高中生物課程中的定量實驗分析

莊瑞峰

摘 要 分析定量實驗的教學價值，并對高中生物課程中的定量實驗進行分類，提出相應的實施策略。

關鍵詞 定量實驗 教學建議 生物學教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

定量實驗是研究觀察對象的性質、組成和影響因素之間數(shù)量關系的實驗。《普通高中生物課程標準（實驗）》的具體內容標準和活動建議中，有17個定量實驗，在與課程標準相應的教材中，還開發(fā)了許多新的定量實驗，如人教版教材增加了“用樣方法調查草地中某種雙子葉植物的種群密度”，蘇教版教材增加了“化肥與池塘富營養(yǎng)化”，中圖版教材增加了“自然選擇的模擬”等。

隨著高中新課程的實施，定量實驗的教學價值卻沒有得到應有的重視，甚至因為定量實驗操作要求嚴密、耗時過多等原因，不少學校很少開展定量實驗。下面分析高中階段開展定量實驗的價值，對定量實驗進行分類，并提出相應的實施策略。

1 高中生物定量實驗的價值

人的認識從定性到定量是一個飛躍。定性實驗在科學研究中有重要地位，對于任何一項研究，首先必須確定研究對象是否具有某種性質或某種關系等，才能進一步做精確的定量實驗以確定量之間的關系。但是，只作定性描述而缺乏定量研究，往往不能使科學發(fā)現(xiàn)具有普遍意義。定量實驗的核心任務是尋找數(shù)量之間的關系，用觀察、實驗、調查、測量、統(tǒng)計等來研究和分析現(xiàn)象，對實驗設計的嚴密性、測量的精確性、現(xiàn)象的客觀性、價值的中立性都提出了嚴格要求。

學生能力的養(yǎng)成是一個循序漸進的過程。在義務教育階段，教師要注重讓學生體驗科學探究的一般過程中，激發(fā)其探究的興趣，初步學會科學探究的一般方法。因此，定性實驗多，定量實驗少，定量實驗的原理、方法相對簡單，現(xiàn)象明顯。在高中階段，隨著學生思維能力的提升，課程標準中大量增加定量實驗，實驗的操作相對復雜，有的實驗需要較長時間才能完成，可以培養(yǎng)學生獨立運用科學的思想和方法去分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生嚴謹、敢于質疑、堅持不懈的科學精神。

2 高中生物定量實驗的類型

《普通高中生物課程標準（實驗）》的具體內容標準和活動建議中的17個定量實驗，可以分為實驗方法類、模型方法類和調查研究類這三種類型。

2.1 實驗方法類

實驗方法是人們依照研究目的，使用科學儀器和設備，有意識地去控制自然過程條件，模擬自然現(xiàn)象，避開次要矛盾，突出主要因素，使自然過程純化、典型化，在特定條件下去探究客觀規(guī)律，從而認識客觀世界的方法。

高中生物課程中，與實驗方法相關的定量實驗有：探究影響酶活性的因素；研究影響光合作用速率的環(huán)境因素；探究植物生產調節(jié)劑對扦插枝條生根的作用；探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化；土壤動物類群豐富度的研究；測定某種微生物的數(shù)量；嘗試利用酶活力測定的一般原理和方法；用實驗找出在什么條件下使用加酶洗衣粉效果最好；測定食品加工中可能產生的有害物質等。

運用實驗方法進行的定量實驗，通過控制自變量，限制無關變量，研究對象更便于觀察、統(tǒng)計和分析，從而使復雜的現(xiàn)象變得簡單，使研究從現(xiàn)象觀察深入到本質探討，而且可以反復再現(xiàn)，其他研究者能夠進行重復實驗加以驗證。

2.2 模型方法類

模型方法是對客觀對象進行觀察實驗，并對所獲得的科學事實進行初步的概括后，利用想象、抽象、類比等方法，建立一個反映和代替客觀對象，并通過對模型的研究來揭示客觀對象的、特征和本質的方法。開展模擬實驗的原因有很多種，常見的有：被研究對象的發(fā)展延續(xù)時間很長，中學階段難以開展，如動植物的雜交實驗、種群的數(shù)量和基因頻率變化等；被研究客體的物理屬性不能進行直接實驗，如細胞的體積極其微小；涉及人的健康和倫理道德，如改變人體內環(huán)境的理化指標探究穩(wěn)態(tài)的調節(jié)等。

高中生物課程中，與模型方法相關的定量實驗有：模擬探究細胞表面積與體積的關系；模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗；用數(shù)學方法討論基因頻率的變化；利用計算機輔助教學軟件模擬人體某方面穩(wěn)態(tài)的維持；嘗試建立數(shù)學模型解釋種群的數(shù)量變化等。

用模型來代替被研究對象，在探究活動中，實驗工具只直接作用于模型而不直接作用于原型，能簡化和理想化地再現(xiàn)原型與研究目的有關的各種基本因素和基本聯(lián)系，略去次要的、非本質的細節(jié)，能夠使研究者充分發(fā)揮想象、抽象和推理能力，將從原型獲得的信息重新加以組合，形成新的圖形的、符號的或概念的模式，構建一個理想的認識工具。

