培养学生科学探究能力的思考(邵江樵).ppt

培养学生科学探究能力的思考 宁波效实中学邵江樵 普通高中生物新课程标准 实验 提高生物科学素养 面向全体学生 倡导探究性学习 注重与现实生活的联系 明确提出了生物新课程的四个理念 普通高中生物新课程标准 实验 新课程的三维目标 包括了知识 情感态度与价值观和能力三个方面的具体要求 生物学科命题要体现生物课程属于科学课程的性质 要重视考生科学素养的考查 在生物科学和技术的基础知识 科学探究的方法 获取新知识和处理信息的能力 思维能力 分析和解决实际问题的能力等方面对考生的表现进行测量 要重视理论联系实际 关注科学技术 社会经济和生态环境的协调发展 2009年浙江省理 科综合 考试说明 一 理解能力 二 实验与探究能力1 能独立完成 生物知识内容表 所列的生物实验 包括理解实验目的 原理 方法和操作步骤 掌握相关的操作技能 并能将这些实验涉及的方法和技能进行综合运用 2 具备验证简单生物学事实的能力 并能对实验现象和结果进行解释 分析和处理 3 具有对一些生物学问题进行初步探究的能力 包括运用观察 实验与调查 假说演绎 建立模型与系统分析等科学研究方法 4 能对一些简单的实验方案进行设计并作出恰当的评价和修正 三 获取信息的能力 四 综合运用能力 2009年浙江省理 科综合 考试说明 科学探究能力 所谓科学探究能力 科学过程技能 是指从事科学研究工作的能力 包括一些工作方法 技能和思想方法 例如观察 测量 分类 计算 对数据进行组织处理与表达 预期与设计 推论等 新课程中所要求科学探究能力 1 客观地观察和描述生物现象 2 通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的 可以探究的问题 3 分析问题 阐明与研究该问题相关的知识 4 确认变量 5 作出假设和预期 6 设计可行的实验方案 7 实施实验方案 收集证据 8 利用数学方法处理 解释数据 9 根据证据作出合理判断 10 用准确的术语 图表介绍研究方法和结果 阐明观点 11 听取他人的意见 利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改 2008年的考试说明中描述为包括确认变量 作出假设和预期 设计可行的研究方案 处理和解释数据 根据数据作出合理的判断等 如何培养学生科学探究的思想方法 核心 构建 假设 演绎法 基本模式 根据问题提出假设 设计实验验证假设 设计实验方案阶段 实施实验方案阶段 实验原理 实验器材和用具 实验步骤 预期结果 实施实验步骤 观察测量实验结果 对假设作出判断 如果观察到的事实与预期的结果相符合 则证实假设是正确的 如果不相符 则假设就必须修正或摈弃 一 提出假设 1 明确提出假设的目的假设是根据已有的知识和生活经验 为解答问题而提出尝试性的回答 例如 1925年两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质 在空气 水界面上铺展成单分子层 测得单分子层的面积恰好为红细胞表面积的2倍 提出了 脂质在膜上是双分子层分布 的假设 2 假设的提出具有合理性任何一个假设提出不是凭空猜想 必须以已经发现的事实材料和已知的科学原理为依据 虽不充分 但却真实可靠 例 从细胞膜电镜下的 暗 明 暗 三层结构 蛋白质 脂质 蛋白质 单位膜模型的假设 一 提出假设 3 假设具有预测性 假设虽然是在不完全或不充分的经验事实基础上推导出来的 有待于实践的证实 也只有经过科学实践的检验才能发展为理论 