中美高中生物學教材中實驗部分的比較研究
——以“研究光合作用的影響因素”為例

黃雅雯 鄒崢嶸

（江西師范大學生命科學學院 江西南昌 330022）

實驗教學是中學生物學教學的重要組成部分，對學生學科素養的形成有重要意義。隨著我國社會經濟的發展，中學教學條件得到極大改善，教學儀器設備配備越來越完善，為中學生物學實驗課的順利進行提供了良好條件。下面對我國人民教育出版社出版的普通高中生物學課程標準實驗教科書《必修1·分子與細胞》（以下簡稱“人教版”）和浙江教育出版社編譯出版的美國高中生物學教材《biology：The Dynamics of Life》中冊（以下簡稱“美國教材”）基礎，從實驗導入、實驗過程、實驗旁欄和實驗討論等方面入手，比較中、美高中生物教材中“光與光合作用”一節中實驗部分的異同點和優缺點，為我國中學生物學實驗教學提供借鑒，有效提高中學生物學實驗教學的質量。

1“研究光合作用的影響因素”這一實驗在教材中的地位

此實驗在國內外教材中都具有承前啟后的作用，是學生學習呼吸作用和生態系統結構的基礎。人教版中設置了兩個探究實驗：“綠葉中色素的提取和分離”以及“環境因素對光合作用的影響”，以實驗為載體與相關的科學史緊密銜接，闡明科學家的科學過程和思維方法。美國教材則設置“分離色素”和“用同位素來研究光合作用”兩個精簡的實驗來銜接本節內容，在章節末尾以網絡生物實驗“研究光合作用的影響因素”總結本節重難點。

2 中美生物學教材中關于光合作用實驗的對比

2.1“實驗導入”部分的比較

從中美兩國教材實驗的導入來看，美國教材中實驗前先給出問題：不同波長的光如何影響植物光合作用的速率？再給出目標：“在本次實驗中，你將觀察水生植物的光合作用；測定光合作用的速率；研究不同顏色的光的波長；觀察不同波長的光如何影響光合作用的速率，通過互聯網收集其他學生的數據，并進行比較。”美國教材最主要是讓學生制作數據表，并與其他學生進行對比，通過利用現代網絡技術，讓學生進行科學探究，擴大學生的知識面。而人教版中該實驗屬于自主探究式，實驗前給出提示和參考案例：“農業生產上有許多提高農作物光合作用強度的措施，選擇其中一種因素，通過實驗探究它對光合作用的影響”。這樣從而讓學生了解基本的實驗原理和操作，促使學生通過獨立動手操作得出結論。這兩種導入都有助于學生深化對教材知識的領悟。

2.2 實驗類型的比較

中美教材對于“研究影響光合作用的因素”的實驗設計最主要的不同點在于探究方式的差異。美國教材中這一實驗屬于網絡生物實驗，學生根據實驗導入提出的問題，按步驟做實驗，隨后通過訪問網頁（bdol.glencoe.com/internet-lab）上傳數據并與同學分享數據，最后對網站上其他學生的數據進行綜合分析，對比完善自己的圖表。而人教版教材中，該實驗為自主探究類型。教材先給出一個參考案例——探究光照強弱對光合作用強度的影響，讓學生自己提出假設，再設計實驗驗證假設，通過數據收集、小組討論，得出結論。對比兩國教材實驗類型，不難發現二者各有優點；美國教材讓學生有獨立思考的余地，人教版讓學生了解如何通過實驗來驗證自己的假設，且兩者都注重對實驗的探究。

2.3 實驗器材部分的比較

人教版教材中提出的實驗器材：打孔器、注射器、40 W臺燈、燒杯、綠葉（如菠菜葉）。美國教材中提出的實驗器材：1 000 mL燒杯、三株伊樂藻、帶反射鏡的150 W的臺燈、繩子、質量分數為0.25%的NaHCO3溶液、墊圈、帶秒針的手表、不同顏色的彩色玻璃紙。

比較中美教材，可以發現共同之處：材料經濟且簡單易取，都選用了節能且安全的臺燈。值得借鑒的是，美國教材選擇了易于實驗室配置的質量分數為0.25%的NaHCO3溶液，體現了不同學科的相互滲透，有助于培養學生全方位的科學思考能力和發散思維能力。

