美國中學核心理科教材生命科學部分的實驗室實驗分析

摘 要 對美國中學核心理科教材中生命部分的實驗室實驗進行了分析，在分析了實驗室實驗的類型、數量及編寫特點的基礎上，總結了實驗室實驗特點，以供生物教育工作者借鑒。

關鍵詞 美國教材 教材分析 實驗室實驗

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

美國中學核心理科教材中的生物部分共分為《生命的基礎》、《微生物和植物》、《動物》、《人體》、《生態系統》5本，分為27章75節內容。而教材中設置的實驗根據實驗進行的時間分為三大類：導航實驗（學習前）、迷你實驗（學習中）以及實驗室實驗。這三類實驗的數量與分布如表1所示。

從表1中可以看到本套教材的生物部分共設置了133個實驗，實驗豐富。實驗室實驗共有54個，所占比例最大。實驗室實驗旨在使學生聯系實際問題，運用所學知識，因而其分布于部分章節中。

1 實驗室實驗的類型

全套書共54個實驗室實驗，分布在27章中，每一章都有2個實驗室實驗，且都在部分章節的后面，而這些實驗又可分為以下四種類型：觀察或驗證類、自主設計、模型模擬、利用互聯網，具體數量見表2。

（1） 觀察或驗證類實驗。在所有的實驗室實驗中，本類型所占比例最大，為59%，由現實世界中的現象引出某一問題，學生按照已設計好的實驗步驟進行操作，最終討論并分析所得到的結論。

經過對本套教材中的所有觀察或驗證類的實驗分析發現，實驗所研究的問題均為前面在教材中所出現的知識點，學生在親自實驗之后，可以更加形象、直觀地理解教材內容，例如《生命的基礎》中第4章“細胞的繁殖”第1節“有絲分裂”后的實驗為“植物細胞中的有絲分裂”。教材中介紹了細胞有絲分裂的過程及每個過程的特點，這部分內容也是該節的重點知識。在實驗中，要求學生通過觀察洋蔥根尖細胞，根據前面所學的有絲分裂不同階段的特征分辨出處于不同分裂階段的細胞，并統計哪個階段所占的時間最長。通過親身體驗，親眼觀察，學生在實際操作中運用了書本中所學到的知識，這樣可以加深其對重點知識的理解，也可以對知識、技能及方法進行融會貫通。因而實驗室類型的實驗在教材中的地位主要為學生運用已學知識的平臺，是對教材中的重點知識的拓展。

（2） 自主設計實驗。自主設計實驗是引導學生按照科學探究的方式與步驟進行自主實驗，自行得出實驗結論，以此來培養學生進行科學探究的態度和意識。學生在實驗探索中，從直觀、具體、鮮明的實驗現象入手，用眼看、動腦想、親身做等感官密切配合，使學生更好地從感性認識到理性認識，更好地理解教材內容。

自主設計實驗所要探究的有與本章節中的重難點知識相關的問題，學生在實驗中對這些知識再次進行驗證，也有對教材內容的延伸與應用，如《微生物與植物》中第四章第三節之后，探究的是種子的發芽率，而前面第三節中有一小節的內容是“種子萌發”概述了種子的萌發的定義，并提到種子的萌發必須有合適的環境條件但沒有進行詳細描述，在該小節下面的數學應用模塊中，向學生介紹了使用百分比計算種子萌發率的方法。因而后面的自主設計實驗引導學生通過種子的萌發率來探究影響種子萌發的環境條件。可見，自主設計實驗是對教材知識的延伸與補充。

（3） 利用互聯網的實驗。在實驗室實驗中，有一種形式比較新穎的實驗，利用互聯網進行的實驗，即學生主要通過互聯網查詢并收集相關信息，了解書本中所沒有的知識，并加以應用。

本類型的實驗在所有實驗室實驗中所占的比重僅為7%，但在整體教材中仍具有不可替代的作用，這是一種比較新型的實驗類型，是現代生物教學的重要體現，是生物實驗與現代信息技術的完美結合，將生物學的知識與信息檢索緊密聯系。對生物科學的學習不應只僅僅局限于教材中已有的知識，還包括了通過獨立自主地收集查閱資料而了解一些課外的知識。經過利用互聯網實驗的訓練，學生可以基本掌握如何探索課外知識。因而，本類型的實驗內容是對教材內容的擴充與豐富。

利用互聯網的實驗不僅可以讓學生了解許多教材中沒有的生物學知識，而且能夠對學生進行相關的情感態度的教育。

（5） 模型模擬實驗。在所有的實驗中，共有4個模型模擬類型的實驗，即學生利用所學知識發明并構建模型，將模型運用到實際生活中，為生活提供便利，或者模擬某種生物現象，從而更加深刻地理解所學知識。

模型模擬類型的實驗在全套書中所占比例不大，但該類型的實驗較為新穎，對于提高學生的動手能力和訓練學生的抽象邏輯思維有很大的幫助。這四個模型模擬的實驗分別為：“模擬腹部按壓術”“動物的生境”“太陽能炊具”和“編制真菌野外指南”。這些實驗都是應用性比較強的實驗，與學生的日常生活聯系緊密。

