生物教学中构建学生科学探究能力的策略，本文主要内容关键词为：策略论文,能力论文,生物论文,科学论文,学生论文，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。
发展学生的科学探究能力是高中生物三维课程目标之一。何谓科学探究呢？现代教育科学中使用的“科学探究”一词往往具有两个层面上的含义：一是科学探究活动，二是科学探究技能。探究技能是对学生能力方面的要求，是完成科学探究活动的基础与保证。一个有科学素养的探究者，必然要具有以下探究能力：根据现象和事实提出问题的能力；根据问题和条件，提出解决问题的假设的能力；根据假设和条件，设计验证方法的能力；观察与分析能力；收集与处理信息能力；概括结论的能力；以及与伙伴合作和交流的能力。在生物课标中把探究能力具体细分为10条：(1)客观地观察和描述生物现象；(2)通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题；(3)分析问题，阐明与研究该问题相关的知识；(4)确认变量，做出假设和预期；(5)设计可行的实验方案；(6)实施实验方案，收集证据；(7)利用数学方法处理、解释数据；(8)根据证据做出合理判断；(9)用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点；(10)听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及做必要的反思和修改。那么，如何构建学生的科学探究能力呢？实验设计是使学生领悟到科学探究的一般方法的有效载体。科学探究的一般过程如图1所示：
图1
下面围绕科学探究的一般过程，逐一对提出假设、设计实验方案、预期实验结果、得出结果和结论、评价实验方案等进行具体分析。
1 提出假设
假设是通向科学理论的必要环节，是根据已有的知识和生活经验，为解答问题而提出的尝试性回答。假设的提出不是凭空猜想，必须以已经发现的事实材料和已知的科学原理为依据，所以假设具有预见性，能对实验结果进行预期。由于每个人所拥有的知识、占有的事实以及对问题的认识程度不同，不同的人对同一问题所做出的假设就可能不同，因此假设又具有多样性。但对于某一个体而言，他对所要探究的问题做出假设应该具有单一性。假设在表述上也有倾向性，通常采用一个简单的肯定或否定的陈述句来表达。值得注意的是，要避免“……对……有影响”这样的表述，因为不明确是促进作用还是抑制作用。假设必须经过科学实践的检验才能发展为理论，假设应该是可以通过科学探究来检验的。实际上，所检验的常常不是假设本身而是假设的推论，即从该假设推导出来的描述个别现象或事件的推论（预期）。
2 设计实验方案
设计实验方案是目前反映出来问题最多的地方，表现在没有充分发掘题目中的信息，在设计的方案中缺乏实验变量思想，无法把握实验原则，对实验步骤的严谨性和合理性把握不够，从而导致步骤不全，有的甚至既无可操作性，又违背科学性。
为了能根据实验目的设计出合理的实验方案，首先要明确实验设计的原则和弄清3种变量。
2.1 明确实验设计的原则
合理的设计方案首先要有科学依据和严谨的逻辑性，其次要考虑可操作性和简便性，最后还必须遵循几个基本的实验设计原则，尤其是对照原则和单一变量原则。
2.1.1 科学性原则。所谓科学性原则是指实验的原理要符合科学，实验结果的预期要有科学依据，实验的各个环节都不能偏离生物学的基本知识、基本原理以及与之有关的其他学科的基本原理。科学性原则首先必须保证实验设计不出现科学性错误；其次实验设计要具有科学思想和科学方法。具体体现在：实验原理的科学性，选择恰当的实验材料进行实验，有科学严谨的实验方法以及科学、合理地处理实验结果。
2.1.2 对照原则。对照原则是实验设计中最常用的原则，对照实验是运用比较的方法来揭示事物的性质和变化规律的一种实验方法。具体做法是把实验分成两个或两个以上的组进行，其中一个（或几个）是对照组，作为比较的标准，另一个（或几个）是实验组（即条件控制组）。通过设置对照实验，可以排除无关变量的干扰，增加实验结论的可信度和说服力。实验设计中可采用的对照方法很多，如空白对照、自身对照、相互对照、条件对照等等。