2.4 實驗過程部分的比較

人教版教材中所示的實驗步驟：

（1）取生長旺盛的綠葉，用直徑1 cm的打孔器打出小圓形葉片30片。（2）將小圓形葉片置于注射器內，并讓注射器吸入清水，待排除注射器內殘留的空氣后，用手堵住注射器前端的小孔并緩緩拉動活塞，使小圓形葉片內的氣體逸出。這一步驟可以重復幾次。（3）將內部氣體逸出的小圓形葉片，放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用。（4）取3只小燒杯，分別倒入20 mL富含CO2的清水。（5）分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片，然后分別對這3個實驗裝置進行強、中、弱三種光照（3盞40 W臺燈分別向3個實驗裝置照射，光照強弱可通過調節臺燈與實驗裝置間的距離來決定）。（6）觀察并記錄同一時間段內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量。

美國教材中所示的實驗步驟：

（1）安裝實驗裝置。（2）制作數據表來測量結果。每種顏色一欄，另留一欄作對照。（3）把伊樂藻放入燒杯，完全浸沒在水中、加入小蘇打溶液，它能為水生植物提供CO2。（4）直接把臺燈（不用玻璃紙遮光）照射在植物上作為對照，觀察何時能看到氣泡。（5）觀察并記錄5 min內伊樂藻產生的氧氣氣泡數量。（6）用一種顏色的玻璃紙遮住燈泡，然后重復步驟（4）和（5）。（7）再用另一種顏色的玻璃紙遮住燈泡，重復步驟（4）和（5）。（8）訪問網頁：bdol.glencoe.com/internetlab。（9）清潔與整理：把植物放入缸中，避免干枯。

對比人教版實驗步驟（5）與美國教材步驟（4）～（7），可以看出人教版教材側重于定性的分析，定量分析較為簡單，相對籠統地使用“強、中、弱來描述光照的強度，通過改變臺燈和葉片間的距離來控制自變量，忽略了在移動臺燈時，臺燈距離改變導致的溫度改變對光合作用產生的影響。美國教材主要用不同顏色玻璃紙遮擋燈泡，產生的波長來定量地控制實驗因素，巧妙地把物理學的知識和方法作為生物學的技術基礎，但和學生的生活聯系不如人教版教材。

2.5 實驗旁欄部分的比較

美國教材的實驗旁欄部分涉及研究背景、數據分享和兩幅彩色實驗插圖。研究背景：“O2是光合作用的產物之一。因為O2微溶于水，伊樂藻等水生植物進行光合作用時會釋放出可見的O2氣泡。你可以通過測定氣泡形成的速度來判斷光合作用的速度。”這一部分與人教版實驗前介紹相似，都可以幫助學生理解實驗原理，為學生動手操作提供鋪墊。在實驗步驟旁欄部分，插入兩幅彩色的實驗操作與結果插圖，以這些精致的伊樂藻圖片代替文字說明，幫助學生更準確地認識生物的真實形態，使抽象復雜的知識更直觀化。實驗結束時，在旁欄部分給出網站鏈接，要求學生公布自己測得的數據，并根據其他學生的數據進行綜合分析，充分體現出網絡生物實驗的高效性，解決了實驗室的空間限制，同時培養學生獨立思考的能力。經分析可以發現，在具體實驗過程中，人教版實驗可以借鑒美國教材實驗旁欄部分，通過增加插圖的數量、提高插圖的質量來有效地輔助實驗進行。

2.6 實驗討論部分的比較

在中美教材實驗結尾都設置了相應的分析與討論。美國教材通過4個問題來引出所要分析的數據，與實驗導入提出的問題相互呼應，幫助學生高效地記憶影響光合作用的關鍵內容，且特意加紅列出誤差分析一項：為什么每次實驗使用相同量的NaHCO3溶液？學生在思考的同時，也能培養嚴謹的科學態度。人教版注重培養學生的團隊合作，將數據分析融入在實驗過程中，沒有單獨列出，但在實驗結尾要求開展小組討論。

綜上，我國教材實驗設計更趨于生活化，原料和題材都來源于生活，但局限于實驗室中的封閉式實驗教學，學生的主體性得不到較好的發揮。當然高中學習任務繁重，上實驗課時間有限，使得開放性實驗較少。美國教材實驗重視培養學生實驗設計與分析能力，擅于將學科之間的知識相互融合，讓學生充分發揮獨立思考的能力。通過比較兩國教材，可以相互學習和借鑒，共同進步，以便在之后的生物學教材編寫以及實驗教學中設計出更為符合培養學生生物學學科核心素養要求的實驗。