然而假设的合理性又使它对一些现象或事件的出现能够做出尝试性的 合理的解释 因而有一定的预测性 实际所预期的往往不是假设本身而是假设的推论 即从该假设中演绎推理出来的推论 即预期实验结果 如为了检验 原生质层相当于半透膜 这一假设 并没有直接从微观上去看水分子可以透过 蔗糖分子不能透过 而是演绎出宏观现象 质壁分离和质壁分离复原 实验发现葡萄糖不能通过人工的无蛋白质的磷脂双分子层膜 但细胞可以吸收葡萄糖的事实 为什么 提出你的假设 分析 细胞膜的结构与人工脂质膜有别 还有蛋白质分子 葡萄糖的通过是否会与蛋白质有关 从而提出假设 葡萄糖的跨膜运输与膜蛋白有关 举例 一 提出假设 2008年四川理综卷30 为确定人体在运动时呼出气体中的co2浓度是否比静止时高 某同学进行了如下探究 人体在运动时呼出气体中co2浓度比静止时高 实验过程 在3个烧杯中 分别注入100ml蒸馏水 测定其ph 实验者在安静状态 静坐2min 中度运动 步行2min 以及剧烈运动 跳绳2min 后 立即分别向上述3个烧杯的水中吹入等量气体 测定ph 经多次重复实验 所得平均数据如下表 08高考中的体现 一 提出假设 作出假设 作出假设 人体在运动时呼出气体中co2浓度比静止时高 实验结果 08高考中的体现 请回答 1 作出上述假设的依据是 2 该实验的原理是 3 从表中数据可以看出 越大 下降幅度越大 由此可以得出结论 从而可以验证上述假设 随着运动强度的增加 呼出的co2浓度增加 由于人体在运动时的耗能增加 呼吸作用加强 产生co2的量增加 所以呼出co2的浓度增加 co2在水中溶解后使水的ph下降 人在不同运动状态下产生的co2不同 溶于水后也会导致ph不同 通过测定水ph的变化可以推测呼出气体中co2浓度的变化 运动强度 ph 假设的提出具有合理性 任何一个假设提出不是凭空猜想 必须以已经发现的事实材料和已知的科学原理为依据 一 提出假设 果蝇种群中常出现性染色体异常的现象 从而产生不同的表现型 已知 性染色体组成为xxx和yo 细胞中只有一条y染色体 没有x染色体 时表现为胚胎期致死 xxy时表现为雌性可育 xyy时表现为雄性可育 而xo 细胞中只有一条x染色体 没有y染色体 表现为雄性不育 为探究果蝇眼色的遗传方式 摩尔根的合作者布里吉斯 bridges 做了下列杂交实验 白眼雄果蝇 红眼雌果蝇 全部红眼 白眼雌果蝇 红眼雄果蝇 1 2白眼雄 1 2红眼雌 但布里吉斯通过大量实验发现白眼雌果蝇与红眼雄果蝇的杂交子代有少数例外 每2000 3000只雌果蝇中出现一只白眼可育果蝇 每2000 3000只雄果蝇中出现一只红眼不育果蝇 对出现以上例外写出你的假设 设有关基因为b b 必修2第38页拓展题 经典试题综合练习 经典试题综合练习 假设 演绎法是在观察和分析基础上提出问题 通过推理和想像提出解释问题的假说 根据假设进行演绎推理 再通过实验检验演绎推理的科学方法 果蝇体表硬而长的毛称为刚毛 一个自然繁殖的直刚毛果蝇种群中 偶然出现了一只卷刚毛雄果蝇 请回答下列问题 卷刚毛性状是如何产生和遗传的呢 有一种假设认为这是亲代生殖细胞中x染色体上的基因发生显性突变 请尝试再写出两种假设 注 由于在一个自然繁殖的种群中 偶然出现了一只 答成 由隐性基因的携带者交配后代发生性状分离 不够合理 亲代生殖细胞中x染色体上基因发生隐性突变 亲代生殖细胞中常染色体上基因显性突变 环境影响基因的表达 二 设计实验方案验证假设 为了能根据实验目的设计出合理的实验方案 需把握三点 明确实验原理弄清三种变量遵循实验设计原则 明确实验原理 体现对所学知识的理解和应用能力的考查 