高中生物新课程实验教学的思考与探索

高中生物新课程实验教学的思考与探索江苏省淮阴中学孙立祥 生物学是研究生命现象和生命运动规律的科学 观察和实验是研究生命科学的基本方法 高中学生通过生物课的学习 不仅要获得关于生命活动规律的基础知识 而且要在科学方法 科学能力 科学态度 科学精神 创新意识等方面得到发展 科学方法分类图表 一 高中生物新课程中实验内容的分类 分级安排与特点 普通高中生物课程标准 实验 指出 教师应尽可能多地让学生参与实验和其他实践活动 在中学生物学课程中 实践活动应包括学生在各种实际工作条件下使用适当的设备和材料所进行的任何活动 在当前的教学条件下 实践活动大多在实验室里进行 包括 以教师操作为主的演示实验 以学生动手为主的观察 验证或探究实验 以实验探索为核心的研究性学习 以个性发展为目标的特长生动作技能训练 以实验为辅的专题讲座或单元课堂教学等 高中生物新课程中的学生实验 主要安排在必修部分的各个模块和选修部分的 生物技术实践 模块中 一 中学生物实验的分类 1 早在20世纪70年代 克洛普弗等学者认为 中学理科实验室的教学活动主要有 按照既定程序进行的练习 实验操作和验证的活动 聆听科学方法的讲座 执行凯勒计划 即以个性发展为目标的技能训练 多媒体辅助的实验教学 实验的发现活动 设计活动 学生参与的研究活动等 一 中学生物实验的分类 2 克洛普弗将实验室教学活动的目标概括为 获得知识和培养理解能力 训练动作技能 参与科学探究的过程 包括观察 测量 分析数据 提出问题和解决问题的方法 了解科学家的方法 培养对科学知识的兴趣和科学态度 提高对科学知识及方法的应用能力 一 中学生物实验的分类 3 根据学生实验目标的不同 可将学生参与的实验活动分为3类 观察验证型实验 实验观察技能和实验操作技能 探究型实验 科学探究能力 创新型实验 实验创新能力 二 中学生物实验的分级 三 高中生物新课程的实验安排 选修1 生物技术实践 模块全部为学生实验课 该模块内容包括 微生物的应用 酶的应用 生物技术在食品加工中的应用 生物技术在其他方面的应用等部分 共有13项课题 26个具体实验内容 不同实验内容的教学目标各有侧重 有的侧重于使学生习得基本概念或原理 有的侧重于实际应用 有的侧重于科学方法训练和培养学生的科学态度 该模块的实验不要求学生全部完成 教师应根据学校的教学条件 指导学生选做 项课题的具体实验 每项实验活动时间不做硬性规定 同一项课题的具体实验内容可以穿插进行 该模块的实验多为探究性实验 有的为自主式探究 大多数为引导式探究 在引导式探究活动中 学习资料中提出实验结构或程序 学生自己设计并进行实验 通过参与探究过程有所体验和发现 从而达到预期的实验目标 多样性 观察实验 验证假设实验 定性实验 定量实验等多种形式探究性 在结果 现象未知的情况下通过实验设计去探索 进而获得结论 完整性 实验教学的 实验设计 可以采用生物材料设计实验 也可以设计模拟性实验 有条件的学校还可以适当引入多媒体技术进行虚拟实验 应鼓励学生参与设计实验 主体性 强调学生收集处理 分析总结 观察和创新等能力的培养协作性 倡导合作性学习方式 四 实验教学内容的特点 二 高中生物新课程确定实验内容的依据及动作技能与探究能力的要求 一 选择高中生物新课程的实验内容的依据 1 根据新课程的理念和目标 课程理念 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 课程目标 标准 中提出11项具体要求 其中的许多方面只有通过实验探究才能实现 2 根据学生的知识基础 心理特点和认知规律高一学生已具备一定生物学基础知识 这些知识以描述生物体的生命现象以及生物与环境的关系为主 他们更希望通过自主学习进一步认识生命的本质 以及生物与环境之间相互作用的实质 他们的思维活动正在完成由形象思维为主向抽象思维为主的过渡 根据学生的知识基础 心理特点和认知规律 新课程的实验内容注重动作技能训练的作用 