浅谈实验设计对学生生物能力的培养

董志轩

摘 要：文章论述了生物实验设计的重要性，探讨了如何培养实验设计的能力是通过学生自身的积极的思考、分析实践才能形成。

关键词：生物;实验设计;能力

实验设计是生物实验中的一种常见题型，它能较全面的考查学生的实验知识和基本技能，分析问题和解决问题的能力以及创造能力，因而在高考中相对稳定。由于学生缺乏实验设计系统的理论知识，因此，遇到这类题型，就会感到无从下手，导致考试中严重失分。现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的题型等进行归纳总结，增加学生理论知识，提高学生分析问题和解决问题的能力。改变过去以验证为主的实验教学方法，倡导学生注重过程并积极地参与，倡导学生创新，倡导学生质疑，是培养学生创新能力的尝试和实践。让学生既学到了生物科学知识、学会了基本技能，又培养了探究新知识的科学求索精神。

类型一：设计实验方案型。

给出实验用具、材料、药品、实验目的，或只给实验目的，实验器材自选，设计实验方案。

[例1]请根据下述条件设计一个实验，鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，写出实验步骤并分析结果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml烧杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，细线一根，支架l个。

分析：本实验是考查渗透作用的原理和动手设计实验的能力，解题的关键是如何利用透析袋和两种液体形成一个渗透系统。当将两种液体之一放入透析袋，另一液体放大烧杯中，然后将盛放液体的透析袋用线扎实（插入刻度玻璃管）并浸浴在烧杯的液体中时，由于两液体具有浓度差，水分子便通过透析袋发生渗透作用，观察刻度玻璃液面数值变化即可将二者区别开来。根据实验设计理论，把所给器材的作用分析清楚，有助实验设计思路的形成。

（一）实验步骤：①将一瓶中的液体倒入烧杯中;②将另一瓶中的液体倒满透析袋，刻度玻璃管插入袋内液体中，用线将袋口和玻璃管扎紧;③将插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液体的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管液面刻度;④一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面上升还是下降。

（二）结果分解：如液面上升，则透析袋中的溶液为30%蔗糖溶液，烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液。反之，可推测透析袋中是10%蔗糖溶液，烧杯中的液体是30%的蔗糖溶液。

类型二：评价和纠正型

分析已有实验设计方案中不科学性，并提出改进。

[例2]北阿尔伯达的一个工厂把产酸的化学品排入到空气中，工厂东面有一个湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已从原来的6儿降低到5.7。虽然酸性沉积一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不变。湖中原有的鱼是河鲈和鲤鱼。钓鱼爱好者抱怨说，自从工厂开办以来，鱼资源已经减少。工厂的工人设计了一个实验，证明工厂排放出去的化学药品与鱼资源的减少没有关系。

工人取一只大容器，盛放湖水，维持pH值在5.7。从湖里找来大鱼放在该容器内，喂以蛋白质饲料。在这样的条件下，鱼正常成长。

假定你是一个独立的仲裁员，受雇于垂钓爱好委员会委拖，来对该项实验进行评估，列出你要得到的附加信息，并列举说明你要用什么方法去得到这些信息。

[解析]本实验设计方案中没有考虑鱼的生活中受着多种因素影响，这与单一变量原则是相违背的。分析问题不全面，只考虑单一因素的影响，设计实验无说服力，也不符合实验设计的要求。本题考查思维的全面性，在认定两个问题时，除了看有无直接联系外，也要注意考虑间接联系。

该实验设计测量不出下列因素。而这些因素都是对河鲈和鲤鱼的影响的：

（l）酸对河鲈和鲤鱼的食物数量多少的影响;

（2）酸对河鲈和鲤鱼的鱼卵或幼鱼的影响;

（3）由于春季干涸造成pH值季节性涨落的影响;

（4）由于酸的分解作用而进入水域的重金属量是多少;

