生物学探究性实验设计的探讨1

    新课程标准的实验教材，增加了多个探究性学习课题，这些课题重视培养学生的自主性研究能力。教学实践中教师如何利用这些教学素材，非常值得探讨。现着重讨论探究性实验设计教学中的2个问题。

1  如何引导做出实验假说

    根据科学事实提出问题和假说，这是科学研究的出发点。从现行教材提供的材料看，探究性实验和研究性课题都是有一定目的的引导性探究和发现。一般情况下，学生做出的假说无对错之分。这一原则旨在鼓励大胆做出假说，积极参与教学过程；但作为教师必须明白，学生做出的假说又有好坏之分，这主要表现为：一个好的假说总是和做出假说的前提有着高度的一致性、派生性和演绎性。作者曾以人类对于疟疾病因的探究过程为例，较好地说明了如何在科学过程中有效地建立假说。

    19世纪，疟疾猖撅，人们根据疟疾分布区的环境得出结论：低洼多水、气温较高的烟瘴之区易发疟疾。为什么在这样的地带易发生疟疾呢？人们设想：污水可能是使人患疟疾的病原，污水蒸发可能产生毒气使人生病。这是根据经验规律而提出的疟疾病因假说。当污水被清除后，疟疾果然大大减少。这证明假说是正确的。那么污水是如何引起疟疾的呢？若污水是直接致病的，喝了污水就应该发病。但研究否定了污水直接引起疟疾的假说。人们又发现：①清除了污水，蚊子少了，同时疟疾也少了；②住在低洼沼泽地、室外露天睡眠的人易患疟疾；③不用蚊帐的人易患疟疾；④夜间在熏烟的火旁睡眠的人很少患疟疾。联系这些事实，人们不尽假说：疟疾是不是蚊子传播的呢？

    法国医生拉佛兰在疟疾患者的血液中发现了细长如丝的微生物。他假说微生物可能是疟疾的病原。这一假说和上述蚊子可能传播疟疾的假说联系起来，使英国军医罗斯推想：如果上述两个假说是对的，吸了患者血液的蚊子，体内就应该带有这种微生物。后来罗斯通过实验证实了这一假说。罗斯还让蚊子吸麻雀的血，定时解剖蚊胃。他发现这种小生物不但存在于蚊胃中，并且能够繁殖。他又让感染的蚊子去吸健康麻雀的血液，原来健康的麻雀发病了。进一步在志愿者身上试验，直接证明了疟原虫在人体的传播与在鸟类体内的传播一样，都是以蚊子为媒介的。至此，疟疾是由蚊子传播的假说得到最后的证实，假说已转化为科学定理或学说了。

    同时也从以上材料中总结出：假说是问题的延伸，同时也是实验设计的基础；做出假说和提出问题之间的逻辑联系，在这里，科学问题、科学实验、科学资料、科学实践、生产实践、人文活动等都可能是做出假说的基础；假说在科学过程中的地位及其承前启后的重要作用。

2  探究性实验设计的原则

    实验是生命科学研究的基本手段，设计实验是实验研究的基本能力。教学过程中，教师必须科学他讲解实验的假设和目的，并在此基础上，通过具体实验讲清楚实验设计的基本原则，以期举一反三，触类旁通。

2．1  条件对照原则

    也称条件控制原则，为了更科学、更有说服力地论证假说，生物学实验常设置对照实验，教师必须针对不同知识背景的学生，做出不同的教学处理，如在“探究鼠妇选择生活环境的行为”实验中，新教材提出：这个实验中哪些因素对鼠妇有影响？你如何保证实验结果的不同只能是光照条件不同引起的？这与设置对照有什么关系？这很自然地引导了对照组的设置，没有过多的理论灌输，通俗易懂，处理得当，恰到好处。但在高中生物学教学中，就很有必要介绍对照实验的基本原理，并结合实例讲清楚对照实验中对照组的功能，使学生充分认识对照组设置的必要性和科学性。如在用蒸腾计研究光强度与植物蒸腾失水速率关系的实验中：根据实验装置图，如何建立该实验的对照组？对照组的建立有何意义？为什么说表中实验结果表明，环境条件的恒定性控制得很好？通过讨论上述问题，认清了本实验的对照组有以下功能：①通过比较，找出引起两组实验结果差异的原因，紧扣实验假设；②通过对照组的结果来随时监控环境因素的恒定性；③论证实验中的失水是否包括非生命的蒸发和生理过程的蒸腾作用。

2．2  条件适宜原则

    又称条件模拟原则。生物学实验实质上是一种人为控制条件下的生命再现过程。实验中所涉及的可能影响到生命活动的所有条件，除了控制条件，都必须尽量控制在最适宜的条件下，以充分再现生命现象。例如，很多植物呼吸作用的适宜温度往往会高于光合作用，因此，若只是研究植物的呼吸作用，而且温度是非控制条件，这时温度就应适当调高；反之，就应低一点。广义地说，控制条件之外的所有条件都必须都处于模拟自然条件下的生命状态，对于细胞器要模拟细胞内的细胞质基质环境；对于动物组织和器官要模拟内环境；对于个体和种群要模拟自然生态环境。

