選用小球藻、南美蟛蜞菊、水浸提液，這些材料易得、有現(xiàn)實意義(STS)?；凶饔玫难芯糠椒ㄒ训玫綄W(xué)者們的認(rèn)可。

1.2.2 對照原則 生物學(xué)實驗設(shè)計通常通過設(shè)置對照，既排除無關(guān)變量的干擾，又增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。一個實驗通常包括實驗組和對照組。本實驗通過將南美蟛蜞菊根、莖、葉濃度梯度為0、 0.5、 1、 2g/L的化感培養(yǎng)液分別處理小球藻，該實驗0g/L組與其他濃度組的設(shè)計遵循空白對照的原則；同一濃度的根、莖、葉提取液處理小球藻遵循相互對照原則；某一器官某一濃度的浸提液對小球藻的種群影響隨時間變化遵循自身對照原則。

1.2.3 單一變量原則 單一變量原則即控制唯一變量而排除其他因素的干擾，從而驗證唯一變量的作用。強調(diào)的是不論一個實驗中有幾個自變量，都應(yīng)做到一個自變量對應(yīng)觀測一個因變量。例如，本實驗中“不同濃度根浸提液與小球藻種群密度”“不同濃度根浸提液與小球藻的抑制率”“同一濃度根、莖、葉浸提液與小球藻種群密度”“時間與小球藻種群密度”等都嚴(yán)格遵循單一變量原則。

經(jīng)典的科學(xué)實驗都是經(jīng)過歲月的沉淀和歷史的檢驗，教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)史中汲取相關(guān)的實驗設(shè)計思維，領(lǐng)悟?qū)嶒炘O(shè)計的原則，并不斷通過實踐，提升學(xué)生設(shè)計實驗的適切性。

1.3 引導(dǎo)學(xué)生制定科學(xué)合理的實驗步驟 教師以“南美蟛蜞菊根浸提液對小球藻的化感作用”為例(表1)，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗設(shè)計、不斷完善并舉一反三，分別設(shè)計“南美蟛蜞菊葉浸提液對小球藻的化感作用”和“南美蟛蜞菊莖浸提液對小球藻的化感作用”，學(xué)生在反復(fù)操練中，感知并提升了設(shè)計實驗的技能。

2 培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力的教學(xué)策略

2.1 利用教材的“技能訓(xùn)練”項目 人教版高中生物學(xué)必修教材設(shè)置有“技能訓(xùn)練”欄目，其中關(guān)于設(shè)計實驗的內(nèi)容在必修1～3中都設(shè)置。必修1有設(shè)計實驗，必修2有設(shè)計實驗程序，必修3有評價實驗設(shè)計和結(jié)論，三個模塊對設(shè)計實驗的培養(yǎng)目標(biāo)逐漸進階。這種相對簡單又科學(xué)合理的安排有利于促進學(xué)生設(shè)計實驗技能螺旋式上升。

表1 “南美蟛蜞菊根浸提液對小球藻的化感作用”實驗操作流程

2.2 利用教材中的“探究”實驗 人教版高中生物學(xué)必修教材共設(shè)置了10個“探究”實驗，這些欄目大多有“設(shè)計實驗”這一專項，并根據(jù)該實驗的難度、在教材中的順序等因素，分別以“參考案例”的形式或者問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生重視對設(shè)計實驗的訓(xùn)練。教師可以充分利用這些資源開展專項訓(xùn)練，提升學(xué)生設(shè)計實驗的能力。

2.3 利用高考實驗設(shè)計題進行訓(xùn)練 近年來，為落實生物學(xué)核心素養(yǎng)，高考題中“設(shè)計實驗”題目逐漸增多，以期達(dá)成“科學(xué)探究”這一重要素養(yǎng)的考查。例如，2017年全國新課標(biāo)Ⅰ卷考查了“請利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出： ①實驗思路；②預(yù)期實驗結(jié)果及結(jié)論”。教師可以將高考試題中的設(shè)計實驗題目用于有目的的專項訓(xùn)練，提升設(shè)計實驗的能力。

3 思考

“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液對小球藻的化感作用”是基于項目開展的綜合實踐探究活動，學(xué)生在探究實踐中掌握基本技能的同時，加深了對生物學(xué)概念的理解，并嘗試運用種間關(guān)系的作用解決生態(tài)環(huán)境中的實際問題，大大提升了學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣。教師在教學(xué)中通過指導(dǎo)具體的實踐，提升了學(xué)生實驗設(shè)計這一科學(xué)探究能力的薄弱環(huán)節(jié)，有利于逐步實現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

(基金項目： 珠海市十三五規(guī)劃課題“基于STEM教育的高中生物科學(xué)探究實踐研究”，No.2018KTG16)