高中学生生物实验设计能力的结构特征及培养，本文主要内容关键词为：高中学生论文,特征论文,能力论文,结构论文,生物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生物学是一门实验科学，生物学重要的科学研究方法是实验法。2004年普通高中生物新课程标准明确要求，学生要“初步学会生物科学探究的一般方法，具有较强的生物学实验的基本操作技能，养成科学态度和科学精神，树立创新意识”（注：《普通高中生物课程标准》.人民教育出版社，2004）。由此可见，生物实验能力是新课程标准要求学生必备的能力，而生物实验设计能力则是实验能力的较高层级。学生生物实验设计能力的培养和提高，不仅是学生获取和巩固生物学知识的重要基础，而且有助于激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力，提高学生的科学素养。
一、高中生物实验设计能力的结构特征
所谓生物实验设计，就是学生在具备一定生物学知识和实验技能的基础上，明确实验目标要求和实验设计原理，选用实验器材，确定实验思路，安排实验步骤，并对实验结果进行预测、分析和讨论等一系列设计实验方案的活动。
生物实验设计能力，主要体现在学生能否正确理解实验原理并在不同情境下灵活迁移，运用生物学知识和实验技能，设计出实验新方案的能力。生物实验设计能力要在长期的实验设计训练中逐步形成。
生物实验设计的能力结构包括实验知识技能、科学方法态度、观察力、想象力、分析能力、综合能力、类比判断能力、探究能力和创新能力，其中实验技能与思维品质是核心。生物实验设计的能力结构表现出较强的综合性、创造性和灵活性特征。
综合性特征是指，进行生物实验设计不仅要以一定的生物学知识和实验技能为基础，而且还要综合运用观察、想象、思维、探究创新等方面的方法与技巧，是多种知识、方法和技能的综合运用，具有较强的综合性。
创造性特征是指，无论是概念形成性实验、验证理论性实验，还是探索性实验，在实验设计中，都不能墨守陈规，要根据具体的实验情景、条件，构思、设计出新颖而巧妙的达成实验目标的途径和方法。做到既科学、合理、易行，又富有创意。
灵活性特征是指，面对具体的实验目标和要求，能借助实验方法和实验条件，多角度发散思维，创设新情境，设计出多样化的方案。不同的实验条件，可有不同的设计；实验条件相同，也能有相异的设计。
二、高中学生生物实验设计能力的培养
21世纪生物实验在科学发展中将愈加凸显出光彩和魅力。因此，高中生物实验教学要与时俱进，贯彻以学生主动参与和自主探究为主的启发式、讨论式和探究式教学，以适应培养学生实验设计能力的需要。
（一）培养生物实验设计能力的意义
1.培养生物实验设计能力是生命科学的深情呼唤
与其他自然科学相比，唯独“在生命科学中人是研究的主体又是客体”[1]。数千年来，人类逐步由对外界的认识发展到对自身的认识，如DNA分子结构和功能的揭示、体细胞克隆哺乳动物技术的突破、人类基因组计划的实施、干细胞研究的进展、脑科学的深入发展等。这些成果，无疑都是在生物科学工作者的无数次实验设计和尝试中诞生的，它们昭示着未来科学的发展方向。培养中学生的生物实验设计能力，是生命科学的深情呼唤。
2.培养生物实验设计能力是时代发展的迫切要求
51年前，23岁的沃森和35岁的克里克通力合作，一举阐明了DNA分子结构，开创了分子生物学时代。据统计，20世纪90年代，美国博士学位获得者中从事生命科学研究的占51%；2000年世界50强企业中有13家是制药企业；美国《2002年职业排名年鉴》中，生物学家平均年薪是9.2万美元，高居榜首，而总统只排在175位。[2]我国各省市佼佼学子竞相报考北大、清华、复旦等大学的生命科学专业；老中青生命科学家联手攻关，取得闻名世界的累累硕果。生命科学这一实验性极强，同时又兼具基础性、应用性于一体的科学领域，正日益占据世界科技发展的龙头地位，成为21世纪的先导科学领域。培养中学生的生物实验设计能力，直接关乎全人类的健康、人类与自然的和谐发展，是时代发展的迫切要求。
