高中生物課程中的定量實驗分析

莊瑞峰

摘 要 分析定量實驗的教學價值，并對高中生物課程中的定量實驗進行分類，提出相應的實施策略。

關鍵詞 定量實驗 教學建議 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

定量實驗是研究觀察對象的性質、組成和影響因素之間數量關系的實驗?！镀胀ǜ咧猩镎n程標準（實驗）》的具體內容標準和活動建議中，有17個定量實驗，在與課程標準相應的教材中，還開發了許多新的定量實驗，如人教版教材增加了“用樣方法調查草地中某種雙子葉植物的種群密度”，蘇教版教材增加了“化肥與池塘富營養化”，中圖版教材增加了“自然選擇的模擬”等。

隨著高中新課程的實施，定量實驗的教學價值卻沒有得到應有的重視，甚至因為定量實驗操作要求嚴密、耗時過多等原因，不少學校很少開展定量實驗。下面分析高中階段開展定量實驗的價值，對定量實驗進行分類，并提出相應的實施策略。

1 高中生物定量實驗的價值

人的認識從定性到定量是一個飛躍。定性實驗在科學研究中有重要地位，對于任何一項研究，首先必須確定研究對象是否具有某種性質或某種關系等，才能進一步做精確的定量實驗以確定量之間的關系。但是，只作定性描述而缺乏定量研究，往往不能使科學發現具有普遍意義。定量實驗的核心任務是尋找數量之間的關系，用觀察、實驗、調查、測量、統計等來研究和分析現象，對實驗設計的嚴密性、測量的精確性、現象的客觀性、價值的中立性都提出了嚴格要求。

學生能力的養成是一個循序漸進的過程。在義務教育階段，教師要注重讓學生體驗科學探究的一般過程中，激發其探究的興趣，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，現象明顯。在高中階段，隨著學生思維能力的提升，課程標準中大量增加定量實驗，實驗的操作相對復雜，有的實驗需要較長時間才能完成，可以培養學生獨立運用科學的思想和方法去分析問題、解決問題的能力，培養學生嚴謹、敢于質疑、堅持不懈的科學精神。

2 高中生物定量實驗的類型

《普通高中生物課程標準（實驗）》的具體內容標準和活動建議中的17個定量實驗，可以分為實驗方法類、模型方法類和調查研究類這三種類型。

2.1 實驗方法類

實驗方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過程條件，模擬自然現象，避開次要矛盾，突出主要因素，使自然過程純化、典型化，在特定條件下去探究客觀規律，從而認識客觀世界的方法。

高中生物課程中，與實驗方法相關的定量實驗有：探究影響酶活性的因素；研究影響光合作用速率的環境因素；探究植物生產調節劑對扦插枝條生根的作用；探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化；土壤動物類群豐富度的研究；測定某種微生物的數量；嘗試利用酶活力測定的一般原理和方法；用實驗找出在什么條件下使用加酶洗衣粉效果最好；測定食品加工中可能產生的有害物質等。

運用實驗方法進行的定量實驗，通過控制自變量，限制無關變量，研究對象更便于觀察、統計和分析，從而使復雜的現象變得簡單，使研究從現象觀察深入到本質探討，而且可以反復再現，其他研究者能夠進行重復實驗加以驗證。

2.2 模型方法類

模型方法是對客觀對象進行觀察實驗，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，并通過對模型的研究來揭示客觀對象的、特征和本質的方法。開展模擬實驗的原因有很多種，常見的有：被研究對象的發展延續時間很長，中學階段難以開展，如動植物的雜交實驗、種群的數量和基因頻率變化等；被研究客體的物理屬性不能進行直接實驗，如細胞的體積極其微??；涉及人的健康和倫理道德，如改變人體內環境的理化指標探究穩態的調節等。

高中生物課程中，與模型方法相關的定量實驗有：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；用數學方法討論基因頻率的變化；利用計算機輔助教學軟件模擬人體某方面穩態的維持；嘗試建立數學模型解釋種群的數量變化等。

用模型來代替被研究對象，在探究活動中，實驗工具只直接作用于模型而不直接作用于原型，能簡化和理想化地再現原型與研究目的有關的各種基本因素和基本聯系，略去次要的、非本質的細節，能夠使研究者充分發揮想象、抽象和推理能力，將從原型獲得的信息重新加以組合，形成新的圖形的、符號的或概念的模式，構建一個理想的認識工具。

