中美高中生物教材實驗版塊的比較研究

顏曉佳 李韶山

摘 要 對中美兩國普遍使用的高中生物教材中的實驗，從課標要求、實驗內容、數據處理、課后擴展等方面對相同知識內容，即“分子與細胞”、“遺傳與進化”和“穩態與環境”3個必修模塊進行比較研究。得到以下啟示：完善教材配套網絡數據庫資源建設，拓寬課外探究渠道，構建立體化教材；以迷你實驗的模式提升驗證性實驗水平，強化探究思維和能力的訓練；在實驗中滲透環境保護教育，防治實驗廢棄物污染。

關鍵詞 人教版 生命的動力 高中生物教材 實驗 教材比較研究

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

生物學是一門以實驗為基礎的學科。生物實驗是學生獲取生物學知識的有效手段之一，同時也是科學探究的重要載體，其編排結構將直接影響中美兩國《課程標準》所提倡的科學探究理念的實施。因此筆者選取了中美兩國使用率最高的教材：人民教育出版社高中生物實驗教材（簡稱“人教版”）和《Biology： The Dynamics of Life》（《生物：生命的動力》簡稱“美國教材”），從課標要求、實驗內容、數據處理、課后擴展等方面對相同知識內容（即“分子與細胞”、“遺傳與進化”和“穩態與環境”）的實驗版塊進行比較研究，以了解中美兩國實踐“科學探究”理念的差異，為推進我國的高中生物學教材建設和課程改革提供參考。

1 中美高中生物教材實驗概況

1.1 人教版的實驗類型及數量分布

人教版的實驗探究活動分為探究和實驗兩大類，根據實驗目的、開展方式及意義，又可將實驗分為觀察實驗、生理生化實驗、模擬實驗、調查實驗。探究要求學生用替代的材料或手段來模擬，從中領悟生物科學研究的方法，加深對有關生物學知識的理解。觀察實驗指要求學生協調多種感覺器官，全面觀察并學會描述實驗現象的實驗。生理分析實驗是指對生物的生理現象進行分析的實驗。調查實驗指根據調查目的選擇調查對象，并包括隨機取樣、整理和分析、調查數據等過程的實驗（表1）。

1.2 美國教材的實驗類型及數量分布

美國教材獨立設置了“實驗版塊”目錄，因此教師和學生對教材實驗編排、布局一目了然。美國教材實驗版塊共有實驗設計、調查實驗、網絡實驗、迷你實驗和技能實驗五類，其中實驗設計類似于人教版的探究實驗，是學生按探究過程設計實驗并實施，從中領悟科學探究的一般過程及方法。網絡實驗是通過網絡平臺收集信息、上傳數據并進行交流、分享，以培養學生的探究能力、提供學生的信息素養為主要目標。調查實驗是通過觀察、比較、記錄數據等形式收集數據，并對數據進行整理分析，推導結論，以培養學生的數據分析、因果推斷能力為目標。技能實驗不需要使用實驗儀器，通過解釋數據、推導結論等，著重培養單項實驗探究的思維能力。迷你實驗簡化了實驗操作步驟，便于學生在課堂上快速得到實驗結果，并推導實驗結論；著重培養學生從生活中提出問題、動手操作及解釋數據的能力（表2）。

2 中美高中生物教材實驗的比較分析

2.1 實驗編排的比較

2.1.1 課程標準要求的比較

教材是依據課程標準而編寫的，因此課程標準對教材編寫有較大影響。對于實驗探究活動，中國課程標準提出“初步學會生物科學探究的一般方法，具有較強的生物學實驗的基本操作技能、搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、批判性思維的能力、分析和解決實際問題的能力以及交流與合作的能力；能夠正確使用一般的實驗器具，掌握采集和處理實驗材料、進行生物學實驗的操作、生物繪圖等技能”的目標。美國課程標準則要求學生“在學習探知自然界的科學方法時將會參與科學探究活動中的某些方面的工作，同時也應該培養自己從事完整的探究活動的能力”。由此可見，雖然兩國課程標準都提倡科學探究理念，但對科學探究的培養有所側重，我國更強調實驗操作技能的訓練，而美國強調探究思維的培養。