3.培养生物实验设计能力是学生科学素质的养成所需
生物科学素养是公民科学素养构成中重要的组成部分。培养学生的生物实验设计能力，是进一步提高学生的生物科学素养，尤其是发展学生的科学探究能力，帮助学生认识生物科学价值所必需的。在教学中要引领学生理解生物科学、技术和社会的相互关系，乐于学习生物科学，养成质疑、求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。这对发展学生的科学素养与人文精神、创新态度与实践能力、国际视野与民族情结，乃至对国家的兴盛、社会的进步、个人的终身发展都具有重要意义。
（二）培养学生生物实验设计能力的教学模式
“教学模式”是沟通教育理论与教学实践的“桥梁”，它可以通过构建动态的、生长性的“生态环境”来促进教师、学生、内容和环境等因素的持续互动。一些长期使用的教学方法，通过概括、抽象便能逐步演变形成教学模式，好的教学模式有助于提高教学效益。在培养学生生物实验设计能力方面，以下几种教学模式简便易行、效果明显：
1.验证型实验教学模式：观察—实验—问题—讨论
该模式的特点是：以重新设计实验为中心，进行问题讨论。优点是：有利于丰富感知、提高设计兴趣、启迪思维、增强探索精神、培养观察能力、掌握实验技能、学会科学方法。教科书中的“质壁分离与质壁分离复原”等大多数验证性实验可采用该模式。
2.探究型实验教学模式
培根是探究学习理论的先驱和积极倡导者之一。该模式的特点是：学生以“小科学家”的角色亲历科学探索的全过程。优点是：有利于提高学生的认知水平、综合能力、自主参与意识和创新意识，增强面对挫折、积极进取的意志品格，培养交往能力、合作精神和一丝不苟的科学态度。如“孟德尔遗传定律探究”等实验可采用该模式（见图1）。
图1 探究型实验教学模式示意图
3.发现型实验教学模式：提出目标—提供材料—设计方案—独立探究—交流点拨
布鲁纳是发现学习的积极倡导者。该模式的特点是：教师有目的有计划地给学生创造一个有一定层次的情境，通过发现因素的诱发来促进学生智力潜能的开发。优点是：学生“真正”体验发现和探究的心理历程，师生互动，融知识、技能和能力成长为一体，学习兴趣和智力同步发展。如“植物生长素的发现”等实验可采用该模式。
4.文化背景型实验教学模式：背景—思想—阅读—实验—归结
该模式的特点是：以科学文化为主，富有“历史感”地学习科学知识。优点是：新颖、有特色，有助于学生科学思维、科学方法、科学精神的培养和科学态度的养成。类似于“DNA结构的发现”等实验可采用该模式。
（三）培养学生生物实验设计能力的教学策略
教学策略是对完成特定教学目标而采取的教学活动程序、方法、形式和媒体等因素的总体考虑。[3]在生物实验设计能力的培养中，教学策略起着核心作用。雷杰卢斯认为教学策略实际上包括3类策略：组织策略、授递策略和管理策略。[4]在培养学生的生物实验设计能力时，就应把课程组织、原理选用、方法与步骤安排、媒体技术使用、思维训练等因素总体考虑在教学内容的组织、教学任务的安排和教学交互活动的设计中，优化生物实验设计能力培养教与学的全过程，全面提高教学效益。
1.整合“三课”，发挥课程资源优势
新的普通高中生物课程标准把高中生物课程分为必修课和选修课两部分6模块。必修部分包括“分子与细胞”“遗传与进化”“稳态与环境”3个模块；选修部分包括“生物技术实践”“生物科学与社会”和“现代生物科技专题”3个模块。必修部分紧扣基础，选修部分旁及时代、社会，既强本固基，又注重发展。新课程标准还建议要充分利用学校、社区、家庭、网络等活动课程资源。在培养学生生物实验设计能力时，教师既要充分利用好必修、选修等学科课程资源，又要以学科课程为基础，充分挖掘与学科课程有关的活动课程资源，使“三课”资源互补、渗透、重组、综合，显性课程与隐性课程同步开发，为学生进行实验设计创设问题情景、创造实验条件、启迪问题思路、提供实验材料，为生物系列实验专题的设计提供优化的资源平台。
2.利用实验设计类型的多样性，培养实验设计的良好思维品质
