淺談實驗設計對學生生物能力的培養

董志軒

摘 要：文章論述了生物實驗設計的重要性，探討了如何培養實驗設計的能力是通過學生自身的積極的思考、分析實踐才能形成。

關鍵詞：生物;實驗設計;能力

實驗設計是生物實驗中的一種常見題型，它能較全面的考查學生的實驗知識和基本技能，分析問題和解決問題的能力以及創造能力，因而在高考中相對穩定。由于學生缺乏實驗設計系統的理論知識，因此，遇到這類題型，就會感到無從下手，導致考試中嚴重失分。現將有關實驗設計的基本理論、實驗設計的思路方法和常見的題型等進行歸納總結，增加學生理論知識，提高學生分析問題和解決問題的能力。改變過去以驗證為主的實驗教學方法，倡導學生注重過程并積極地參與，倡導學生創新，倡導學生質疑，是培養學生創新能力的嘗試和實踐。讓學生既學到了生物科學知識、學會了基本技能，又培養了探究新知識的科學求索精神。

類型一：設計實驗方案型。

給出實驗用具、材料、藥品、實驗目的，或只給實驗目的，實驗器材自選，設計實驗方案。

[例1]請根據下述條件設計一個實驗，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實驗步驟并分析結果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml燒杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，細線一根，支架l個。

分析：本實驗是考查滲透作用的原理和動手設計實驗的能力，解題的關鍵是如何利用透析袋和兩種液體形成一個滲透系統。當將兩種液體之一放入透析袋，另一液體放大燒杯中，然后將盛放液體的透析袋用線扎實（插入刻度玻璃管）并浸浴在燒杯的液體中時，由于兩液體具有濃度差，水分子便通過透析袋發生滲透作用，觀察刻度玻璃液面數值變化即可將二者區別開來。根據實驗設計理論，把所給器材的作用分析清楚，有助實驗設計思路的形成。

（一）實驗步驟：①將一瓶中的液體倒入燒杯中;②將另一瓶中的液體倒滿透析袋，刻度玻璃管插入袋內液體中，用線將袋口和玻璃管扎緊;③將插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液體的燒杯中，垂直固定于支架上，記錄玻璃管液面刻度;④一段時間后，觀察玻璃管液面刻度，確定液面上升還是下降。

（二）結果分解：如液面上升，則透析袋中的溶液為30%蔗糖溶液，燒杯中的溶液為10%的蔗糖溶液。反之，可推測透析袋中是10%蔗糖溶液，燒杯中的液體是30%的蔗糖溶液。

類型二：評價和糾正型

分析已有實驗設計方案中不科學性，并提出改進。

[例2]北阿爾伯達的一個工廠把產酸的化學品排入到空氣中，工廠東面有一個湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已從原來的6兒降低到5.7。雖然酸性沉積一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不變。湖中原有的魚是河鱸和鯉魚。釣魚愛好者抱怨說，自從工廠開辦以來，魚資源已經減少。工廠的工人設計了一個實驗，證明工廠排放出去的化學藥品與魚資源的減少沒有關系。

工人取一只大容器，盛放湖水，維持pH值在5.7。從湖里找來大魚放在該容器內，喂以蛋白質飼料。在這樣的條件下，魚正常成長。

假定你是一個獨立的仲裁員，受雇于垂釣愛好委員會委拖，來對該項實驗進行評估，列出你要得到的附加信息，并列舉說明你要用什么方法去得到這些信息。

[解析]本實驗設計方案中沒有考慮魚的生活中受著多種因素影響，這與單一變量原則是相違背的。分析問題不全面，只考慮單一因素的影響，設計實驗無說服力，也不符合實驗設計的要求。本題考查思維的全面性，在認定兩個問題時，除了看有無直接聯系外，也要注意考慮間接聯系。

該實驗設計測量不出下列因素。而這些因素都是對河鱸和鯉魚的影響的：

（l）酸對河鱸和鯉魚的食物數量多少的影響;

（2）酸對河鱸和鯉魚的魚卵或幼魚的影響;

（3）由于春季干涸造成pH值季節性漲落的影響;

（4）由于酸的分解作用而進入水域的重金屬量是多少;