2.1.2 實驗內容呈現的比較

兩套教材實驗所選的內容既與教材知識密切相關，也與生產生活緊密聯系。學生通過實驗探究，加深對教材理論知識的理解，有利于教材理論知識的轉化和遷移。對于同一個主題的實驗，兩套教材分別從不同的角度開展實驗，這為實驗教學、課外探究活動提供了很好的參考材料。人教版對實驗內容的表述多采用陳述性語句，十分嚴謹、規范；美國教材則簡明扼要，而且大多采用第二人稱進行陳述，如“本次實驗中，你設置的單一變量是什么？”“你認為哪種生物的細胞分化程度更高？”等，讀起來親切、自然，像是在與教材對話。另外，美國教材的實驗名稱也貼近生活，如“蘋果汁發酵了嗎？”“廣告詞都可信嗎？”，具有很強的吸引力。對于實驗原理、關鍵步驟，人教版會給出相應的彩色模式圖，美國教材則加入了大量的彩色照片，為學生提供感性認知材料，提高學生的閱讀興趣。

2.1.3 實驗數據處理及課后討論的比較

數據整理是科學實驗所必須具備的技能之一，兩套教材對實驗數據整理的編排大體相同：運用相關統計學的方法整理原始實驗數據，結合簡單到復雜的學習策略，設置階梯性問題，逐步引導學生通過統計結果推導實驗結論。為了直觀地展示實驗結論，兩套教材還設置有多種形式的展示方式，如匯總表格、模型圖等。美國教材充分發揮網絡平臺的優勢，學生可以通過與網絡參考數據、其他學校的共享數據進行比較，分析產生誤差的原因，從而改進實驗操作，起到及時反饋的作用。

兩套教材都通過引導學生運用實驗結論解釋生活中常見的現象或科學技術，使得教材的理論知識與生產生活相聯系，達到強化記憶的目的。如人教版“探究酵母菌細胞的呼吸方式”實驗后讓學生思考重鉻酸鉀可以檢測有無酒精存在，想一想這一原理在日常生活中有什么用等；美國教材在學習完植物色素，根據日常生活常見的葉子顏色變化，提問學生“為什么在夏天看不到紅色、黃色、紫色的葉子？”此外，美國教材提供了具有科學權威的特定網站，豐富學生的課外閱讀。而人教版教材僅是通過問題引導，學生個人或小組內部進行整理、分析實驗數據，雖是補充了課堂外資源，但顯得較為單薄。

2.2 實驗比較的分析

2.2.1 注重科學探究技能和思維的訓練

中美兩國高中生物教材中均有探究實驗，綜合培養學生的科學探究能力；其他類型實驗的編排結構也隱含科學探究的一般過程（提出問題、作出假設、制定計劃并實施、數據分析、解釋與結論、表達交流等），體現了兩國課程標準所倡導的科學探究理念。但由于兩國課程標準對實驗的具體要求不同，人教版設置有觀察實驗、生理生化實驗等基礎實驗，加強實驗操作技能的訓練。美國教材則編排有大量迷你實驗、技能實驗等，通過問題引導的方式，著重培養學生的科學探究思維。

2.2.2 緊密聯系教材理論知識和生產生活實際

生物學很多理論知識源于實驗的探索發現，因此生物實驗是連接教材理論知識和生產生活的橋梁。兩國教材在實驗的引入、探究過程及課后擴展的選材，都來源于生產生活，同時又與教材理論知識密切相關，有利于教材理論知識的遷移、轉化，并且達到了解生物科學知識在生活、生產、科學技術發展和環境保護等方面的應用的相同課程目標，體現STS教育理念。如人教版在“探究影響酶活性的條件”中就選擇加酶洗衣粉、消化酶作為引入，以淀粉酶作為實驗材料，最后討論酶制劑在使用中的注意事項。學生在實驗過程中不僅能感受到教材知識來源于生活，也能體驗運用教材知識解釋生活現象的成就感，對于提高學生生物科學素養具有很好的促進作用。

2.2.3 根據實驗內容靈活選擇插圖

兩套教材都加入了大量的彩色插圖，圖文并茂，提高了學生的閱讀興趣。但人教版采用較多的是模式圖，可以人為地進行設計，使微觀、抽象、復雜的知識具體化，便于學生理解和記憶，也便于突出實驗要點，規范實驗操作，但不免有些失真、過于理想化。美國教材采用較多的是照片，可以形象直觀地展示實驗操作過程，學生在進行實驗操作的過程中仿佛身臨其境，增強教材的感染力，但學生可能不容易把握實驗操作要點，需要教師加以引導。因此，在實驗教學中教師要靈活選擇實驗插圖，利用模式圖對實驗原理進行解釋，放大微觀不可見現象。利用照片插圖展示實驗操作過程，形象而直觀，同時也減少了文字描述篇幅。

