新課標生物教學中探究實驗的設計和分析方法

李應勝

新課標生物教學中，探究實驗的教學占有非常突出的地位，對于提高學生的科學素養有十分重要的意義。本文針對探究實驗各環節所反映出的核心思想、原理、方法和原則進行簡要分析說明。

一、實驗目的的確定

探究實驗的本質是根據某一合理假設，通過設計和實施實驗，對作用主體與作用對象之間的內在聯系作出分析和判斷，從而得出科學結論的過程。因此，生物學探究實驗的實驗目的一般描述方式為：探究某因素對生物某方面特征（如形態、結構、生理功能）的影響。例如，探究光照強度對植物光合作用速率的影響；探究生長素濃度對植物插枝生根的影響；探究紫外線對草本植物植株形態和株高的影響等。

從實際應用出發，實驗目的可以從兩個不同角度分析確定。（1）可以從實驗課題中分析實驗目的。很多探究課題實驗目的明確，不需要作進一步分析。但也有部分課題探究目標比較模糊。如，探究小麥生長中心與旗葉光合作用的關系。該課題既有可能是探究生長中心對旗葉光合速率的影響，也有可能是探究旗葉光合作用對生長中心生長速率的影響。因此，需要進一步細化，確定探究方向。（2）從實驗步驟中歸納實驗目的。從訓練學生思維的角度出發，在某些情境下可能給定實驗步驟，要求歸納實驗目的。此種情境下的一般方法是：根據實驗步驟找出實驗中的自變量和因變量，將實驗目的概括為“探究某因素（自變量）對某形態結構或生理功能（因變量）的影響”。

二、實驗原理的分析和歸納

實驗原理是對實驗的理論基礎、操作方法和目標指向的高度濃縮概括。其內容應包含四個方面的基本要素：實驗的科學理論依據；操作過程要點；實驗結果的檢測方法和指標；實驗的結論目標指向。

在獨立設計實驗時，確定實驗原理的基本途徑是：（1）從生物科學的基本理論出發，深入分析影響因素與作用對象之間的內在聯系。（2）分析操控影響因素的具體方法，確定自變量。（3）分析實驗對象受到影響后可能發生的反應，找出與這些反應相關的外在表現，確定觀測指標。（4）概括說明該實驗能達成的最終目標。

如果是在已有的實驗方案基礎上歸納實驗原理，基本方法是：找出實驗方案中的自變量和因變量，從理論上分析二者之間可能存在的聯系；然后以方案中實驗組為依據，描述對自變量的控制和對結果的檢測方法，忽略掉對照組設置以及對無關變量的控制等細節，從而歸納出實驗原理。

一個科學的實驗原理可以對實驗材料的選擇、實驗步驟的設計、觀測指標的確定以及實驗結果的預測分析都能起到有效的指導作用，是整個實驗方案的綱領。

三、實驗步驟設計的方法和原則

實驗步驟是實驗探究方案的主體內容。它直接決定實驗過程能否實現以及實驗目標能否達成。

實驗步驟設計的一般思路是：首先要明確自變量和因變量，再結合探究目標確定變量控制方法和對照實驗設置方法，最后確定對實驗結果的檢測方法和指標。如果是定性探究，則應該以被探究因素的有、無或者強、弱等典型條件設置對照；如果是定量探究，則應該以被探究因素的強弱程度設置一系列梯度實驗進行探究。例如，若要探究“溫度對植物光合作用的影響”就可作定性探究，此時只需要設置高溫、常溫、低溫三個典型溫度條件作對照實驗即可。如果要求“探究植物光合作用的最適溫度”，這就是一個定量探究課題。必須在一定溫度范圍內設置一系列溫度由低到高的梯度實驗進行對照。檢測方法要有可行性，檢測指標必須是實驗對象受自變量影響后產生的必然預期結果。

實驗步驟設計必須遵循的原則主要有：科學性原則；對照原則；單一變量原則；平行重復原則。

科學性原則的基本含義是：有確實的科學理論依據，邏輯推理嚴密，操作方法和順序合理，變量控制可靠有效，觀測手段簡便易行。

對照原則：探究過程中要通過設置對照實驗的方法來增強實驗的說服力。可根據不同課題要求，在實驗中設計空白對照、條件對照、相互對照和自身對照等不同的對照實驗形式。

單一變量原則：實驗組與對照組只能有一個變量差異。即除開自變量以外，實驗組和對照組其他所有無關變量應保持相同且適宜。

平行重復原則有兩層含義：一是指進行探究實驗時對生理狀況相同的多個實驗對象同時進行相同的實驗操作，以減少偶然因素或實驗對象個體差異帶來的誤差；另一層含義是指控制自變量在相同的變化幅度下，以同樣的條件進行重復實驗，從而體現過程與結果之間聯系的必然性。

在上述原則下，實驗步驟的設計可以大致上分為三個要點：第一步，準備和分組。對實驗材料要進行準備和預處理，使其初始狀態相同并達到實驗要求。然后，根據實驗需要劃分為不同組別，為后續的對照實驗做好準備。第二步，對照處理和變量控制。將不同組別控制在自變量的不同變化幅度之下形成對照，其余條件控制到相同且適宜的狀態，并給予充分的后續反應時間。第三步，實驗現象的觀測統計。選定適當的觀察測量指標對不同組別分別進行觀察和統計，以反映實驗結果。

四、實驗結果分析和結論歸納

在分析實驗結果時，首先要分析實驗現象，若涉及統計數據則要進行數據處理，找出數據規律。然后比較實驗組和對照組實驗結果差異，通過分析不同組別實驗結果差異與實驗條件差異的內在聯系，歸納實驗結論。

對于探究實驗而言，在實驗前通常都有一個理論上的假設，結合實驗探究方案演繹推理，會形成一個理論上的預期結果。但作為一種科學研究手段，一切分析都要以最終真實的實驗結果為依據。因此，在設計對實驗結果的分析方案時，應考慮到實際結果有可能與理論預期并不相符，需要預設幾種不同的結果分析方向：若實驗結果隨自變量的變化幅度呈現與預期相符的規律性變化，則說明實驗假設成立；若實驗結果隨自變量的變化幅度呈現與預期相反的規律性變化，則說明結論應與實驗假設相反；若實驗結果不隨自變量的改變程度而出現規律性變化，則說明此現象與實驗探究的影響因素無關。endprint