例談提升探究能力的定量實驗

邰玉韋

文件編號： 1003 - 7586（2016）06 - 0045 - 03

初中生物課程的核心目標是提高學生的生物科學素養和科學探究能力，增進學生對科學探究的理解。《義務教育生物學課程標準（2011版）》中，在“教學建議”中明確指出：在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。教師應向學生提供機會學習量的測定，實事求是地記錄、整理和分析實驗數據、定量表述實驗結果等。下面結合探究性教學的實踐案例，淺談開發和利用“定量實驗”，促進探究能力多層次的發展。

1 重視“定量實驗”思維意識的培養

生物學新課標中共建議了9個探究實驗：① 探究影響鼠婦（或蚯蚓等）分布的環境因素；② 探究種子萌發的外界條件；③ 探究光合作用的條件、原料和產物；④ 探究饅頭在口腔中的化學性消化；⑤ 探究幾種食物熱價的差異；⑥ 探究螞蟻或其他動物的行為；⑦ 探究食品保存的方法；⑧ 探究“酸雨”的危害；⑨ 探究酒精對水蚤心率的影響。不同的探究實驗對培養科學探究能力所起的作用不同，但從實驗結果的性質上可以分為定性實驗和定量實驗，其中“探究幾種食物熱價的差異”是典型的定量實驗。在初中階段，定性實驗較多，定量實驗較少，符合初中生的認知特點和思維能力層次。

但在實際教學中，因“探究幾種食物熱價的差異”的實驗操作復雜，如“天平”的使用、“量筒”的使用等，教師因畏難情緒而放棄對該實驗的實際探究。這樣做淡化了對學生“定量”思維意識的培養，凸顯了學生探究能力層次的欠缺和探究教學思維深度的不夠。同時，在許多實驗操作中，尤其對實驗室的某些實驗儀器的科學操作中，學生縮手縮腳，畏難情緒常見，主要原因是他們不了解一些儀器和用具的基本用法。在初一教學中，許多教師會重視“顯微鏡的使用”這部分教學內容，但在“其他常用的探究器具”教學內容中，如量筒、天平等計量器具和試管、滴管、培養皿等通用器具，許多教師都是紙上談兵。如果教師能在課堂中，讓學生摸一摸、量一量這些探究實驗教學中可能用到的實驗儀器，一方面，學生可以掌握基本的實驗技能；另一方面，有利于培養學生實驗教學中嚴謹和科學的思維意識，尤其是“量”意識。因此，重視“定量實驗”思維意識的培養，應從基本的實驗常識開始。

2 重視基于“數據”探究教學的概念形成

《義務教育生物學課程標準（2011版）》提出了“關注重要概念的學習”的新理念，且篩選并呈現了50個生物學重要概念。落實新課程的“定量”理念和要求，滲透觀察測量等實驗方法，把數據整理成證據，使探究活動變得更真實、更準確，有利于提高科學探究的效率，幫助學生在定量思維的基礎上建構概念。

案例1：在“探究鳥類適合飛行的特征”教學中，可以讓學生用軟尺和直尺測量比較家鴿前后翼展開的面積；測量比較家鴿與人胸肌與胸骨的不同；用聽診器測量比較人與家鴿的心率（每分鐘心跳次數）；用溫度計測量比較家鴿與人的體溫等。

案例2：在“探究幾種常見食物熱價的差異”的教學中，讓學生親自用天平、家庭電子秤稱出花生、爆米花、油面筋、核桃仁等各0.5 g；讓學生親自用量筒量出水20 mL；讓學生親自用溫度計測一測食物燃燒前后水的溫度變化；讓學生親自算一算不同食物之間熱價的差異；讓學生親自參與實驗材料的準備工作，如紙杯預處理：在紙杯下方剪開一個寬4 cm、高5 cm的開口……這些都是學生感興趣的環節。

案例3：在“骨的特性與骨的成分之間的關系”教學中，教師選擇一段較大的魚肋骨，先讓學生稱一稱其質量，然后再將其浸入盛有質量分數為10%的鹽酸的試管中。待魚肋骨的周圍不再有氣泡產生時，取出魚肋骨并將其表面鹽酸擦拭干凈，然后稱一稱這時的魚骨質量。要求學生算一算骨內有機物和無機物的含量比例。

案例4：在“探究小腸是消化和吸收的主要器官”教學中，要讓學生理解小腸絨毛可以增大小腸的消化和吸收面積，僅僅用百褶裙比直筒裙的面積大小來比喻是不夠的，教師還要讓學生用筆算一算：小腸長約5～6 m，內直徑平均約為3 cm時，如果小腸內壁是平整光滑的管狀，那么表面積不到0.5 m2，而事實上小腸內壁的表面積是200～300 m2，是前者的600倍，相當于一個排球場的占地面積。這樣的教學對建構概念更有意義。

案例5：在“人體內的氣體交換”教學中，理解肺泡與血液間發生氣體交換的原理、血液與組織細胞間發生氣體交換的原理以及交換后血液成分的變化是本節課重點和難點。如果教師在教學中呈現表1和表2，即肺泡處和組織細胞處氧氣與二氧化碳的壓力比較，再結合其他教學手段，將會更有效突破重難點。

