基于假設開展有效實驗探究

張培賢

摘 要 以“探究螞蟻的通訊”為例，引導學生基于合理科學進行假設，對課本實驗方案進行改進，取得了良好的實驗效果，在過程中關注了學生的科學思維的發展，提升了學生的實驗探究能力。

關鍵詞 合理假設 有效探究 實驗方案改進

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 V

探究教學是將科學探究導入教學實踐中，并通過學生自己的探究來形成對知識的理解與掌握。生物是重要的實驗學科，因此在實驗教學中，教師引導學生從實驗中獲取知識、發展能力具有重要意義。此外，生物學科的核心素養之一即培養學生的實驗探究能力。但有些實驗探究表面非常熱鬧，看似學生“動”起來了，但其實過程中缺乏科學性，學生思維偏離探究方向。這樣的科學探究并不能有助于學生形成科學縝密的邏輯思維，更不能真正培養學生的獨立實驗探究能力。出現這種情況的原因之一往往是學生對要探究的問題沒有科學的認識及假設，同時也缺乏有邏輯的思考和分析。

1 合理假設是開展有效實驗探究的基礎

1.1 假設與實驗探究的關系

實驗探究的一般步驟有提出問題、做出假設、設計及實施實驗、得出結論、表達交流。探究活動的核心是“做出假設”與“設計及實施實驗”兩個環節。恩格斯說：“只要自然科學還在思維著，他的存在方式就是假設。”“假設”是指學生根據已積累的學習經驗，對需要探究的問題猜想出來的一種或多種可能的答案或結論。它是科學探究的重要特征之一，也是設計及實施實驗的基礎。任何假設與猜想都必須通過實驗“驗證”。在這個過程中，教師引導學生通過邏輯與推理，把假設變成可行的、具體的實驗方案并進行驗證。

1.2 合理假設與實驗設計的關系

面對探究問題，學生作出的假設若是荒謬或明顯錯誤的，后面的實驗設計與實施也必定漏洞百出，此探究實驗也是無意義的。只有依據科學常識或日常經驗作出假設，才能確保實驗探究的有效性。在實驗探究的過程中再來判斷假設的合理性，并不斷進行改進和完善。

2 基于假設的實驗探究及案例分析

“螞蟻的通訊”是人教版八年級上冊“社會行為”一課中的探究實驗。對于“螞蟻如何進行通訊？”這一探究問題，很多學生依據自己從書籍、視頻資料中積累的經驗給出了“通過氣味通訊”這一合理假設。接著，學生就需根據假設，設計并實施可行、具體的實驗方案來判斷假設是否正確。

2.1 實驗1：原方案

方案：將ABC三塊石頭放在盛有水的盤中，形成三座小島（圖1）。將誘捕到的多只同窩饑餓處理的螞蟻放在B島，食物放在C島，在BC與AB之間用細木條架設小橋，一段時間后將BC與AB交換，觀察螞蟻的動向。

預期：基于螞蟻依靠氣味通訊的假設，最初螞蟻應沿BC橋來到C島覓食。換橋后，螞蟻應沿留有氣味的原BC橋到A島。從而可以證明假設。

實際結果：實施實驗后發現，從實驗開始B島上的螞蟻就四處亂爬，約一半的螞蟻無心覓食。換橋后，螞蟻也沒有絲毫預期的行動跡象。

分析：學生經過討論分析，初步判斷螞蟻從自然環境到陌生的實驗室環境，行為慌亂，因此無法正常開展實驗。改進辦法便是將實驗地點搬到自然環境中。

2.2 實驗2：改進后的實驗

方案：學生課間在校園中四處尋找螞蟻窩，終于找到了幾處螞蟻數量較多的螞蟻窩。在清晨，螞蟻饑餓感最強的時候來進行實驗。為方便爬向所架設的實驗器材，學生創設了一座新橋，命名橋1，連通螞蟻窩與中轉島B。橋2連通島BC，橋3連通島AB（圖2）。一段時間后，將橋2與橋3互換，觀察螞蟻動向。

預期：換橋前，大量螞蟻沿著橋1來到島B，又沿著橋2來到島C覓食，橋3上的螞蟻雖有但數量很少。互換后，大量螞蟻沿著橋2的氣味到島A，而橋3螞蟻較少。

實際結果：實驗進展得很順利，換橋前與預期一致，但換橋后，卻沒有看到預期的現象。雖有一些螞蟻沿橋2來到了島A，但更多的螞蟻卻沿橋3來到了島C。

分析：學生在懷疑假設正確性的同時，也在反思著自己的實驗設計。他們發現如果假設正確，換橋后，此實驗存在了橋上留有的氣味和食物的有無2個變量。但對照實驗強調單一變量，學生再次調整，去掉換橋后的食物，重新實驗。

2.3 實驗3：再改進的實驗

方案：保留實驗2的前半段，換橋后，學生重新替換了島C，確保島C沒有食物及食物氣味殘留，保證此實驗只有橋上的氣味這一變量（圖3）。

預期：在排除干擾后，更多的螞蟻沿著橋2來到了A島。

實際結果：與預期一致。

分析：證明了假設是正確的，螞蟻的確在橋上留下了氣味，而螞蟻確實也依靠氣味來進行通訊。

總之，實驗“螞蟻的通訊”能夠成功，原因便是學生做出了科學的假設，并及時根據反思，調整實驗方案。一開始，部分學生對此探究問題的假設是低層次的，如超聲波、跳舞等，可見學生作出假設的能力還需培養。假設的不合理必然導致探究實驗的低效，需經常變更假設。隨意地變更假設不利于學生培養系統深入的科學思維能力和實驗探究能力。因此在實驗設計之前，教師通過運用歸納法、演繹法、分類法、類比法等方法，引導學生開展討論分析，提出較科學的假設。這樣才能基于假設，有效地開展實驗探究。