3 啟示與思考

3.1 加強網絡資源的開發與建設，構建立體化教材

美國教材最突出的特點是對網絡資源的有效利用，同時借助網絡數據庫的支持，發揮其及時更新、互動共享等優勢，對實驗活動的開展起到巨大的促進作用；尤其是在學生處理實驗數據、分析誤差、改進實驗操作等方面更是凸顯其優勢。美國教材還在此基礎上設置網絡實驗，以培養學生的探究能力及數據分享意識，提高學生的信息素養。進入教材網站即可看到所有的網絡實驗內容，該網站的亮點在于數據資源上，第一個是活動鏈接，是介紹該實驗相關知識的專業網站，第二個是學生數據鏈接，可看到學生收集整理之后上傳的數據表，具有交流共享的功能。借助該網絡平臺，學生在教師的引導下，可進行完整的實驗探究活動。

網絡資源是我國《課標》中提倡的課程資源形式之一，人教版雖然也有加入了某些網絡資源，但存在數量少、針對性不強、沒有及時更新等問題，對學生查找網絡資源的導向性不強。隨著多媒體電腦和網絡技術的發展，網絡資源已不局限于資料搜集，還具備了數據統計、共享、實時更新等網絡數據庫功能，因此，嘗試建立網絡數據庫，便于使用者及時共享教材實驗數據，特別是一些需要大量數據的經典實驗，例如孟德爾豌豆實驗，網絡數據庫可以收集各個學校的實驗數據，在大樣本量下動態更新統計結果，更有助于學生的數據分析。這類網絡數據庫資源建設也是目前我國生物教材缺乏的一種課外擴展形式，其開發與建設有助于推動我國立體化教材的建設。

3.2 提升驗證性實驗水平，增強實驗探究性

人教版根據我國《課標》的要求，編排有驗證性實驗（包括觀察實驗、生理生化實驗等）以加強對學生實驗操作技能的訓練，但這類驗證性實驗所需人力物力與探究實驗相當，為了在驗證性實驗中也能培養學生的探究思維和探究能力，國內學者進行了一些嘗試，如對實驗原理進行設計、加入變量、設置梯度等，但都無疑加大了實驗容量，延長實驗操作時間。這對于我國高中生物教學存在的學業壓力大、課時緊的現狀并沒有很好地緩解。

美國教材中“迷你實驗”的作法則不失為一種參考。迷你實驗類似于簡化版的驗證性實驗，只讓學生對實驗的關鍵步驟進行操作，如葉綠素的提取與分離實驗，教師向學生提供研磨好的葉綠素提取液，讓學生直接進行劃線操作，極大地縮短實驗時間，便于在課堂上進行，同時還設置有相關的探究性問題，通過引導學生對實驗結果進行深入分析、思考，培養學生的探究性思維。

3.3 滲透環境保護教育，防治實驗污染

隨著工業化給人們生活帶來便利的同時，也改變著人們的生活環境，日益惡化的生態環境使人們感到環境保護的重要性和迫切性。高中生物實驗會涉及到相關化學藥品的使用，相應也會產生一些環境污染源，雖然數量和強度不及工業污染，但全國各地中學長期地排放，污染也相當嚴重；更主要的是，學生在實驗中養成了隨意排放污染物的習慣，沒能形成一定的環境保護意識。為此，可借鑒美國教材在實驗結束后“清潔與整理”的作法，指導學生在保證自身安全的基礎上，對實驗材料、用具進行規范處理，如“與教師商量處理實驗后廢棄的細菌培養物和抗生素的方法”，既讓學生學會合理處置實驗廢棄物，也滲透環境保護意識，體現人文主義關懷。此外，教師在實驗教學中還應充分發揮榜樣示范作用，親身參與到實驗廢棄物的處置當中，用自己的實際行動感染學生。

參考文獻：

[1] Alton Biggs， Whitney Crispen Hagins， et al. Biology： The Dynamics of Life[M]. New York： The McGraw-Hill Companies， Inc， 2004.

[2] [美]奧爾頓·比格斯.廖蘇梅等譯.生物·生命的動力[M].杭州：浙江教育出版社.2008.