2 實驗室實驗的編寫特點

由于利用互聯網的實驗和模型模擬實驗的數量較少，因此僅展示觀察或驗證類實驗和自主設計實驗兩個示例。

2.1 觀察或驗證類實驗示例

以《生命科學·動物》第一章“動物學入門”第二節“海綿動物和腔腸動物”中的“觀察腔腸動物”為例，教材設計是：

（1） 現實世界的問題：水螅對食物和其他刺激產生怎樣的反應。

（2） 目標：預測：水螅對各種刺激產生怎樣的反應；觀察：水螅對刺激如何反應？

（3） 材料略。

（4） 安全防御（以圖片示意）略。

（5） 實驗過程：略。

（6） 結論和應用：

分析：當水螅被觸到時，會發生什么？水螅的其他部位發生了什么？

描述：說出觸手為水螅提供的幫助。

（7） 交流你的數據：

與其他同學比較你的記過。討論是否被其他研究的所有水螅都有相似的反應，這些反應對水螅生存具有怎樣的幫助。

2.2 自主設計類實驗示例

以《生命科學·動物》第一章“動物學入門”第二節“海綿動物和腔腸動物”中的“比較自由生活的和寄生生活的扁形動物”為例，教材設計是：

（1） 現實世界的問題：

扁形動物的身體如何適應它們的生活環境？自由生活的扁形動物和寄生生活的扁形動物的適應是否一樣。

（2） 目標：對比和比較：比較自由生活的扁形動物和寄生生活的扁形動物的身體結構與功能；觀察：扁形動物如何適應它們的環境？

（3） 可能用到的材料：略。

（4） 安全防御（以圖片示意）略。

（5） 形成假設：對你認為的營自由生活的蠕蟲可能具有的適應提出假設。這些適應的益處是什么？

（6） 運用科學方法：

驗證假設：

制定計劃：

①以小組為單位，將你設計用于比較和對比扁形動物類型的方法編列成表。從老師那里獲得如何處理活的扁形動物的信息。

②選擇你在步驟①中描述的其中一種方法。列出你需要進行的實驗步驟，確保對每一步都有詳細的描述。

③列出你完成實驗所需要的材料。

④在你的科學日記中自主設計一張數據表。當你的小組開始收集實驗數據時，充分利用這張數據表。

執行計劃：略。

分析數據：解釋：寄生生活的扁形動物與自由生活的扁形動物有哪些相似點？描述：找出寄生生活的扁形動物和自由生活的扁形動物的差異。

結論和應用：辨別：自由生活的扁形動物中哪一種身體系統發育更完善？辨別：寄生生活的扁形動物中哪一種身體系統更復雜？推斷：哪些適應使一些扁形動物營自由生活？

（7） 交流你的數據：

與你的同學一起討論實驗設計和結論。需獲取更多幫助，請參考《科學入門》。

2.3 編寫特點

實驗室實驗的編寫體現了本套教材“做中學”的特點，在實驗的一開始提出一個“現實世界的問題”，然后引導學生像科學家一樣思考和探究這個現實問題。教材對每一個實驗都提出明確且可操作的學習目標，提供可供選擇的實驗材料，并用圖片來提醒學生注意該實驗安全的哪些事項。接著再由學生自主實驗。

教材在實驗室實驗“結論和應用”部分，一般都會根據實驗的具體內容，設置“分析”“描述”“辨別”“推斷”“解釋”等部分，從實驗的現象或結果入手，分析實驗，然后再把剛習得的技能或知識運用解決拓展的問題，對遷移運用知識。如“觀察腔腸動物”中的“結論和應用”階段，教材首先要求學生根據觀察，說出水螅被碰到時發生的身體變化，然后再描述觸手為水螅提供的幫助，從而要求學生思考結構與功能的關系。

自主設計類實驗特別注重對學生科學方法的培養，根據科學探究的過程來設置實驗，要求學生經歷形成假設、驗證假設、分析數據等過程，培養學生的思維與志趣。

在實驗的最后，教材還設置了“交流你的數據”環節，要求學生與同學分享探索的結果，或是發散思維進一步思考，如在“觀察蚯蚓的行為”實驗中，提出“寫一個故事來描述蚯蚓一天的生活，列出蚯蚓的活動、可能遇到的危險和問題以及它們的生境”。

3 實驗室實驗特點分析

（1） 使學生學會科學探究的方法：自主設計的實驗完全是按照科學探究的步驟由學生獨立完成，在經過一系列自主設計的實驗訓練后，學生可以完全了解科學探究的方法和步驟。如“果蠅種群數量的增長”實驗，學生需形成有關環境因子的改變對果蠅種群數量增長的影響的假設，再通過制定、執行計劃來驗證假設，經過數據分析，得出影響果蠅種群增長的因子的結論，再與同學交流實驗結論。學生通過一系列的實驗探究的過程，可以清楚地知道探究是怎樣的過程，為以后學生在進行科學研究與學習提供條件。

（2） 培養學生養成科學探究的態度和意識：在美國國家科學教育標準中，將探究分為完整的探究和部分探究兩部分，而在實驗室實驗中，就體現在觀察或驗證實驗和自主設計實驗中。這四種類型的實驗都體現了探究的態度，例如利用互聯網和模型模擬的實驗中，學生需自行設計檢索資料的步驟與所要收集的信息，也要自行設計模型并制作，這都是部分探究的體現。

（3） 通過訓練學生檢索與收集信息，培養學生自主學習的能力，擴大學生的知識面：在利用互聯網類型的實驗中所涉及到的知識基本為教材中所沒有的課外知識，學生自行收集相關的資料，對這些知識有所了解，豐富了課外知識的儲備。如“藥用植物”實驗中，學生通過信息收集，探索事物以及它們藥用歷史的沿革，了解藥用植物是如何來維持人體的健康的。在“濕地的保護”中學生可以了解為什么是生態系統的重要組成部分，可以采取哪些措施對濕地環境進行持續性的保護。

（4） 提高學生進行科學探究的技能：學生通過觀察、比較、驗證等操作來完成實驗，而這些操作都是進行科學探究的基本技能，經過訓練，學生的動手操作能力得到了提高。

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