為了說明上述第一點，必須完成一項研究，即確定各種浮游生物，水生昆蟲和小魚的多少。如果這個食物網的某些環節正在喪失，則有必要去研究酸是否對此有影響。為了說明上述第二點，可以在酸化水中飼養魚卵和幼魚。魚的數量減少可能是上述第一點和第二點結合的產物，所以人工飼養幼魚可能會給出不可靠的結果。對于季節性漲落，應該對全湖長期取水樣。做仔細徹底的記錄至少一年。這一因素可能和第二點相符合，因為魚卵或繁殖更受低pH值的影響。重金屬是累積的有毒物質，人工飼養和魚與湖里吃污染食物的魚相比，并不處在相同水平的毒素中。應該在湖水中、魚飼料中以及河鱸和鯉魚身體中檢測如鉛這樣的重金屬含量。

所有這些因素都說明，酸的影響是長期的，在容器里短期飼養的魚不可能給出可靠的結果。這種研究必須以年為周期來實施，而且要與該工區其他湖水情況作比較。

類型三：補充完善型

對已有的實驗設計進行補充和完善。

[例3]向你提供的條件僅有健康活潑的家兔一只，75%酒精、無菌干棉球、解剖刀、潔凈的載玻片10塊（編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、L）、紅墨水、秒表，請在上述提供的條件范圍內，設計一個測定血液凝固時間的實驗。

實驗步驟：①用酒精棉球消毒兔耳;②用消毒解刮刀剖開兔耳邊緣的小靜脈;

請將實驗步驟補充完整：

[解析]這類題目的題干中已經提供了一定的信息，基本上劃定了答題的模式，目的明確，前面的方法步驟等信息已為續答作了鋪墊，只要明確題目中的實驗變量和反應變量，然后設計對照組，再根據有關原理分析，一般就能比較正確地寫出答案。本實驗設計方案很巧妙地看出血液是否凝固。

③把從刀口流出的血液分別在ABCDEFGJIL10塊載玻片上滴一滴（第一滴血棄去不用）;④取血后對兔耳刀口外進行消毒止血;⑤在L載玻片上滴一滴紅墨水（起對照作用）;⑥開始記錄時間，過l分鐘后將A載玻片豎立，第二分鐘后將B載玻片豎立（在它們豎立的同時，都將L載玻片豎立），其余類推，看血液是否完全凝固（血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改變為凝固）;⑦血液完全凝固，而墨水仍然流動，即為血液凝固時間。

通過以上幾例的分析可以看到：

（一）生物實驗設計的三種題型雖然在形式上有一定的差異，但在答題中卻有共同點，先要認真研究課題，找出其中的實驗變量和反應變量，其次是構思實驗變量的控制方法和實驗結果的顯示方法，最后再選擇適宜的實驗材料，在注意實驗步驟邏輯性的前提下表達實驗的方法步驟。在實驗方法和步驟設計中最重要的是把握好變量控制。

（二）重視課本實驗的復習，掌握書本知識是提高實驗設計能力的基礎。要熟悉教材，心中有書。題在書外，理在書內。因此要深入理解與靈活應用基礎知識。在考試說明中明確提出了，要求“理解所學實驗的實驗內容，包括實驗原理、方法和操作步驟、實驗變量的控制、掌握相關的操作技術”。

（三）挖掘課本中所蘊含的實驗因素，深刻領會教材有關實驗的本質與特點是提高實驗設計能力的前提。要認真分析教材所涉及的實驗，包括學生實驗，演示實驗，經典實驗等。生物學的每一個知識結論都是在觀察、實驗的基礎上得出的，在平時的復習中要注意多挖掘知識結論中所蘊含的科學思想和方法，深入分析實驗的條件、過程、現象、結果和結論的科學性。例：生長素的發現過程中，涉及生長素產生的部位、感光的部位、作用的部位、運輸的方向等，這些都可以思考如何設計實驗來證明。

（四）學會對已知實驗進行變換和轉化是提高實驗設計能力的有效手段。求變、求異思維的發展有助于提高實驗設計能力。善思會變才能應答自如，通過換位思考提高素質，才能將所學知識，技能遷移到新情景中來，才能依據實驗目的、原理和材料安排實驗步驟等，并作出分析、評價和結論.