2．3  条件恒定原则

    实验过程中，有许多条件是实验者并不关注的非研究条件，但它们照样可能影响到生命活动，这些条件都应控制在相对恒定的状态下，避免各种非研究条件在实验者不知情、无监测的情况下影响甚至改变实验结果。如在研究植物光合作用时，光强度、温度、湿度、大气中二氧化碳体积分数和空气流动速度等因素都可能影响到实验结果。

2．4  条件综合原则

    生命活动是受多条件影响的，通过一个具体的实验，同时研究这些条件对于生命活动的影响几乎是不可能的，但这些条件又是相互作用、相互影响、相互制约的，因此要从整体上把握这些条件的综合作用。如在研究光合作用的条件时，装有水藻的试管与光源之间的距离，可以通过影响温度和光照强度来间接影响光合强度；又如在观察植物细胞有丝分裂实验中，使用质量分数为10％的HCl溶液（解离）和1％龙胆紫溶液（染色）处理实验材料，不仅要考虑两种溶液的各自影响，还要考虑两者的共同影响，因此，为了消除先加入的盐酸溶液对后加入的龙胆紫溶液作用的影响，必须引入漂洗的步骤。

2．5  条件转化原则

    任何一种生命过程，通过实验手段将其生命本质转化为可感知的实验现象时，都需要一系列的实验辅助和过渡手段，而设计实验无非是将不可直接感知的生命本质，借助于各种实验设备和药品转化为可感知的实验现象。这里的感知是广义的，包括一系列的观察和测量手段；其本质都是将生命过程现象化。

    实验设计教学中要尽可能多的教给学生“显化”实验结果的途径，将实验条件转化为实验现象的手段。如通过长度、体积、颜色、重量、位移、形态、数量及比例的改变等等多种手段来鉴定实验结果。与国外教材提供的实验素材相比，我们中学阶段鉴定实验结果的手段还相对单一，还不够重视充分运用数理手段的鉴定，过多地依赖化学知识来鉴定实验结果，对于中学生来说往往缺乏知识背景。这一点值得研究，还有很多工作要做。

2．6  条件适应原则

    在很多实验中，实验装置建成后，并不急于马上进行实验结果的记录。而是让整个装置先“适应”给定的实验条件，再进行实验记录和测量。这是因为在不少情况下，对实验装置给出的条件并不一定就是生物材料所处的实验条件，如在研究光合作用强度实验中的光照强度、温度、二氧化碳体积分数等条件都有可能出现类似的情况。

2．7  条件可操作原则

    多数情况下学生设计的实验方案形式多样，各有优点，但较普遍的问题之一是可操作性不强。为了确保实验设计的可操作性，教学实践中可以有2种处理方案：①围绕同一个实验课题的多个不同设计方案，让学生比较、综合并评价；②将实验设计的目的和假说交给学生，让全体学生来设计，再反馈有代表性的方案，通过讨论怦选出可行性方案和不可行方案，再在可行性方案中评选出最优方案、较好方案和一般方案。最后讨论不可行方案的原因，找出最优方案优在哪些方面？这样充分发挥了学生的参与性、积极性和主动性，对求异思维的发展有很大的促进作用。

    如在探究过氧化氢酶的活性实验中，常用计量氧气释放量的方法，但当氧气产生量较多时就很困难。我们利用氧气的性质启发学生，用打孔器将过滤纸制成小圆片，浸泡在含酶的过氧化氢缓冲液中，实验开始时，小圆片沉降在溶液底部，但后来会浮出液面，这样记录小圆片上浮时间，用时间的倒数来表示过氧化氢酶的催化活性。这样可以展开多项实验研究，如研究底物质量分数对于酶催化活性的影响，实验在不同质量分数的过氧化氢溶液中重复进行。

    通过实验过程引出并讨论以下问题：①为什么小圆滤纸片在实验进行一定时间后就开始上浮？②为什么在此实验中过氧化氢溶液要用缓冲液？③若要研究温度对过氧化氢酶催化活性的影响，应怎样调整这个实验的设计？④若要研究pH对过氧化氢酶催化活性的影响，应怎样调整这个实验的设计？这些问题都涉及到上述实验设计的原则：①是由于过氧化氢分解产生了氧气气泡改变了溶液的密度，使滤纸片可以上浮，将氧气的释放量的多少转化为滤纸片上浮的时间，运用了实验条件的转化原则。②是用缓冲液维持了反应溶液中酸碱度的稳定，运用了实验条件的恒定原则。③和④则强调了不同研究目标时的对照组设置的原则。通过对这种过程的总结，使学生从中提取实验设计的一般性规律，使过程性知识理论化。