2.3 調查研究類

調查研究是科學研究中常用的方法，是通過抽樣的基本步驟，采用問卷、訪談等方法了解調查對象的有關信息，加以統(tǒng)計分析的研究。調查法不受時間、空間的限制，能搜集到難以從直接觀察中獲得的資料，能在較短的時間里獲得大量資料。

高中生物課程中，與調查研究相關的定量實驗有：調查常見的人類遺傳病；調查青少年中常見的免疫異常；調查當?shù)刈匀蝗郝渲腥舾煞N生物的生態(tài)位等。

開展調查研究類的定量實驗，要設計好調查表，盡量多地收集數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，尋找數(shù)據(jù)背后隱藏的規(guī)律。同時對人類遺傳病、免疫異常等進行的調查，可能涉及家庭和個人隱私，一方面要尊重受調查者的隱私權，另一方面要改變調查的策略，告知調查的目的和公開范圍，也可以到醫(yī)院進行相關疾病的調查，從而獲得更真實有效的數(shù)據(jù)。

3 高中生物定量實驗的教學建議

3.1 關注初高中銜接

從初中到高中的生物學習過程，是一個螺旋上升的過程，在知識和能力上都不可分割。學生在初中階段已經掌握的知識和能力是高中學習的基礎，高中教學是對學生原有經驗的豐富、能力的提升。

如在初中階段，課程標準對光合作用的實驗要求是“探究光合作用的條件、原料和產物”，運用簡單而科學的方法驗證植物光合作用需要光和二氧化碳，產生淀粉和氧氣，這是定性分析。而在高中階段，課程標準對光合作用的實驗要求是“葉綠體色素的提取和分離，研究影響光合作用速率的環(huán)境因素”。探究影響光合作用速率的環(huán)境因素是一個定量實驗，而環(huán)境因素主要有光照強度、二氧化碳濃度和溫度。教師如何從學生已經掌握的定性實驗轉變?yōu)槎繉嶒灒趯嶒炘砗头椒ㄉ洗笸‘悾枰_定一個可測量、有信度的指標，同時，在實驗材料的選擇、自變量和無關變量的控制等方面，可以發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力。

3.2 合理安排實驗計劃

高中階段開展的定量實驗有的比較簡單，可以在一節(jié)課中完成；有的需要到野外采集和調查；有的需要在人群中進行調查；有的培養(yǎng)周期較長，需要一周甚至更長的時間才能完成；有的實驗需要較多的器材，如果不能提前準備、科學規(guī)劃，許多實驗是無法開展的。

合理安排實驗計劃，可以在每學期開學初，由教研組集體研究，確定各年級開設的實驗項目、時間、場地和負責人，制定實驗教學的目標、流程和評價。特別是評價制度的創(chuàng)新，引入過程性評價，評價學生在提出問題、作出假設、設計實驗、數(shù)據(jù)的收集和轉換、實驗結論的表達與交流等方面的表現(xiàn)，使過程性評價真正進入學生的學業(yè)成績評價體系，利用評價促進學生轉變學習方式。

3.3 成立生物興趣小組

由于部分定量實驗的周期比較長，對器材、場地的要求特別高，一般學校無法滿足每個學生都能參與到實驗的全過程；有的定量實驗需要野外采集和調查，組織全體學生到野外去也不現(xiàn)實。因此，成立生物興趣小組，讓小組成員共同完成實驗或野外采集和調查，然后在全班展示他們的研究過程和成果。在一個真實的情境中，教師引導學生進行討論、分析、評價，可以在最大范圍內實現(xiàn)定量實驗的教學目標。

如“探究植物生長調節(jié)劑對扦插枝條生根的作用”的實驗，需要設置不同濃度的植物生長調節(jié)劑作為對照，每一濃度需要有多根插穗進行重復實驗，因此要準備大量的枝條、容器。而且插穗生根可能需要2周以上的時間，要有足夠的場地擺放實驗裝置。如果由興趣小組完成這個實驗，通過圖片、文字、視頻等方法展示實驗過程和結果，從而達到課程標準規(guī)定的教學要求。如果教師將教材中的定量實驗進行拓展，與科技創(chuàng)新活動結合起來，還能夠引導學生關注科學、技術與社會的關系，運用科學的思想和方法去解決現(xiàn)實問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

孟德爾使用豌豆為材料進行雜交的定量實驗，發(fā)現(xiàn)了遺傳的兩大規(guī)律，使遺傳學從定性描述進入定量測定的全新領域。可以想象，如果沒有定量實驗，生命科學不會發(fā)展到今天的規(guī)模，也不會對社會發(fā)展、人類進步起到如此巨大的作用。教師首先要認識到開展定量實驗的價值，同時，更要讓學生體驗和感悟定量實驗的魅力，提升生物科學素養(yǎng)。

參考文獻：

王德勝.化學方法論[M].杭州：浙江教育出版社，2007：43-48.