在完成必要的实验操作技能训练的前提下逐步开展验证性和探究性实验教学 3 根据课程内容的性质 分子与细胞 观察和实证的方法 建议以观察验证型实验设计为主 辅以探究实验设计进行教学遗传与进化 假说 演绎的方法 建议以探究实验设计为主 辅以观察验证和创新型实验设计进行教学稳态与环境 系统分析和数学模型的方法 领悟系统分析 建立数学模型等科学方法及其在科学研究中的应用 建议以探究和创新型实验设计为主进行教学 辅以其它形式进行教学 4 根据实验条件和教师能力水平 二 高中生物实验的动作技能要求 在中学生物新课程中 动作技能训练的具体内容集中在实习 观察和实验方面 其中主要是生物实验技能 有关动作技能目标的实验教学内容 可划分为动作认知和动作技能两大类 动作认知是指描述如何进行活动的规则 包括实验内容 实验目的 实验原理 材料用具 药品试剂 实验设计 方法步骤 实验结果 分析结论等认知成分 动作技能是指准确 连贯 协调 自动化的操作性动作 标准 对动作技能训练提出的基本要求是 能够正确地使用一般的实验器具 掌握采集和处理实验材料 进行生物学实验的操作 生物绘图等技能 其具体内容及教学目标大致如下表 中学生物课程中动作技能训练的目标 三 发展科学探究能力的具体要求 客观地观察和描述生物现象 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 分析问题 阐明与研究该问题相关的知识 确认变量 作出假设和预期 设计可行的实验方案 实施实验方案 收集证据 利用数学方法处理 解释数据 根据证据作出合理判断 用准确的术语 图表介绍研究方法和结果 阐明观点 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 三 新课程目标下的生物学实验教学 一 观察验证型实验教学设计和建议 一般遵循 目的要求 明确做什么 达到什么样的要求实验原理 材料用具 教师要善于把实验仪器及药品性质 使用原理讲清 让学生明确仪器的原理和药品的特性 是培养学生使用它们的能力的基础方法步骤 培养学生善于分析实验程序实验结果观察与分析 培养学生善于分析实验现象讨论 例 观察蝗虫精母细胞减数分裂 目的要求 识别减数分裂不同时期染色体的形态 位置和数目实验原理 材料用具 蝗虫精母细胞减数分裂固定装片 显微镜方法步骤 识别初级精母细胞 次级精母细胞和精细胞 观察减数分裂各个时期染色体的形态 位置和数目 绘制减数分裂不同时期染色体图 实验结果观察分析 讨论 如何判定和区分减数第一 二次分裂等 观察能力 显微镜的使用操作能力的培养 二 探究型实验教学设计和建议 提出问题 作出假设 实验探究是从提出一个科学问题开始的 所谓的科学问题 是指能够通过收信集数据而回答的问题 高中生物学的每个单元课题中 都包含着许多需要通过实验收集数据并予以解答的问题 作出假设是科学探究的第二步 假设是一种推论或猜想 它是根据已有的知识 收集的证据或者既往经验 对问题作出的尝试性解释 假设的陈述应简而明 通常采用 如果 那么 的句式 假设不是凭空猜想 必须以已有知识 经验或证据为依据 此外 假设的真实性能够被检验 用以检验的依据应来源于收集 分析和解读的实验数据 因此 假设中蕴含着可操作性实验内容 制定计划 预测结果 制定计划是探究性实验活动的关键环节 包括选择实验材料 确定实验用具 配制药品试剂 设计实验方案预测实验结果等 其中 设计实验方案是制定计划的核心 它包括确定实验组合 列出方法步骤 提出注意事项 构思记载实验数据的格式等 设计实验方案时涉及到两个重要步骤 控制变量和给出可操作定义 变量是指实验中可以变化的因子 其中人为改变的因子称为调节变量 一般的实验中只设置一个调节变量 随着调节变量而改变的因子称为因变量 它是为了得到实验结果而需要观察的现象或测量的指标 所谓的给出可操作定义 是指一个阐明某变量应该如何测量 或者某个术语应该如何定义的陈述 例如 如何确定植物细胞是否发生质壁分离或复原呢 