浅谈实验设计教学的突破点

王洪奎　刘永武

摘要：从抓变量入手确定实验分组和实验步骤，通过问题讨论体验科学实验步骤，培养学生实验设计和分析能力。

关键词：实验教学 教学设计 生物学教学

中图分类号：G633.91 文献标识码B

实验设计是考查学生综合能力的重要评价手段，主要包括分析能力、知识迁移能力、创造能力、想象力和逻辑推理能力等。在探究性课题的教学中，利用有关原理和实验材料，利用科学思维的方法，设计实验教学，可实现开发学生潜能的目标，培养学生科学思维的良好习惯。教师精心设计实验教学是提高解决探究性问题的捷径。通过教学实践及经验体会，笔者从以下方面展开教学，取得了显著效果。

1.确定自变量，决定实验分组

教师引导学生根据研究课题，确定自变量后，可以决定实验的分组。引导学生对所研究的课题进行分析，确定自变量的种类是实验设计问题的首要任务。学生按照对照和单一变量原则，大体可确定实验的思路。通过针对变量的讨论与分析，提高学生科学思维能力，使学生掌握科学思维方法。下面以研究某些课题为例。

1.1一种变量的确定与实验分组

在实验设计中，经常出现考查探究一种因素对实验结果的影响，那么这种影响因素即为自变量，如表1所示。教师要让学生体会：自变量即为实验研究的课题因素。

如不同浓度生长素对植物生根影响的实验，不同浓度生长素是自变量，设计不同自变量时，依据单一变量和对照原则，要选择有适宜生根的生长素浓度，且在该浓度的两侧选择浓度梯度差相等的多组进行实验，且要设计一组浓度是0ppm的对照组。接着要求让学生讨论以下问题：为什么要设计0ppm？为什么各组浓度差相等？为什么要有较适宜的生长素浓度的实验组？通过问题的讨论，教师引导学生感悟：依据自变量分组时要依据科学性原则，控制出现的无关变量，减少无关变量对实验的干扰。为使学生准确掌握依据自变量确定实验分组要领，教师要进行针对性训练，如温度对α-淀粉酶活性实验中，提出以下问题进行讨论：在该实验中自变量是什么？为了避免额外出现无关变量，在分组实验时要考虑那些问题？α-淀粉酶的最适宜温度为60℃左右，不设计60℃或90℃的实验可以吗？通过以上问题的讨论，完善实验分组。

1.2两种及两种以上变量的确定与实验分组

两种及两种以上影响因素的分组仍然要遵守单一变量和对照原则来体现科学性。为了使学生掌握这类实验的设计思路，笔者采取分类分析然后进行整合的教学思路，取得了较好的教学效果，举例如下。

[例1]保水剂是一类高分子聚合物，可提高土壤持水能力及水肥利用率。某生物兴趣小组探究“保水剂和氮肥对小麦光合作用的影响”，进行了相关实验。

材料用具：相同土壤基质栽培的小麦幼苗若干、保水剂、氮肥等。保水剂和氮肥施用量分别为60kg·hm^-2、255kg·hm^-2。

请回答：该实验应分成几组开展实验？写出该实验探究步骤。

本实验探究“保水剂和氮肥对小麦光合作用的影响”，因此可以确定本实验涉及“保水剂和氮肥”2个自变量的实验分组问题。为了掌握这类问题的思考方法，笔者特提出以下问题进行讨论：①在该实验中如果分别研究保水剂或氮肥对小麦光合作用的影响，应如何分组实验？②如果同时研究两者对小麦光合作用的影响如何分组？通过学生对问题①的讨论，依据单一变量和对照原则设计的分组，见表2。

对问题②讨论时，教师提出：该问题是同时研究两者对小麦光合作用的影响，在分组时将表3的分组直接整合在一起可以吗？这样使学生明确：若直接将两者整合可以同时研究两者对光合作用的影响，但不能说明两者混合后对光合作用的影响，故还必须增加两者混合的实验组，见表3。

通过以上教学，教师使学生明确在多个变量的实验研究时，这类问题的解决途径是：分别列举一种自变量的实验分组一增加整合两种或多种因素混合的实验组→确定整个实验的分组。另外教师还准备一些类似的问题进行变式训练，使学生牢固掌握这类问题的解决方法，有效激发了学生的学习兴趣，培养了学生思维的严密性。

2.严格控制无关变量，科学安排实验步骤

除自变量作为重点研究外，无关变量也会影响实验的结果。确定重要的无关变量，且严格控制无关变量，是科学安排实验步骤的前提。若控制不当，会造成实验失败，故影响实验的其他条件（无关变量）要选择适宜且相同，才可用于说明自变量对实验结果的影响。对无关变量的确定与控制，笔者主要在以下几个方面展开教学。