如探究酵母菌细胞呼吸类型实验的原理有 的重铬酸钾溶液在酸性条件下与酒精反应变成 co2可使澄清的石灰水变浑浊 根据石灰水浑浊程度 可以检测酵母菌培养液中co2的产生情况 或co2可使溴麝香草酚蓝水溶液由 根据溴麝香草酚蓝水溶液变色程度 可以检测酵母菌培养液中co2的产生情况 橙色 灰绿色 蓝变绿再变黄 明确实验原理 为了验证胰高血糖素具有提高血糖浓度的作用 请根据以下提供的实验材料和用具 分析实验原理 设计实验步骤 预测实验结果 材料与用具 一组正常小鼠 适宜浓度的胰高血糖素溶液 注射器 试管 烧杯 斐林试剂等 要求 答题时对该组小鼠不再分组 注射计量不作要求 1 实验原理 2 实验步骤 3 预测实验结果 分析三种变量 实验中的变量有自变量 因变量和无关变量三种 自变量 实验变量 是实验中人为控制的实验条件 因变量 反应变量 是自变量所引起的变化和结果 与因变量之间有着因果关系 对实验结果有影响的其他因素称之为无关变量 实验方案要求实验者能够操纵自变量 控制无关变量 明确因变量 对自变量的操纵通常用 加法 或 减法 原理来完成 所谓 加法 就是以自然状态为对照组 给实验组添加实验变量 所谓 减法 则以有实验变量 自然状态 为对照 给实验对象施以去掉实验变量的干扰 通过对比以确定被减去的变量对实验结果的影响 对无关变量的控制 体现在要求使用试剂的量上等量 选材上要生长状况一致 进行随机分组 设法提供相同且适宜的其他条件 以排除其他条件对实验结果的影响等等 2005年广东生物卷 研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液l00oml 利用以下实验材料和器材设计实验 探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响 实验材料和器材 水稻种子 试管 培养皿 纱布 尺子 100mm 蒸馏水 恒温光照培养箱 温度设定为28 光强度为2000lux 实验材料和器材的数量不限 根据给出的实验材料和器材 请设计实验方法和步骤 各种不同浓度的重金属污染液 配制几种不同浓度的重金属污染液 影响种子萌发的内因 籽粒饱满 大小等 影响种子萌发的外因 水分 空气 温度等 用稍许几粒种子实验的偶然性 平衡 抵消法 选籽粒饱满 大小一致的水稻种子 去掉材料差异对实验的影响 恒定法 给实验组和对照组以相同的 适宜的种子萌发的外界条件 消除法 选一定数量的种子进行重复平衡实验 种子萌发情况 发芽率 水稻生长情况 幼苗高度 统计发芽率 用尺子测量幼苗株高 并计算其平均值 对实验组运用加法原理对研究对象施加干扰 2005年广东生物卷 探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响 设计实验方法和步骤 参考答案及变量分析 用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10 102 103 104倍 稀释过程中ph值的变化可不作考虑 获得4种不同浓度的污染液 挑选籽粒饱满 大小一致的水稻种子250粒 随机分成5组 50粒 组 取5只培养皿分别编上1 5号 垫上纱布 其中4只培养皿加入等体积的不同浓度重金属污染液 浸润纱布即可 另1只培养皿加入等体积的蒸馏水作为对照 在每只培养皿的纱布上 均匀放置50粒水稻种子 将5只培养皿置于28 恒温 2000lux光照的培养箱中培养 每天实验组补充等量的相应浓度重金属污染液 对照组补充等体积的蒸馏水 以保持纱布的湿润 1周后统计各组的发芽率 用尺子测量幼苗株高 或根长 计算其平均值 