可操作性定义是 变厚的原生质层似凸形或帽状包围在收缩的液泡两端 在制定实验方案设计一张记录表 能帮助你有序地记载观察或测量结果 设计的实验方案中 如果涉及到使用易燃 易爆 易碎 有毒 有腐蚀或刺激性的器具和药品时 要写出实验的注意事项 此外 在制定的探究实验计划中 还应该阐述预期的实验结果 预测是对实验计划一旦付诸实施时 可能发生什么 作出的推理 3 执行计划 搜集数据 执行计划是指完成实验操作的过程 实验中得到的观察和测量结果统称为数据 通过收集 整理和解读数据的过程 才能获得支持或否定假设的证据 观察获得的数据通常是指生物体形态 结构 行为和生理现象等 描述和绘图是搜集这些数据的主要方法 测量获得的数据通常是度量衡数值 必须用相应的工具依照国际标准计量单位来测量 将测得的精确数据记录在事先准备的表格中 4 分析数据 得出结论 分析数据是指在实验操作完成后 对收集的实验信息进行整理和解读的过程 通过对数据分析找出研究对象的发展趋势或不同事物之间的联系 思考实验数据提示的事实或规律 确定实验数据是否支持原先的假设 运用证据和逻辑分析对提出的问题做出答案或解释 从而得出最后的实验结论 由此可见 结论就是对实验研究发现的总结 绘制图表是整理数据的常用方法 此外 还可以绘制柱形图 折线图或扇形图等 5 交流评价 进行反思 科学探究常常是一种协作性活动 彼此的交流与评价有助于相互启发和材料共享 自我的反思与修正有助于深入理解科学概念和认识科学活动的性质 交流就是与其他人交换看法 分享信息的过程 交流的内容主要包括 科学探究过程 科学实验方法 描述观察结果 展示测量数据 报告研究成果和结论 为了帮助他人理解你所陈述的复杂过程或事物 需要利用图画 图表 计算机图像等建立一种模型 交流也是一个评价过程 评价内容涉及科学探究程序的方方面面 反思是指能够倾听和尊重他人的质疑 承认不同的观点或解释 并且在吸纳中肯意见的基础上修正自己的观点或结论 例 探究植物花粉母细胞减数分裂 问题 植物的减数分裂过程是否与动物相同 假设 可能相同或不同实验设计 设计实验方案 实验步骤 实验方法等实施实验结果与分析 实验成败的原因 表达 交流 实验结果 实验的关键步骤 实验设计的概念 实验设计 就是要求学生设计实验 选择实验器材 安排实验步骤 设计数据处理的方法及分析实验的现象 它包括设计实验方案 设计实验步骤 设计实验改进方法等 实验设计的 三要素 实验对象 实验所用的材料即为实验对象 实验对象选择的合适与否直接关系到实验实施的难度 以及别人对实验新颖性和创新性的评价 一个完整的实验设计中所需实验材料的总数称为样本含量 最好根据特定的设计类型估计出较合适的样本含量 实验因素 所有影响实验结果的条件都称为影响因素实验效应 实验因素取不同水平时在实验单位上所产生的反应称为实验效应 实验设计的 六原则 对照原则 主要包括空白对照组和非处理因素的实验对照组 随机原则 尽量运用统计学知识来设计自己的实验 减少外在因素和人为因素的干扰 重复原则 在相同实验条件下必须做多次独立重复实验 一般认为重复5次以上的实验才具有较高的可信度 最经济原则平衡原则弹性原则 三 创新型实验教学设计和建议 探索创新能力的主要因素是观察力 想象力 动手操作能力和创造力 完全开放式自主设计实验由学生独立完成以下过程 提出问题作出假设制定计划实施计划得出结论表达 交流 例 探究植物花粉母细胞减数分裂 学生作为主体完成 问题 植物的减数分裂过程是否与动物相同 假设 可能相同或不同实验设计 设计实验方案 实验步骤 实验方法等实施实验结果与分析 实验成败的原因 表达 交流 实验结果 实验的关键步骤 影响实验结果的主要因素 取材分析 花药的大小药品与试剂分析 固定液的配制 染液的配制 药品的纯度等步骤及操作分析 漏做某个实验步骤 操作方法错误 操作不严格显微镜的使用分析 例 植物花粉母细胞染色体制片 实验材料 蚕豆 大葱 玉米等实验步骤 固定好的花蕾 取材 剥出花药 轻压 