生物學定量實驗的要素分析

李能國

摘 要 敘述了生物學定量實驗是培養學生理性思維、科學精神的重要途徑，對定量實驗的結構進行分析，從而為定量實驗教學的有效性和評價的針對性提供基礎。

關鍵詞 定量實驗 結構分析 實驗教學

中圖分類號 Q-31 文獻標志碼 B

開展定量實驗是培養學生理性思維、科學精神的重要途徑之一。在《普通高中生物課程標準》和《義務教育生物學課程標準（2011版）》的教學建議中，對定量實驗要求的描述是：“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。教師應給學生提供機會學習生物學研究中的測量方法，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。”兩個不同學段的課程標準，對定量實驗的要求描述完全相同，都缺少相應的質量標準或水平層次描述，從而使定量實驗的教學陷入一種模糊狀態，不利于教學目標的制定和實驗教學的評價。教師對生物學定量實驗的認識和要求，常常來自考試說明和高考試題，以應試為導向的定量實驗教學，必然影響定量實驗的教育價值。

對生物學定量實驗的結構進行分析，發現其由測量方法、記錄數據、數據分析和定量表述4個要素組成見（表1）。把握定量實驗要素的內涵，是提升定量實驗教學有效性的基礎和保障。

1 測量方法

生物學定量實驗的測量方法可以分為實驗法、模型法和調查法三種類型。開展定量實驗，讓學生學習和掌握多種生物學研究中的測量方法。

實驗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條件，使自然過程純化、典型化，從而認識客觀世界的方法。如“探究幾種食物熱價的差異”中使用天平、量筒、溫度計等儀器。實驗法通過控制自變量，限制無關變量，從而使復雜的現象變得簡單，使研究從現象觀察深入到本質探討，而且其他研究者能夠進行重復實驗加以驗證。

模型法是對客觀對象進行觀察，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的模型，通過對模型的研究來揭示客觀對象的特征和本質的方法。定量實驗的模型法主要適合在高中階段開展，如“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”“用數學方法討論基因頻率的變化”“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變化”等。用模型來代替被研究對象，簡化和理想化地再現原型與研究目的有關的各種基本因素和聯系，略去非本質的細節，能夠使研究者充分發揮想象、抽象和推理能力，是一種有效的研究方法。

調查法是通過抽樣的基本步驟，采用問卷、訪談、樣方等方法了解調查對象的有關信息，加以統計分析的研究，如“調查班級學生的近視率”“調查常見的人類遺傳病”“用樣方法調查草地中某種雙子葉植物的種群密度”等。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。開展調查研究類的定量實驗，要隨機取樣，盡量多地收集數據，然后對數據進行統計分析，尋找數據背后隱藏的規律。

2 記錄數據

選擇適宜的測量方法，設計嚴謹的實驗方案，正確操作，仔細觀察，便可以獲得大量的實驗數據。數據是定量實驗的產物，也是進行統計分析的基礎。一般來說，原始數據不允許用鉛筆記錄；在記錄發生錯誤時，修改部分要保持錯誤數據可見；原始數據必須附在實驗報告中。記錄數據需要設計記錄表格、注明計量單位和確定有效數字。

設計記錄表格，一方面有利于數據的全面采集和填寫，另一方面使各種數據一目了然，便于進行定量分析，發現規律。記錄表格通常包括標題、表頭、列標、行標、數據格5個部分，如果列標表示實驗組別或實驗自變量，則行標表示對每個實驗組測量的次數、同一實驗組內不同個體、測量時間等信息，并在最后加入“總和”或“平均值”。根據實驗的具體情況，行標與列標表示的內容可以互換，從而保證表格的布局合理。

計量單位是指為定量表示同種量的大小而定義和采用的特定量，要賦予計量單位以約定的名稱和符號，如毫克（mg）、分鐘（min）、體積摩爾濃度（mol/L）等。在記錄數據時，一定要在記錄表格中明確計量單位，特別是一些容易混淆的單位，如質量百分濃度、體積百分濃度、質量體積濃度、體積摩爾濃度等。