操纵自变量 平衡 抵消法 消除法 控制无关变量 维持实验条件 恒定法排除无关变量 明确因变量 遵循实验设计原则 实验设计原则有科学性原则 对照原则 单一变量原则 平行重复原则 简便性原则等 合理的设计方案首先要有科学依据 具有严谨的逻辑性 第二要考虑可操作性和简便性 第三须遵循几个基本的实验设计原则 尤其是对照原则和单一变量原则 1 定义 除了一个因素以外 其余因素都保持不变的实验叫做对照实验 2 作用 通过设置对照实验 可以排除无关变量的干扰 增加实验结论的可信度和说服力 3 形式 实验设计中可采用的对照方法很多 有空白对照 自身对照 相互对照 条件对照等等 如质壁分离和质壁分离复原实验 是在同一对象上先后实施不同的实验条件 叫做自身对照 教材必修 1 p79过氧化氢分解实验中的1号试管属于空白对照的经典代表 对照实验原则 关于对照组和实验组的区别 实验组即条件控制组 具体是加法原理中的添加变量组 减法原理中的去除变量组 对照组 自变量 加法 减法 有实验变量处理 无实验变量的处理 空白对照 实验组 有实验变量处理 无实验变量的处理 对照组 实验组 一般 一般 关于对照组和实验组的区别 实验组即条件控制组 具体是加法原理中的添加变量组 减法原理中的去除变量组 例如 2005 北京春季理综 5 为验证光是植物生长发育的必要条件 设计如下实验 选择生长状况一致的小麦幼苗200株 随机均分为实验组和对照组 分别处理并预期结果 下面是关于实验组或对照组的处理方法和预期结果的几种组合 其中正确的是 实验组 对照组 黑暗中培养 在光下培养 生长育好 生长不良a b c d b 对照实验的方法是把对照组与实验组的结果进行比较 从而确定实验条件对实验结果的影响 对照实验中实验组和对照组之间只有一个因素有别 即进行单因子变量的比较 实现一因一果 要进行单因子比较 就必须设法控制其它可能有影响的诸多因素 即无关变量 尽量使这些因素控制在相同且适宜的条件下 这是对照实验的基本要求 也是对照实验过程中自始至终要遵循的重要原则 单因子变量原则 以变量思想指导实验步骤 决定 影响 自变量 具有可操作性 无关变量 具有可控性 因变量 具有可测性 在设计步骤时需要依据实验目的和实验原理 分析需要操纵的自变量 控制的无关变量和观察或测量的因变量 按操纵自变量 控制的无关变量 观察或测量的因变量的思路叙述实验步骤 为了验证甲状腺激素的生理作用 试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标 根据给出的实验材料和用具 设计实验步骤 预测实验结果 并作出分析 1 材料和用具 日龄相同 体重相近的雄性成年大白鼠两组 甲状腺激素溶液 蒸馏水 灌胃器 耗氧量测定装置 小动物活动测定仪等 实验提示 给药途径为每日灌胃 给药剂量和仪器操作不作考试要求 室温恒定 2 方法与步骤 解题步骤 1 明确实验目的2 分析实验原理3 提出实验思路 实验变量 操纵方法 无关变量 控制方法 反应变量 检测方法 1 预期结果是在实验方案实施之前 对实验结果的基本预测 2 预期结果是以所提假设为依据 进行演绎推理后得出的一些具体的推论 3 一种假设之下只能演绎出一种预期的结果 4 预期结果目的是为了与实验的真实结果进行比较 以确定假设是否得到支持 如果观察到的事实与预期的结果相符合 则证实假设是正确的 如果不相符 则要对假设作出修改和补充 5 验证性实验的预期是已有结论的实验 只有与结论相呼应的一种预期结果 6 探究实验的预期由于假设的多样性有多种预期结果 三 预期实验结果 例 为了验证叶片在光合作用和呼吸作用过程中有气体的产生和消耗 