为了说明上述第一点，必须完成一项研究，即确定各种浮游生物，水生昆虫和小鱼的多少。如果这个食物网的某些环节正在丧失，则有必要去研究酸是否对此有影响。为了说明上述第二点，可以在酸化水中饲养鱼卵和幼鱼。鱼的数量减少可能是上述第一点和第二点结合的产物，所以人工饲养幼鱼可能会给出不可靠的结果。对于季节性涨落，应该对全湖长期取水样。做仔细彻底的记录至少一年。这一因素可能和第二点相符合，因为鱼卵或繁殖更受低pH值的影响。重金属是累积的有毒物质，人工饲养和鱼与湖里吃污染食物的鱼相比，并不处在相同水平的毒素中。应该在湖水中、鱼饲料中以及河鲈和鲤鱼身体中检测如铅这样的重金属含量。

所有这些因素都说明，酸的影响是长期的，在容器里短期饲养的鱼不可能给出可靠的结果。这种研究必须以年为周期来实施，而且要与该工区其他湖水情况作比较。

类型三：补充完善型

对已有的实验设计进行补充和完善。

[例3]向你提供的条件仅有健康活泼的家兔一只，75%酒精、无菌干棉球、解剖刀、洁净的载玻片10块（编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I、L）、红墨水、秒表，请在上述提供的条件范围内，设计一个测定血液凝固时间的实验。

实验步骤：①用酒精棉球消毒兔耳;②用消毒解刮刀剖开兔耳边缘的小静脉;

请将实验步骤补充完整：

[解析]这类题目的题干中已经提供了一定的信息，基本上划定了答题的模式，目的明确，前面的方法步骤等信息已为续答作了铺垫，只要明确题目中的实验变量和反应变量，然后设计对照组，再根据有关原理分析，一般就能比较正确地写出答案。本实验设计方案很巧妙地看出血液是否凝固。

③把从刀口流出的血液分别在ABCDEFGJIL10块载玻片上滴一滴（第一滴血弃去不用）;④取血后对兔耳刀口外进行消毒止血;⑤在L载玻片上滴一滴红墨水（起对照作用）;⑥开始记录时间，过l分钟后将A载玻片竖立，第二分钟后将B载玻片竖立（在它们竖立的同时，都将L载玻片竖立），其余类推，看血液是否完全凝固（血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改变为凝固）;⑦血液完全凝固，而墨水仍然流动，即为血液凝固时间。

通过以上几例的分析可以看到：

（一）生物实验设计的三种题型虽然在形式上有一定的差异，但在答题中却有共同点，先要认真研究课题，找出其中的实验变量和反应变量，其次是构思实验变量的控制方法和实验结果的显示方法，最后再选择适宜的实验材料，在注意实验步骤逻辑性的前提下表达实验的方法步骤。在实验方法和步骤设计中最重要的是把握好变量控制。

（二）重视课本实验的复习，掌握书本知识是提高实验设计能力的基础。要熟悉教材，心中有書。题在书外，理在书内。因此要深入理解与灵活应用基础知识。在考试说明中明确提出了，要求“理解所学实验的实验内容，包括实验原理、方法和操作步骤、实验变量的控制、掌握相关的操作技术”。

（三）挖掘课本中所蕴含的实验因素，深刻领会教材有关实验的本质与特点是提高实验设计能力的前提。要认真分析教材所涉及的实验，包括学生实验，演示实验，经典实验等。生物学的每一个知识结论都是在观察、实验的基础上得出的，在平时的复习中要注意多挖掘知识结论中所蕴含的科学思想和方法，深入分析实验的条件、过程、现象、结果和结论的科学性。例：生长素的发现过程中，涉及生长素产生的部位、感光的部位、作用的部位、运输的方向等，这些都可以思考如何设计实验来证明。

（四）学会对已知实验进行变换和转化是提高实验设计能力的有效手段。求变、求异思维的发展有助于提高实验设计能力。善思会变才能应答自如，通过换位思考提高素质，才能将所学知识，技能迁移到新情景中来，才能依据实验目的、原理和材料安排实验步骤等，并作出分析、评价和结论.