2.1.3，单一变量原则。实验时把对照组与实验组的结果（即因变量）进行比较，从而确定实验条件对事物性质和变化的影响。由此可知，对照实验就是进行单因子变量的比较；要进行单因子比较，就必须设法控制其他可能有影响的诸多因素（即无关变量），尽量使这些因素控制在相同且适宜的条件下，这是对照实验的基本要求，也是对照实验过程中自始至终要遵循的重要原则。
2.1.4 平行重复原则。因为实验的结果会受到实验材料差异和人为因素的影响，为避免实验结果的偶然性，使得出的结论准确、可靠、科学，因此在设计时就要考虑设置平行重复实验。
2.1.5 简便性原则。我们常说“条条大路通罗马”，为证明某一结论往往可以设计出多种实验方案，在选择方案中应贯彻简便性原则，即在取得相同或相近效果的前提下，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作过程比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短等等。如在基因分离定律发现中，为验证F[,1]形成两种比例相同的配子，孟德尔选择测交实验进行证实就是成功的一例。
2.2 认识变量
2.2.1 自变量（实验变量）。自变量是指实验中所要研究的变量，是可以人为改变的实验条件，该条件的变化将引起实验结果的相应改变。根据实验目的和假设找出并控制好自变量是实验成功的关键因素，自变量的确定一般是根据题目中的实验目的来获取。
2.2.2 因变量（反应变量）。因变量是自变量所引起的变化和结果。通常自变量是原因，因变量是结果，二者具有因果关系。因变量需要根据实验原理、实验要求或题干中的提示，结合实验条件分清是定性实验还是定量实验，从而确定观察或测量的指标及其方法。
2.2.3 无关变量。确定了自变量和因变量后，对实验结果有影响的其他因素称之为无关变量。实验中的无关变量很多，会较大地影响结论的准确性，只有加强对无关变量的控制，才能尽可能地减少其对因变量的影响，使所得实验结果可靠、结论可信。控制无关变量一般有以下3条途径：(1)恒定法；(2)平衡或抵消法；(3)消除法。
自变量、无关变量与因变量之间的关系可用图2来表示：
图2
2.3 设计实验步骤的建模
2.3.1 选择材料，分组编号。题干中给出的材料用具是分析方法步骤的主要依据，一定要认真分析，能否直接使用？不能直接使用的需要怎样处理才能把干扰因素排除？例如，在做“验证光合作用有无淀粉生成”实验时，首先需要对材料进行暗处理。依据实验所需的组数对选定的材料进行随机分组编号，在步骤中明确表述出来。
2.3.2 操纵自变量，设置对照组。根据实验目的，操纵自变量，再依据自变量，确定所需要的实验组数，设置对照组，对材料施以不同的处理。
2.3.3 控制无关变量。依据单因子变量原则，控制无关变量。如选材上要生长状况一致，进行随机分组以排除因实验对象的个体差异所带来的影响。设法提供相同且适宜的其他条件，以排除其对实验结果的影响。
2.3.4 确定并描述因变量的观测及结果。在步骤的最后，需要明确告知本实验需要观察或测量的因变量内容。
3 预期实验结果
预期结果是在实验方案实施之前，对实验结果的基本预测。预期结果是以假设为依据，进行演绎推理后得出的一些具体的推论。一种假设之下只有一种预期的结果，如在“探究光的有无对某种种子萌发的影响”实验中，假设与预期结果的对应关系见表1：
假设
预期结果
光对该种子萌发无 有光组和无光组种子的发芽率差
影响 别不大
光对该种子萌发有 有光组和无光组种子的发芽率差别
促进作用 很大，有光组发芽率明显高于无光组
光对该种子萌发有 有光组和无光组种子的发芽率差别
抑制作用 很大，无光组发芽率明显高于有光组
预期结果的目的是为了与实验的真实结果进行比较，以确定假设是否得到支持。如果观察到的事实与预期的结果相符合，则证实假设是正确的；如果不相符，则要对假设做出修改和补充。