设计步骤如下 用打孔器打下叶圆片若干 置于盛清水的烧杯中 拔出针筒栓 用左手食指盖住针筒口 将叶片连水一起倒入针筒内 将针筒栓插入针筒 同时将筒口向上 放开食指 调节针筒栓 排出针筒内的全部空气 用食指按住针筒口 用右手往外拔针筒栓 造成针筒内负压 于是叶圆片中的空气抽出 水则进入叶圆片 重复3 4两步骤 使叶圆片中 叶肉细胞间隙的气体全部排出 叶圆片全部沉入水底 在a b两个烧杯中分别加入等量的蒸馏水和碳酸氢钠溶液 然后将叶圆片分别转移到a b两个烧杯中 并将它们放在温暖有光处 观察烧杯中的叶圆片的位置 再将这两只烧杯放在温度适宜的暗培养箱中一段时间 观察烧杯中的叶圆片的位置 请预期实验结果 并进行原因分析 a b两个烧杯中分别加入等量的蒸馏水和碳酸氢钠溶液 请预期实验结果 并进行原因分析 1 光处理后 a烧杯 蒸馏水 中的叶圆片 原因是 b烧杯 nahco3稀溶液 中的叶圆片 原因是 光照下 nahco3稀溶液中的叶片进行光合作用和有氧呼吸 释放出的o2多于呼吸作用消耗的o2 叶肉细胞间隙中的o2增加 叶片上浮 位于试管底部 蒸馏水中缺乏co2和o2 叶片不能进行光合作用和有氧呼吸 叶肉细胞间隙缺乏气体 因此叶片仍位于试管底部 上浮 a b两个烧杯中分别加入等量的蒸馏水和碳酸氢钠溶液 请预期实验结果 并进行原因分析 2 暗处理后 a烧杯 蒸馏水 中的叶圆片 原因是 b烧杯 nahco3稀溶液 中的叶圆片 原因是 黑暗中 nahco3稀溶液中的叶片只进行呼吸作用 消耗了叶肉细胞间隙中的o2 放出的co2溶于nahco3稀溶液中 叶肉细胞间隙缺乏气体 叶片下沉 仍位于试管底部 蒸馏水中缺乏o2 叶片不能进行有氧呼吸 叶肉细胞间隙仍缺乏气体 因此叶片仍位于试管底部 下沉 预测实验可能出现的结果 预测实验可能出现的结果与预期实验结果是有区别的 预期是希望得到的结果 来支持假设或需验证的结论的正确 预测是按设计的实验步骤 方案 实施可能得到的结果 预测实验可能的结果 有探究实验和验证实验之分 验证性实验的作答相对较为单一 只有与结论 实验目的 对应的一种结果 而预测探究性实验的实验结果 一定要注意结果和结论的多样性 理由是探究中并没有给出具体的假设 是由于假设上的多样性导致预测结果的多样性 如探究光的有无对某种种子萌发的影响实验中 可能的实验结果有 有光组和无光组种子的发芽率差别不大 有光组和无光组种子的发芽率差别很大 有光组发芽率明显高于无光组 有光组和无光组种子的发芽率差别很大 无光组发芽率明显高于有光组 四 分析实验结果 得出实验结论 实验结果 是实验过程中观察到的现象或收集到的数据 实验结论 是通过对实验结果的分析 比较 抽象概括而得出的定性表述 是对以后的实践活动具有指导作用的 规律性 认识 从一个结果推出一种结论 需要进行推理和想象 结论与结果是一一对应的 同时得出的结论又是与实验目的 或假设 相呼应 为研究胰腺分泌活动的调节机制 研究人员做了下列实验 实验一 刺激通向胰腺的神经 胰液分泌量增加 实验二 切断通向胰腺的所有神经 当食物经胃进入十二指肠时 胰液分泌量增加 实验三 切断动物的胰腺神经后 从另一些动物的胃中取出部分被消化了的食物 取出少量直接导入胰腺神经已被切断的实验动物的十二指肠中 结果发现胰液大量分泌 实验四 把一些相同的食物成分不经过胃直接引入切断了胰腺神经的动物的十二指肠中 结果胰液分泌不增多 实验五 分析胃内的内容物成分 发现其中含有被消化的食物成分 盐酸和胃中的酶 实验六 用少量的盐酸刺激十二指肠 胰液分泌增加 实验七 向切除了胰腺神经的动物的血液和胰管中加人盐酸 胰液