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浅谈生物教学中的“实验设计”  

2010-02-19 20:31:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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浅谈生物教学中的“实验设计”

安徽省铜陵县第一中学   杨京举

 

(本文发表于《实验教学与仪器》2002年第12期)

 

   目前,随着教改和高考改革的不断深入,生物实验教学有了更高的要求,开放性的实验设计已成为当前生物教师与广大学生面临的一个新课题。在此,笔者想从以下几个方面谈谈自己的看法。

1、 明确实验设计中的基本理论
     实验设计的“开放性”不能违背实验中的基本理论。科学的实验,由于其研究问题的性质不同,科学研究的过程也有差异,但一般而言通常有以下基本步骤。
a、观察。这里的观察是指在处于自然常态条件下进行的积极主动行为。观察时必须仔细而周详,且要作相应的记录,更为重要的是观察时要保持客观的态度,要避免产生定势思维和经验幻想,以确保观察的真实可靠性。
b、提问。对事物作慎密观察以后会因疑问想作进一步了解而提出问题,但是,一般只有有意义的问题才值得去探讨。因此,研究时,不仅要提出问题,更要提出确切的问题,并保证问题的叙述要清楚且正确。例如“蚯蚓如何借助肌肉的收缩与舒张而移动身体的?”
c、假说。假说实际上是对所提出的问题所作出的参考答案。一般来说假说的形成可分为两步:首先依据发现的事实材料或已知的科学原理,通过发散性思维,提出涵盖各种可能的初步假定;之后,依据假定进行推理、排除并综合分析,得出具体的假定性结论。例如:“动物激素饲喂小动物的实验”,其假说是:“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”,假定性结论是“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪,生长发育加速”。
d、实验。实验是实现验证假说和解决问题的最终途径。科学的实验过程必须要注意以下几点内容。
①实验变量与反应变量。实验变量是实验中由实验者操纵的因素或条件,而反应变量是指由实验变量而引起的变化结果,二者之间是前因后果的关系。实验的目的就在于获得和解释前因与后果。例如:关于“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中,“低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水)”就是实验变量,而这些变量引起的实验变化结果就是反应变量。该实验旨在获得和解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系。
②无关变量与额外变量。无关变量是指实验中除实验变量外的影响实验结果与现象的因素或条件。由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。它们之间也是前因后果的关系。但它们的存在对实验与反应变量的获得起干扰作用。例如:“唾液淀粉酶实验”中,除实验变量(温度)外,试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、淀粉浓度、温度处理的时间长短等等就属于无关变量。如无关变量中的任何一个或几个对三组实验不等同、不均衡,就会产生额外变量,影响实验的真实结果。
③单一变量原则。不论一个实验有几个实验变量,都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量,这就是单一变量原则,它是处理实验中的复杂关系的准则之一。例如:我们在做“植物的向性运动”有重力与单侧光两个实验变量,必须要有各自实验和变化结果,常见的错误就是在有光的条件下进行重力实验变量,影响了实验结果的准确性。                   
④平衡控制。平衡控制主要是针对无关变量与额外变量的控制。因为实验中的无关变量很难避免,只能设法平衡和抵消它们的负面影响。平衡控制的形式主要有以下几种。
     单组实验法:对一组或一个对象,随机或轮流循环地采用两种(或两种以上)的方法,由于实验对象唯一,无关变量影响也就被平衡与抵消。如:“观察质壁分离与复原”实验,通常先做分离,然后紧接着在同一材料上再做复原。
     等组实验法:将一种状况相等的实验对象分成若干组,不同组采用不同的方法处理。例如“根对矿质元素的交换吸附”实验中,两组染色根等份,一份放入溶液中,一份放入等量的蒸馏水中的对比实验,就是等组实验。
     轮组实验法:对两组或更多以上的实验对象,循环采用两个或以上的实验处理。例如,“植物向光性”实验中,可随机取$株生长状况不同的玉米幼苗,作如下处理:甲组中,玉米幼苗——A先用“不透光”处理,B后用“单侧光”;乙组中,玉米幼苗——C先用“单侧光”,D后用“不透光”。实验结果处理是A+D与B+C的对比。轮组实验操作要麻烦些,但这种处理的匹配,对平衡消除无关变量与额外变量往往更具有说服力。
⑤对照。对照是对实验设计和实施进行有效控制的准则之一。通常,一个实验总是分为实验组和对照组。从理论上讲,由于实验组与对照组的无关变量相等,额外变量被平衡,因此实验组与对照组的差异,即可以认为是来自实验变量而产生的反应变量。当然,实验中,至于哪一个作为对照组或实验组,一般是随机的。
     空白对照:对照组为不做任何实验处理的对象组。例如,在“唾液淀粉酶催化淀粉”的实验中,实验组滴加了唾液淀粉酶液,而对照组只加了等量的蒸馏水,起空白对照。
     自身对照:实验与对照在同一对象上进行,不再另设对照组。例如,“质壁分离与复原”实验,自身对照简便,但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。
     条件对照:这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理,目的是通过得出两种相对立的结论,以验证实验结论的正确性。例如,在“动物激素饲喂小动物”的实验中,采用等组实验法,甲组为实验组(饲喂甲状激素),乙组为条件对照(饲喂甲状抑制剂),显然,通过条件对照,实验说服力大大提高。
     相互对照:几个实验组的相互对照,不另设对照组。这种方法常用于等组实验中。“植物向光性”实验中,利用若干组燕麦胚芽的不同条件处理的实验组之间的对照,说明了生长素与植物生长弯曲的关系。
e、结论。实验的价值即在于获得验证性的结果。实验中必须要如实地记录实验事实、现象及相关数据(即反应变量),并采用科学合理的方法进行论证,才能得出预期的真实可靠的结果。
2、遵循实验设计的基本原则
     实验设计是指在正式实验之前,实验者根据一定的目的要求,运用有关的科学知识、原理,对实验过程中的材料、手段、方法及步骤等全部方案的制定。实验设计的思路是整个实验过程的基本依据,它能充分体现实验者的创见。但一般而言,任何一个实验设计必须遵照以下几个原则。
a、科学性原则:所谓科学性,是指实验目的要明确,原理要正确,材料和手段的选择要恰当,整个设计思路和方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。
b、可行性原则:在实验设计时,从原理、实验实施到实验结果的产生,都实际可行。
c、简便性原则:实验设计时,要考虑到实验材料要容易获得,实验装置简单,实验药品较便宜,实验操作较简便,实验步骤较少,实验时间较短。
d、可重复性:任何实验都必须有足够的实验次数才能判断结果的可靠性,设计实验只能进行一次而无法重复就得出“正式结论”是草率的。
     科学 的 生 物 实 验 设 计 应以实事求是为准则,掌握基本的生物理论知识及生物实验知识是进行科学的实验设计的前提,科学的实验方法是完成设计实验的保证。在教学实践中,教师应从以上几点出发去引导学生,循序渐进,逐步培养他们实验设计的严密性与规范性,切不可因为“开放性”而任其“天方夜谭”
 
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