培养设计实验技能 提升生物学核心素养

郑耀贤 王爱东 胡佳娜

(1 北京师范大学珠海附属高级中学 珠海 519080； 2 广东省珠海市唐国安纪念学校 珠海 519080)

《高中生物学课程标准(2017年版)》提出课程的宗旨是： 提升学生的生物学学科核心素养，包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的能力[1]。其中，设计并实施恰当可行的探究实验方案属于高阶的科学探究水平(水平三、水平四)。纵观近几年的高考题中，实验设计题都占据了较大比例，较之其他题型，生物学实验设计题的得分率偏低。对中学生生物学实验设计能力的调查发现，实验设计能力是中学生探究能力中较薄弱的环节[2]。

本文以指导学生开展“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液对小球藻的化感作用”的实践为例，说明如何培养设计实验的技能，以供参考。

1 例说有效开展设计实验

1.1 培养学生选择合适的材料药品、试剂、器具 开展实践探究活动需要使用各种各样的实验材料(如南美蟛蜞菊、黑藻、酵母菌等)、基本实验器具(如光学显微镜、研钵、移液器等)进行显微观察、溶液配制等操作；可能需要使用传感技术、分光光度计、电子天平、恒温光照培养箱、血球计数板等特定实验仪器进行实验数据的测定或实验条件的控制。

教师引导学生基于实验目的和实验室现有条件，查阅相关文献，在开展实验设计之前进行仪器与材料的选择、实验材料的培养、处理等操作，为设计出恰当可行的实验方案做准备。本实践探究活动从仪器与材料、藻种及培养、南美蟛蜞菊根、茎、叶浸提液母液的制取等过程中培养学生的基本技能。

1.2 遵循实验设计的基本原则 包括科学性原则、对照性原则、单一变量原则。

1.2.1 科学性原则 所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，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基本知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原则[3]。例如，本实验选用小球藻、南美蟛蜞菊、水浸提液，这些材料易得、有现实意义(STS)。化感作用的研究方法已得到学者们的认可。

1.2.2 对照原则 生物学实验设计通常通过设置对照，既排除无关变量的干扰，又增加实验结果的可信度和说服力。一个实验通常包括实验组和对照组。本实验通过将南美蟛蜞菊根、茎、叶浓度梯度为0、 0.5、 1、 2g/L的化感培养液分别处理小球藻，该实验0g/L组与其他浓度组的设计遵循空白对照的原则；同一浓度的根、茎、叶提取液处理小球藻遵循相互对照原则；某一器官某一浓度的浸提液对小球藻的种群影响随时间变化遵循自身对照原则。

1.2.3 单一变量原则 单一变量原则即控制唯一变量而排除其他因素的干扰，从而验证唯一变量的作用。强调的是不论一个实验中有几个自变量，都应做到一个自变量对应观测一个因变量。例如，本实验中“不同浓度根浸提液与小球藻种群密度”“不同浓度根浸提液与小球藻的抑制率”“同一浓度根、茎、叶浸提液与小球藻种群密度”“时间与小球藻种群密度”等都严格遵循单一变量原则。

经典的科学实验都是经过岁月的沉淀和历史的检验，教师在教学中应引导学生从科学史中汲取相关的实验设计思维，领悟实验设计的原则，并不断通过实践，提升学生设计实验的适切性。

1.3 引导学生制定科学合理的实验步骤 教师以“南美蟛蜞菊根浸提液对小球藻的化感作用”为例(表1)，引导学生进行实验设计、不断完善并举一反三，分别设计“南美蟛蜞菊叶浸提液对小球藻的化感作用”和“南美蟛蜞菊茎浸提液对小球藻的化感作用”，学生在反复操练中，感知并提升了设计实验的技能。

2 培养学生实验设计能力的教学策略

2.1 利用教材的“技能训练”项目 人教版高中生物学必修教材设置有“技能训练”栏目，其中关于设计实验的内容在必修1～3中都设置。必修1有设计实验，必修2有设计实验程序，必修3有评价实验设计和结论，三个模块对设计实验的培养目标逐渐进阶。这种相对简单又科学合理的安排有利于促进学生设计实验技能螺旋式上升。

表1 “南美蟛蜞菊根浸提液对小球藻的化感作用”实验操作流程

2.2 利用教材中的“探究”实验 人教版高中生物学必修教材共设置了10个“探究”实验，这些栏目大多有“设计实验”这一专项，并根据该实验的难度、在教材中的顺序等因素，分别以“参考案例”的形式或者问题串的形式引导学生重视对设计实验的训练。教师可以充分利用这些资源开展专项训练，提升学生设计实验的能力。

2.3 利用高考实验设计题进行训练 近年来，为落实生物学核心素养，高考题中“设计实验”题目逐渐增多，以期达成“科学探究”这一重要素养的考查。例如，2017年全国新课标Ⅰ卷考查了“请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型。简要写出： ①实验思路；②预期实验结果及结论”。教师可以将高考试题中的设计实验题目用于有目的的专项训练，提升设计实验的能力。

3 思考

“探究南美蟛蜞菊不同器官浸提液对小球藻的化感作用”是基于项目开展的综合实践探究活动，学生在探究实践中掌握基本技能的同时，加深了对生物学概念的理解，并尝试运用种间关系的作用解决生态环境中的实际问题，大大提升了学生探究学习的兴趣。教师在教学中通过指导具体的实践，提升了学生实验设计这一科学探究能力的薄弱环节，有利于逐步实现生物学学科核心素养的提升。

(基金项目： 珠海市十三五规划课题“基于STEM教育的高中生物科学探究实践研究”，No.2018KTG16)