培養設計實驗技能 提升生物學核心素養

鄭耀賢 王愛東 胡佳娜

(1 北京師范大學珠海附屬高級中學 珠海 519080； 2 廣東省珠海市唐國安紀念學校 珠海 519080)

《高中生物學課程標準(2017年版)》提出課程的宗旨是： 提升學生的生物學學科核心素養，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。“科學探究”是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論的能力[1]。其中，設計并實施恰當可行的探究實驗方案屬于高階的科學探究水平(水平三、水平四)。縱觀近幾年的高考題中，實驗設計題都占據了較大比例，較之其他題型，生物學實驗設計題的得分率偏低。對中學生生物學實驗設計能力的調查發現，實驗設計能力是中學生探究能力中較薄弱的環節[2]。

本文以指導學生開展“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液對小球藻的化感作用”的實踐為例，說明如何培養設計實驗的技能，以供參考。

1 例說有效開展設計實驗

1.1 培養學生選擇合適的材料藥品、試劑、器具 開展實踐探究活動需要使用各種各樣的實驗材料(如南美蟛蜞菊、黑藻、酵母菌等)、基本實驗器具(如光學顯微鏡、研缽、移液器等)進行顯微觀察、溶液配制等操作；可能需要使用傳感技術、分光光度計、電子天平、恒溫光照培養箱、血球計數板等特定實驗儀器進行實驗數據的測定或實驗條件的控制。

教師引導學生基于實驗目的和實驗室現有條件，查閱相關文獻，在開展實驗設計之前進行儀器與材料的選擇、實驗材料的培養、處理等操作，為設計出恰當可行的實驗方案做準備。本實踐探究活動從儀器與材料、藻種及培養、南美蟛蜞菊根、莖、葉浸提液母液的制取等過程中培養學生的基本技能。

1.2 遵循實驗設計的基本原則 包括科學性原則、對照性原則、單一變量原則。

1.2.1 科學性原則 所謂科學性原則，是指實驗的原理要符合科學原理，實驗結果的預期要有科學依據，實驗的各個環節都不能偏離生物學基本知識和基本原理，以及其他學科領域的基本原則[3]。例如，本實驗選用小球藻、南美蟛蜞菊、水浸提液，這些材料易得、有現實意義(STS)?；凶饔玫难芯糠椒ㄒ训玫綄W者們的認可。

1.2.2 對照原則 生物學實驗設計通常通過設置對照，既排除無關變量的干擾，又增加實驗結果的可信度和說服力。一個實驗通常包括實驗組和對照組。本實驗通過將南美蟛蜞菊根、莖、葉濃度梯度為0、 0.5、 1、 2g/L的化感培養液分別處理小球藻，該實驗0g/L組與其他濃度組的設計遵循空白對照的原則；同一濃度的根、莖、葉提取液處理小球藻遵循相互對照原則；某一器官某一濃度的浸提液對小球藻的種群影響隨時間變化遵循自身對照原則。

1.2.3 單一變量原則 單一變量原則即控制唯一變量而排除其他因素的干擾，從而驗證唯一變量的作用。強調的是不論一個實驗中有幾個自變量，都應做到一個自變量對應觀測一個因變量。例如，本實驗中“不同濃度根浸提液與小球藻種群密度”“不同濃度根浸提液與小球藻的抑制率”“同一濃度根、莖、葉浸提液與小球藻種群密度”“時間與小球藻種群密度”等都嚴格遵循單一變量原則。

經典的科學實驗都是經過歲月的沉淀和歷史的檢驗，教師在教學中應引導學生從科學史中汲取相關的實驗設計思維，領悟實驗設計的原則，并不斷通過實踐，提升學生設計實驗的適切性。

1.3 引導學生制定科學合理的實驗步驟 教師以“南美蟛蜞菊根浸提液對小球藻的化感作用”為例(表1)，引導學生進行實驗設計、不斷完善并舉一反三，分別設計“南美蟛蜞菊葉浸提液對小球藻的化感作用”和“南美蟛蜞菊莖浸提液對小球藻的化感作用”，學生在反復操練中，感知并提升了設計實驗的技能。

2 培養學生實驗設計能力的教學策略

2.1 利用教材的“技能訓練”項目 人教版高中生物學必修教材設置有“技能訓練”欄目，其中關于設計實驗的內容在必修1～3中都設置。必修1有設計實驗，必修2有設計實驗程序，必修3有評價實驗設計和結論，三個模塊對設計實驗的培養目標逐漸進階。這種相對簡單又科學合理的安排有利于促進學生設計實驗技能螺旋式上升。

表1 “南美蟛蜞菊根浸提液對小球藻的化感作用”實驗操作流程

2.2 利用教材中的“探究”實驗 人教版高中生物學必修教材共設置了10個“探究”實驗，這些欄目大多有“設計實驗”這一專項，并根據該實驗的難度、在教材中的順序等因素，分別以“參考案例”的形式或者問題串的形式引導學生重視對設計實驗的訓練。教師可以充分利用這些資源開展專項訓練，提升學生設計實驗的能力。

2.3 利用高考實驗設計題進行訓練 近年來，為落實生物學核心素養，高考題中“設計實驗”題目逐漸增多，以期達成“科學探究”這一重要素養的考查。例如，2017年全國新課標Ⅰ卷考查了“請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出： ①實驗思路；②預期實驗結果及結論”。教師可以將高考試題中的設計實驗題目用于有目的的專項訓練，提升設計實驗的能力。

3 思考

“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液對小球藻的化感作用”是基于項目開展的綜合實踐探究活動，學生在探究實踐中掌握基本技能的同時，加深了對生物學概念的理解，并嘗試運用種間關系的作用解決生態環境中的實際問題，大大提升了學生探究學習的興趣。教師在教學中通過指導具體的實踐，提升了學生實驗設計這一科學探究能力的薄弱環節，有利于逐步實現生物學學科核心素養的提升。

(基金項目： 珠海市十三五規劃課題“基于STEM教育的高中生物科學探究實踐研究”，No.2018KTG16)