染色6 7min 加盖玻片 压片 轻敲 观察 涉及到的几个重要步骤 取材 固定 压片和染色 镜检 植物花粉母细胞染色体制片难点和重点 1 花药的剥离2 压片的轻重 植物花粉母细胞染色体制片注意事项 1 取大中小三种不同的花进行制片 以保证得到减数分裂各个时期的分裂相 2 花粉母细胞大而圆 壁薄 注意与花药壁细胞区分 3 压片前先敲 可使细胞分散开 4 防止出气泡 百合的减数分裂前期的五个时期 四 研究几道高考题 2001上海第39题 l3分 据药理研究 一种茅草的根内含有降血糖的因子及多种有益于健康的成分 某公司将它开发成一种保健饮料 该产品是否适用于糖尿病患者 生物学兴趣小组的同学以此作为研究课题 请你完成下面的实验鉴定报告 1 实验目的 鉴定一种茅草的根是否含有还原性糖和淀粉 2 实验原理 还原性糖可用试剂 淀粉可用 试剂来检测 3 实验器材 一种茅草的根 所需试剂 刀片 载玻片 酒精灯 试管夹 火柴 滴管 4 实验步骤 鉴定还原性糖 鉴定淀粉 5 实验现象 6 结果分析 7 在鉴定还原性糖的实验操作中应注意 2003上海42题 11分 在普通饲料中加入添加剂可以加速家禽和家畜的生长和增重 某饲料公司新近开发出两种新颖饲料添加剂1号和2号 委托某生物学小组试验这两种饲料的效果 请你为该小组设计一试验方案 方案中应包括 试验具体步骤 用直角坐标图直观地表示和比较试验结果 试验要求在5周内结束 实验室有一批体重15g左右的小白鼠 可按需选用作为试验动物 四 研究几道高考题 2004上海42题 13分 大麦种子结构如图1 a 发芽时 胚产生赤霉素 有人推测赤霉素扩散到糊粉层 诱导合成淀粉酶 淀粉酶再分泌到胚乳中 使储藏的淀粉分解 为胚生长发育提供物质和能量 有同学对此开展课题研究 假设你是其中一员 请根据课题研究要求 回答有关问题 课题一 赤霉素能否诱导淀粉酶合成 假设 赤霉素能诱导淀粉酶合成实验 供先材料 表面消毒的干燥大麦种子若干粒 将种子横切成两部分 X部分无胚 Y部分有胚 如图1 b 所示 供选试剂 蒸馏水 适当浓度的赤霉素溶液 四 研究几道高考题 方法 请在下表空格内填入适当的材料 试剂和用于定量测定的物质名称 结果 若假设成立 实验组和对照组的结果将如图2中的 和 四 研究几道高考题 课题二 赤霉素诱导淀粉酶合成机粒是否与基因表达有关假设 赤霉素诱导淀粉酶合成与基因表达有关 实验 材料 同课题一试剂 适当浓度的赤霉素溶液 放线菌素D mRNA合成抑制剂 亚铵环已酮 蛋白质合成抑制剂 方法 设置三组 每组所有材料和加入试剂同课题一的实验组 定量测定生成物 16小时后 其中两组分别和人亚铵环已酬和放线菌素D 另一组作为对 结果 三组实验结果汇总于图3 四 研究几道高考题 讨论 曲线b和c分别表示加入 和 后生成物量的变化 加入放线菌素D 最终和加入亚胺环已酮一样 都能抑制生成物形成 说明在种子萌发时的淀粉酶合成过程中 赤霉素的作用是影响基因表达的 过程 曲线b和c不同的原因是 四 研究几道高考题 2005上海40题 12分 萝卜贮藏根组织细胞中是否存在蛋白质和DNA 某生物小组对此进行研究 他们从网上查阅资料得知 蛋白质在10 NaCl溶液中可沉淀析出 在蛋白质溶液中 加入双缩脲试剂 溶液呈现特有的颜色 DNA溶于10 NaCl溶液但在95 酒精中呈白色絮状沉淀 析出 实验材料 白萝卜 实验用具 粉碎机 烧杯 漏斗 试管 滤纸 玻棒 镊子 载玻片 天平 纱布 药品及试剂 蒸馏水 NaCl 95 酒精 甲基绿染液 双缩脲试剂 蛋白质标准样品 请你根据所提供的条件参与实验设计并完成实验 一 材料处理 二 提取 三 鉴定及结果 四 讨论 1 蛋白质在萝卜贮藏根组织细胞中所起的作用是 2 DNA主要来自萝卜贮藏根组织细胞的 四 研究几道高考题 2004江苏42题 11分 环境污染对植物的生长发育有不同程度的影响 在一定程度上 植物在污染环境中也有继续保持正常生命活动的特性 这种特性称为抗性 研究植物的抗性对筛选具