思维品质培养是实验设计能力结构形成的核心，多样性的实验设计类型，可以培养多方面的思维品质。(1)控制性实验设计可培养学生思维的严密性。设计“光对植物生长的影响”实验，通过控制无关变量（植物种类、温度、湿度等）可得出因变量（植物生长）与自变量（光）的必然联系。(2)矛盾性实验设计可培养学生思维的批判性。设计“PH值对酶特性影响”实验，教师可有意识提出“PH值对胃蛋白酶的影响”这一矛盾性实验设计，引起学生反思。(3)联系性实验设计可培养学生思维的灵活性。设计“植物向光性”实验，可有5种思考角度。(4)延伸性实验设计可培养学生思维的深刻性。巴甫洛夫条件反射实验中“反复多次”响铃这一设计的深刻价值在于，可使学生透过表象深入本质。
3.强化实验设计基本步骤训练，形成实验设计的基本思路
正确的思路和规范的设计训练，是实验设计取得预期成效的基本保证。教师如果在乎时教学中，比如像“验证钙离子在血液凝固中的作用”等实验教学，能够有意识指导学生反复进行规范性的设计步骤训练，便可在学生头脑中牢固形成实验设计的基本思路：明确目的要求→联系理论原理→确定实验思路→设计实验步骤→预期实验结果、分析和讨论。这里需要明确的是：实验设计步骤只要科学、合理、可行，都应给予认可，允许有一定的开放度。
4.重视实验设计原则的应用，提高实验方案设计的科学性
不同的实验条件，依据不同的实验设计原则，有不同的实验设计思路和方法。常用原则有：(1)对照性原则。要求实验设计要排除无关条件的干扰，显示“变量—结论”之间的必然联系。比如经典实验“燕麦胚芽鞘实验”，如果不要对照组，思维就不够严密，就不能得到预期的结论。(2)单因子变量原则。要求实验设计通过控制无关变量，只改变一个自变量，观察对实验结果的影响。比如观察温度对酶活性的影响，只改变温度条件，其他如pH值、酶的浓度等无关变量控制不变。(3)平行重复原则。要求任何实验设计都能够在同样条件下重复验证，以保证其科学性。(4)简便可行原则。中学实验毕竟条件有限，实验设计要注意材料易得、药品便宜、操作简便、步骤少、时间短、可操作性强。
5.传授实验设计的方法技巧，拓宽实验设计的训练思路
注重方法技巧的传授，有助于快速提高实验设计能力。而技巧的关键是要弄清实验的起始状态（包括隐含条件）和目标状态，并努力寻求沟通二者之间的“桥梁”。有效的沟通方法有：(1)试误法。针对实验目标，充分发散思维，尝试多种方案，寻求最佳方案。比如验证“
是光合作用合成有机物必需的原料”实验设计。(2)填补法。通过填补实验起始与目标状态之间的差距来完成实验设计。比如前述“钙离子在血液凝固过程中所起作用”实验设计。(3)类比法。利用已有实验知识和技能，设计出有类比关系的实验。比如与酶有关的实验设计，均可参照教材上“验证唾液淀粉酶的实验”来类比设计。
拓宽实验设计的训练思路，实现实验设计训练的多样化，对学生实验设计能力的培养十分有益。(1)运用生物学史，使学生认识到重大生物科学发现都依赖于科学家富有创意的实验设计，从而牢固树立锐意创新的设计理念。(2)对教材经典实验重新设计，通过变换个别实验条件，尝试成功，使学生树立勇于设计的信心。比如“光合作用实验”。(3)教师提出实验课题和实验原理，由学生独立进行实验材料准备和步骤安排，培养学生独立设计实验操作方案的技能。比如“设计制作小生态瓶实验”。(4)教师给出实验情景及目的、条件，让学生设计实验方案。比如“植物向光性实验”。(5)可利用教材中的课外、家庭实验和研究性课题等进行实验设计。比如“废旧电池对动植物生长的影响”“家庭酸牛奶的制作”等实验。(6)通过改进实验设计，寻求最佳实验方案，培养学生的科学素质和创新精神。比如“测定洋葱表皮细胞等渗浓度的实验”。(7)利用实物投影、多媒体等现代教育技术，进行实验设计的示范教学、辅助教学、微格教学和模拟实验。(8)交流点拨，总结设计基本思路，取长补短，启迪思维，使学生的设计能力从本质上得到提升。(9)注重实验设计的过程性评价和终结评价，对成绩及时肯定和鼓励，使学生感到成功的喜悦；同时分析漏洞和易忽略的地方，使学生吃一堑长一智，增强探索发现、攻关夺隘的勇气和信念。