2.3 調查研究類

調查研究是科學研究中常用的方法，是通過抽樣的基本步驟，采用問卷、訪談等方法了解調查對象的有關信息，加以統計分析的研究。調查法不受時間、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。

高中生物課程中，與調查研究相關的定量實驗有：調查常見的人類遺傳?。徽{查青少年中常見的免疫異常；調查當地自然群落中若干種生物的生態位等。

開展調查研究類的定量實驗，要設計好調查表，盡量多地收集數據，然后對數據進行統計分析，尋找數據背后隱藏的規律。同時對人類遺傳病、免疫異常等進行的調查，可能涉及家庭和個人隱私，一方面要尊重受調查者的隱私權，另一方面要改變調查的策略，告知調查的目的和公開范圍，也可以到醫院進行相關疾病的調查，從而獲得更真實有效的數據。

3 高中生物定量實驗的教學建議

3.1 關注初高中銜接

從初中到高中的生物學習過程，是一個螺旋上升的過程，在知識和能力上都不可分割。學生在初中階段已經掌握的知識和能力是高中學習的基礎，高中教學是對學生原有經驗的豐富、能力的提升。

如在初中階段，課程標準對光合作用的實驗要求是“探究光合作用的條件、原料和產物”，運用簡單而科學的方法驗證植物光合作用需要光和二氧化碳，產生淀粉和氧氣，這是定性分析。而在高中階段，課程標準對光合作用的實驗要求是“葉綠體色素的提取和分離，研究影響光合作用速率的環境因素”。探究影響光合作用速率的環境因素是一個定量實驗，而環境因素主要有光照強度、二氧化碳濃度和溫度。教師如何從學生已經掌握的定性實驗轉變為定量實驗，在實驗原理和方法上大同小異，但需要確定一個可測量、有信度的指標，同時，在實驗材料的選擇、自變量和無關變量的控制等方面，可以發揮學生的想象力和創造力。

3.2 合理安排實驗計劃

高中階段開展的定量實驗有的比較簡單，可以在一節課中完成；有的需要到野外采集和調查；有的需要在人群中進行調查；有的培養周期較長，需要一周甚至更長的時間才能完成；有的實驗需要較多的器材，如果不能提前準備、科學規劃，許多實驗是無法開展的。

合理安排實驗計劃，可以在每學期開學初，由教研組集體研究，確定各年級開設的實驗項目、時間、場地和負責人，制定實驗教學的目標、流程和評價。特別是評價制度的創新，引入過程性評價，評價學生在提出問題、作出假設、設計實驗、數據的收集和轉換、實驗結論的表達與交流等方面的表現，使過程性評價真正進入學生的學業成績評價體系，利用評價促進學生轉變學習方式。

3.3 成立生物興趣小組

由于部分定量實驗的周期比較長，對器材、場地的要求特別高，一般學校無法滿足每個學生都能參與到實驗的全過程；有的定量實驗需要野外采集和調查，組織全體學生到野外去也不現實。因此，成立生物興趣小組，讓小組成員共同完成實驗或野外采集和調查，然后在全班展示他們的研究過程和成果。在一個真實的情境中，教師引導學生進行討論、分析、評價，可以在最大范圍內實現定量實驗的教學目標。

如“探究植物生長調節劑對扦插枝條生根的作用”的實驗，需要設置不同濃度的植物生長調節劑作為對照，每一濃度需要有多根插穗進行重復實驗，因此要準備大量的枝條、容器。而且插穗生根可能需要2周以上的時間，要有足夠的場地擺放實驗裝置。如果由興趣小組完成這個實驗，通過圖片、文字、視頻等方法展示實驗過程和結果，從而達到課程標準規定的教學要求。如果教師將教材中的定量實驗進行拓展，與科技創新活動結合起來，還能夠引導學生關注科學、技術與社會的關系，運用科學的思想和方法去解決現實問題，培養學生的創新能力和實踐能力。

孟德爾使用豌豆為材料進行雜交的定量實驗，發現了遺傳的兩大規律，使遺傳學從定性描述進入定量測定的全新領域?？梢韵胂?，如果沒有定量實驗，生命科學不會發展到今天的規模，也不會對社會發展、人類進步起到如此巨大的作用。教師首先要認識到開展定量實驗的價值，同時，更要讓學生體驗和感悟定量實驗的魅力，提升生物科學素養。

參考文獻：

王德勝.化學方法論[M].杭州：浙江教育出版社，2007：43-48.