有效數字是指在分析工作中實際能夠測量到的數字，由可靠數字加上有誤差的一位數字組成。有效數字的位數表示了測量所能達到的程度，這也與所用的測量工具有關，當測量儀器和被測量選定后，測量值的有效數字位數就己經確定。如在“探究幾種常見食物熱價的差異”的實驗中，使用的溫度計最小刻度是1℃，有效數字只能到小數點后一位。

3 數據分析

數據分析是將收集的數據進行整理、加工和分析，使其轉化為信息的過程。中學生物學定量實驗的數據分析包括數據的可靠性分析、簡單的數據處理和一般的數據分析。

數據可靠性的判斷主要集中在數據獲得方法的科學性以及數據的有效性上。首先要對幾次的平行實驗數據進行篩選，若有明顯偏移的數據，應反思獲得數據的方法是否符合基本的原理、是否嚴密、出現誤差的可能原因是否為不規范操作等。如果測量方法科學，所用儀器的精度確定，有效數字不符合規范的數據也是不可靠的。

簡單的數據處理主要集中在計算和數據的取舍上。一般定量實驗都要平行進行若干次，取平均值作為最終的計算結果，有明顯偏移的數據在計算時應當舍棄，否則會使最終的結果產生較大的偏差。在“用樣方法調查種群密度”“探究培養液中酵母菌種群數量變化”的實驗中，首先要計數樣方或血球計數板小方格內部的個體，對于處在界線上的個體，只計數相鄰兩條界線及其頂點上的，不能將邊界上的個體全部計入或者不計。由于生物學的特殊性，一些計算結果可保留小數，如“探究酸雨對種子萌發的影響”實驗，不同pH溶液處理后種子的發芽率以百分比的形式表示，可以保留小數點后1～2位數。有些結果不宜保留小數，如種群密度的調查結果一般取整數。

數據分析是運用生物學基礎知識、原理解讀實驗數據所表達的信息，通過推理和歸納得出科學可靠的結論的過程。如在“探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度”實驗中，設計一組NAA濃度梯度溶液進行實驗，以生根的數目或總長度為觀測指標，每5 d采集一次實驗數據，根據實驗獲得的數據繪制曲線圖，可以發現生長素的作用表現出兩重性，最適濃度介于某兩種濃度之間，卻不能直接找到最適濃度。可以根據曲線變化趨勢作出推測，也可以不斷縮小濃度梯度進行實驗，使實驗結論更精確。

4 定量表述

定量表述實驗結果是指運用圖表、數學模型等描述生物學實驗的結果。定量表述將實驗過程與結果進行抽象，從而揭示相關變量之間的關系和規律，避免冗長的文字描述，便于分析、表達和交流。

運用圖表定量表述最常見的是坐標曲線，將這兩個變量分別用橫、縱坐標軸代替，放在一個平面直角坐標系內，根據它們之間量的變化情況繪制曲線。通過分析曲線的變化規律，揭示生物體結構功能、生理代謝、生物與環境的相互作用的關系等方面的本質特性，如“探究酒精對水蚤心率的影響”“探究影響光合作用速率的環境因素”“探究植物生長調節劑對扦插枝條生根的作用”“探究培養液中酵母種群數量動態變化”等。

數學建模就是把現實世界中的實際問題加以提煉，抽象為數學模型，求出模型的解，驗證模型合理性，并運用該數學模型來解釋現實問題，如“模擬植物或動物性狀分離的雜交實驗”“用數學方法討論基因頻率的變化”等。建立數學模型可以排除環境因素、人為操作等無關變量的干擾，尋找出相關變量之間的本質關系。

定性實驗能夠發現研究對象是否具有某種性質或某種關系，只作定性描述而缺乏定量研究，不能使科學發現具有普遍意義。雖然初中與高中兩個學段對定量實驗的要求表述相同，但在初中階段，生物學實驗注重讓學生體驗科學探究的一般過程，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，現象明顯，隨著學生思維能力的提升，在高中生物課程標準中，大量增加了定量實驗。明確定量實驗的結構要素，才能整體規劃設計定量實驗的教學目標，關注學生能力形成過程，關注過程性評價，從而培養學生獨立運用科學的思維和方法去分析問題、解決問題的能力，培養學生嚴謹、敢于質疑、堅持不懈的科學精神。

參考文獻：

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