3 凸顯“定量實驗”探究設計，提升探究能力

定量實驗在培養學生科學素養，提高思維的邏輯性和深刻性等方面具有重要作用。定量實驗的設計是為了克服偶然誤差。學生因缺乏“量”的概念和意識，常常在設計實驗方案時帶有一定的盲目性和隨意性。教師可以有意識地將定性實驗教學設計轉變為定量實驗的教學設計，即在教學中，教師應當以突出定量實驗的設計思維為主線，遵循對照原則、單一變量原則展開實驗教學設計。

案例6：蘇教版七年級上冊“實驗：植物的呼吸作用”一節中，筆者的指導如下：（1） 學生4人一組，提前1 d，將新鮮的和用沸水處理了2～3 min的同一種蔬菜各100 g分別裝入2個不漏氣的黑色塑料袋中，插入軟管后適當地扎緊袋口，并用止水夾夾緊軟管，裝置不加標記。（2） 實驗時每組隨機取一袋蔬菜，將軟管插入盛有澄清的石灰水的錐形瓶中，移開止水夾，輕輕地擠壓塑料袋，觀察石灰水是否變渾濁。

為進一步發展學生的探究能力，可以將本實驗改為定量的探究性實驗設計如下：（1） 取等量、適量的白蘿卜、土豆、菠菜、花菜、橘子、豆芽等的根、莖、葉、花、果實和種子六大器官作為實驗材料，4人一組，每兩組同用一種實驗材料，并設置對照實驗，一份用新鮮的實驗材料，一份用煮熟過的同種實驗材料。（2） 將黑色塑料袋改為用同樣規格的白色飲料瓶并加蓋密封（引導讓學生分析為什么放入葉子后塑料瓶要用黑色布包裹）。（3） 實驗時，用20 mL規格透明塑料瓶裝入10 mL澄清石灰水。（4） 用2個50 mL規格的注射器分別從裝有同種實驗材料（新鮮的和煮熟的）的2個飲料瓶中抽出40 mL氣體，然后分別注入到兩個裝有10 mL澄清石灰水的瓶中檢驗（探究部分設計如表3所示）。

在本節實際教學中，教師可以先設計出幾種不同的實驗方案然后讓學生分析，對每種實驗方案的可行性、準確性進行判斷。當學生發現設計方案、實驗步驟存在不當時，就會主動地設計出改進的實驗方案。然后，教師再啟發、引導學生將目標變量轉化為可測量的量，最終形成最佳的定量實驗方案，讓學生感受設計量實驗的樂趣。

4 重視定量分析和定性表達結果的結合

科學探究能力不僅僅是指一系列具體的過程技能，更重要的是掌握基于這些技能來收集、解釋以及論證的科學思維方式。英國科學探究能力測評（APU）對科學探究能力的關注更多集中于測評學生的高級思維能力，主要考查學生在完成探究過程后是否能夠獲得充分的證據、能否很好地回答探究問題以及對探究作出評價。因此，合理解釋實驗現象，就要對實驗教學中的數據進行誤差分析，即定量分析。教師選取合適的方式從定性、定量結合的角度闡述實驗結果，是對探究作出評價的重要環節，也是增強學生探究能力的重要階段。

案例7：“探究幾種常見食物熱價的差異”本節教學設計可以緊緊圍繞“探究實驗方案的設計、實驗操作、實驗數據的處理與評價”三個環節進行重難點的突破，實現教學的優化。其中重難點之一是學生能認同在實驗過程要盡量減少熱量的散失，保證實驗數據的準確性。具體的教學策略可以設計為：（1） 實驗裝置的甄別”，教師引導學生建立熱量收集過程中要盡量減少散失的意識。（2） 操作過程中，教師適當提醒。（3） 利用“誤差分析”環節，教師在引導反思和評價蜞 實驗操作的過程中，進一步幫助學生達成這一共識。如在“探究分析與得出結論”環節，教師可以出示以下問題：① 為什么水的溫度會升高？② 哪種食物使水升高的溫度最多？這個結果說明了什么？③ 你所測出的食物熱價符合實際熱價嗎？誤差產生的原因有哪些？教師引導學生多角度反思實驗操作的過程。通過評價探究過程，學生會總結出一些誤差產生的原因，如食物未燃燒充分、中間火熄滅了重新點燃浪費了熱量、動作慢在空中停留時間長等。然后，教師幫助學生積極尋找解決問題的辦法。在定量分析的基礎上，再定性地表達實驗結果，得出科學的實驗結論。定量分析和定性表達的結合讓學生充分認識了科學探究的基本思想、方法和素養，體驗探究實驗的魅力。

中學生科學探究能力的培養是分層次、分階段實施的，科學探究能力的提升也是一個循序漸進的過程。只要教師心中有明確的教學培養目標，尊重學生的興趣和認知心理發展規律，在定性探究實驗的基礎上，重視“定量實驗”過程的思維培養，就一定能使學生的探究能力有進一步提升和發展。