2.1选择适宜的实验材料

为了使实验现象更为明显，教师应通常选择各种指标均相同且适宜的实验材料，这样实验过程中因变量变化才明显。如在观察植物细胞有丝分裂的实验中，选择含染色体数量较少且细胞分裂旺盛的实验材料，则便于观察染色体数目变化和容易寻找分裂期。

2.2设计对照组排除无关变量的影响

设置对照组的目的是排除无关变量对实验结果的影响，教师在实验过程中可能会出现哪些无关变量，才能使实验设计更科学合理。例如，在DNA的鉴定实验中，因为在检测时，加入二苯胺后要沸水浴加热，那么在沸水浴条件下，二苯胺与NaCl溶液是否会发生颜色变化？所以在实验中设置对照组，目的是排除NaCl对二苯胺试剂的影响。

2.3消除偶然因素的影响

为了避免偶然因素对实验结果的影响，在实验过程设计中，要考虑平衡重复原则。在实验时除考虑实验材料外，还要考虑材料的数量，若实验材料数量太少，一些偶然的因素可能导致错误的实验结论。如例1中选取长势一致的小麦幼苗若干，平均分为A、B、C、D 4组，并不是选择4棵小麦幼苗，而是每组有多棵，其目的是避免偶然因素对实验结果的影响。

2.4控制适宜且相同条件实验

在实验时，应考虑现象明显才能得出相应的结论，而实验现象明显应在适宜的条件下展开实验，且各组的条件相同。例如，探究不同种类加酶洗衣粉的洗涤效果时，有关变量分析如表4所示。

在上表所列举无关变量中，应该选择适量的水、适宜的温度等控制适宜条件才可获得明显的实验现象。

3.突出问题意识，培养科学思维习惯

在实验设计教学中，理论学习会使学生明确设计的原则和变量的控制方法。为了培养学生实验分析和解决问题的能力，笔者选择一些典型事例，强化学生的问题意识，通过问题讨论，体验设计的科学性原则，逐渐形成科学思维习惯。

[例2]动物器官的体外培养技术对于研究器官的生理、病理过程及其机制意义重大。图1是一个新生小鼠的肝脏小块培养装置示意图。请回答下列问题。

有机物x有毒性，可诱发染色体断裂。利用图中所示装置和提供的下列材料用具，探究肝脏小块对有机物x是否具有解毒作用。

材料用具：

肝脏小块，外周血淋巴细胞，淋巴细胞培养液，植物凝集素（刺激淋巴细胞分裂）；显微镜，载玻片，盖玻片，玻璃皿，滴管；吉姆萨染液（使染色体着色），有机物x溶液等。实验过程：

①在淋巴细胞培养液中加入植物凝集素培养淋巴细胞，取4等份，备用。

②利用甲、乙、丙、丁4组上图所示装置，按表5所示步骤操作（“√”表示已完成的步骤）。

上表中还需进行的操作是__。

③培养一段时间后，取4组装置中的等量培养液，分别添加到4份备用的淋巴细胞培养液中继续培养。

④一段时间后取淋巴细胞分别染色、制片。在显微镜下观察__，并对比分析。若丙组淋巴细胞出现异常，而甲组的淋巴细胞正常，则说明__。

答案：向乙（或丁）组装置中放置肝脏小块染色体形态和数量

肝脏小块对有机物X具有解毒作用

对探究肝脏小块对有机物x是否具有解毒作用的实验中，讨论以下问题：①该实验的自变量和实验指标如何确定？教师让学生体会，自变量应从研究的课题中找线索，实验指标则应在因变量中找指标，因有机物X有毒性，可诱发染色体断裂，所以在显微镜下观察染色体是否异常为指标。②你能列举在本题中哪些重要的无关变量？实验中采取了哪些措施减少无关变量对实验的干扰？这样让学生体会无关变量要从影响因变量的一些因素中去寻找。③在实验设计中安排步骤时，大都是采取步骤中的①③④，而本实验为什么要加入步骤②？学生通过讨论，体会到对肝脏小块是否对有机物x具有解毒作用，应先用肝脏小块处理有机物x，才可说明有无解毒作用，从而了解对这种类型问题的归类。即对于某物质对另一物质的影响设计实验时，都应首先做某物质对另一物质的影响实验，然后再做处理后的效果实验。通过以上问题的讨论使学生体验实验设计要做到思维严密、科学合理，才能让人信服，培养学生形成科学思维的习惯。

实验设计教学是一个系统的教学工程，教师在教学中只有针对不同实验类型，找出解决问题的突破点，选择恰当的教学方法，才可培养学生实验设计和分析的能力，严谨求实的科学态度，团结协作的良好品质。