而预期实验可能的结果，有探究性实验和验证性实验之分。预期验证性实验的可能结果，其实质是验证所给结论是正确的，根据结果与结论的一一对应关系，结果是“预料之中”的，必须是预期结果与已有结论之间相呼应。说白了，只能预期一种与结论相呼应的结果。而预期探究性实验的可能结果，一定要注意结果和结论的多样性，理由是题中并没有给出具体的假设，是由于假设上的多样性导致预期结果的多样性。当实验方案只有一个实验组和一个空白组时，结果分为正相关、负相关和无影响3种；当实验方案有一个实验组、一个空白组和一个条件对照组时，对正相关（或负相关）还需做进一步的分解作答，最多有5种可能。例如，已知细胞分裂素对叶片有延缓衰老的作用，探究生长素是否对叶片也有延缓衰老的作用的实验中，有5种可能的实验结果（图3）。
图3
说明：空白圈代表空白对照组的结果，黑圈代表条件对照的实验结果
4 分析实验结果，得出实验结论
实验结果是实验过程中观察到的现象或收集到的数据；实验结论是通过对实验结果的分析、比较、抽象概括而得出的定性表述，是对以后的实践活动具有指导作用的“规律性”认识。
从一个结果推出一种结论，需要进行推理和想象。表述出来的实验结论要科学、准确。结论的科学指实验现象与结论之间有因果关系，符合逻辑。结论的准确是指应该用科学语言去表述，而不是用一般的大白话来表述。结论与结果是一一对应的，得出的结论又是与实验目的（或假设）相呼应的。
例1 为了探究酵母菌的细胞呼吸类型，请根据所给材料和用具设计实验。
(1)实验目的：探究酵母菌的细胞呼吸类型。
(2)实验原理：＿＿。
(3)实验材料和用具：酵母菌培养液，带橡皮塞的广口瓶，100mL烧杯4个，两根弯曲的带红色液滴的刻度玻璃管，NaOH溶液，清水，凡士林。
(4)实验方案：将实验材料和用具按图4所示装配好实验装置。如果想得到实验结论还必须同时设计另一个实验，请在方框内绘出装置图，并根据实验须遵循的原则给予必要的文字说明。
图4
(5)设计表格，记录下实验可能出现的现象及结论。
参考答案 (2)酵母菌呼吸作用的反应式：
如果酵母菌只进行有氧呼吸，则吸收的O[,2]量与放出的CO[,2]量相等；如果只进行无氧呼吸，则不吸收O[,2]，能放出CO[,2]；如果既进行有氧呼吸，又进行无氧呼吸，则吸收的O[,2]量小于放出的CO[,2]量。
图5
(4)如图5所示。（注：即用等量的清水代替NaOH溶液，其余条件与原装置相同。）
(5)见表2
表2
现象
装置A中液滴
装置B中液滴 结论
① 左移不移动 只进行有氧呼吸
② 不移动 右移只进行无氧呼吸
既进行有氧呼吸，
③ 左移
右移
又进行无氧呼吸
5 评价实验方案
实验方案评价题的一般解题思路是：
(1)查看方案中有无对照组实验，如果没有对照组实验或对照组不全，就应该补充完善实验设计。
(2)查看实验条件的控制是否遵循了单一变量原则（如实验对象的一致性，每次所加试剂的等量性，其他实验条件的适宜和一致性等）。
(3)查看实验顺序是否合理，步骤是否完整，尤其是对材料的预处理是否得当。
(4)查看实验仪器、药剂的使用是否合理。
(5)查看实验结果的验证是否合理，实验结论的获得是否严谨。
所以，问题的关键在于是否违反实验设计须遵循的科学性原则、对照原则、单因子变量原则、等量原则和平行重复原则等。
例如 某生物小组的同学为研究叶绿体色素能够吸收不同波长的光，设计了一个实验，其方法步骤如下：
(1)选7株天竺葵，制作7个能装下天竺葵的黑色硬纸盒，在每个硬纸盒内分别装上一个不同颜色（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）的灯。
(2)将7株天竺葵立即放入7个黑色硬纸盒中，接通电源，照射4h。
(3)取7个烧杯，各装入95%的酒精至烧杯的1/3处。
(4)取7个培养皿，各装入碘液至培养皿的1/3处。
(5)从经过照光处理后的7株天竺葵上，各取一片叶片放入烧杯中，隔水加热，待叶片脱绿、漂洗后，将叶片放入培养皿中，并使碘液浸没叶片。
(6)观察叶片的颜色变化。
请指出以上实验设计中3处明显的不足：
①＿＿ ；②＿＿；③＿＿。
参考答案 ①没有进行暗处理 ②没有说明选择的7株天竺葵和摘取的叶片长势是否一样 ③对实验材料和各种用具没有进行编号或标记。
总之，构建生物学的探究能力，贵在建立科学的实验思想，充分利用实验设计题，有意识地把自己的分析与参考答案做比较，从中有所悟，在悟中使自己的探究能力不断得到提高。