例谈提升探究能力的定量实验

邰玉韦

文件编号： 1003 - 7586（2016）06 - 0045 - 03

初中生物课程的核心目标是提高学生的生物科学素养和科学探究能力，增进学生对科学探究的理解。《义务教育生物学课程标准（2011版）》中，在“教学建议”中明确指出：在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应向学生提供机会学习量的测定，实事求是地记录、整理和分析实验数据、定量表述实验结果等。下面结合探究性教学的实践案例，浅谈开发和利用“定量实验”，促进探究能力多层次的发展。

1 重视“定量实验”思维意识的培养

生物学新课标中共建议了9个探究实验：① 探究影响鼠妇（或蚯蚓等）分布的环境因素；② 探究种子萌发的外界条件；③ 探究光合作用的条件、原料和产物；④ 探究馒头在口腔中的化学性消化；⑤ 探究几种食物热价的差异；⑥ 探究蚂蚁或其他动物的行为；⑦ 探究食品保存的方法；⑧ 探究“酸雨”的危害；⑨ 探究酒精对水蚤心率的影响。不同的探究实验对培养科学探究能力所起的作用不同，但从实验结果的性质上可以分为定性实验和定量实验，其中“探究几种食物热价的差异”是典型的定量实验。在初中阶段，定性实验较多，定量实验较少，符合初中生的认知特点和思维能力层次。

但在实际教学中，因“探究几种食物热价的差异”的实验操作复杂，如“天平”的使用、“量筒”的使用等，教师因畏难情绪而放弃对该实验的实际探究。这样做淡化了对学生“定量”思维意识的培养，凸显了学生探究能力层次的欠缺和探究教学思维深度的不够。同时，在许多实验操作中，尤其对实验室的某些实验仪器的科学操作中，学生缩手缩脚，畏难情绪常见，主要原因是他们不了解一些仪器和用具的基本用法。在初一教学中，许多教师会重视“显微镜的使用”这部分教学内容，但在“其他常用的探究器具”教学内容中，如量筒、天平等计量器具和试管、滴管、培养皿等通用器具，许多教师都是纸上谈兵。如果教师能在课堂中，让学生摸一摸、量一量这些探究实验教学中可能用到的实验仪器，一方面，学生可以掌握基本的实验技能；另一方面，有利于培养学生实验教学中严谨和科学的思维意识，尤其是“量”意识。因此，重视“定量实验”思维意识的培养，应从基本的实验常识开始。

2 重视基于“数据”探究教学的概念形成

《义务教育生物学课程标准（2011版）》提出了“关注重要概念的学习”的新理念，且筛选并呈现了50个生物学重要概念。落实新课程的“定量”理念和要求，渗透观察测量等实验方法，把数据整理成证据，使探究活动变得更真实、更准确，有利于提高科学探究的效率，帮助学生在定量思维的基础上建构概念。

案例1：在“探究鸟类适合飞行的特征”教学中，可以让学生用软尺和直尺测量比较家鸽前后翼展开的面积；测量比较家鸽与人胸肌与胸骨的不同；用听诊器测量比较人与家鸽的心率（每分钟心跳次数）；用温度计测量比较家鸽与人的体温等。

案例2：在“探究几种常见食物热价的差异”的教学中，让学生亲自用天平、家庭电子秤称出花生、爆米花、油面筋、核桃仁等各0.5 g；让学生亲自用量筒量出水20 mL；让学生亲自用温度计测一测食物燃烧前后水的温度变化；让学生亲自算一算不同食物之间热价的差异；让学生亲自参与实验材料的准备工作，如纸杯预处理：在纸杯下方剪开一个宽4 cm、高5 cm的开口……这些都是学生感兴趣的环节。

案例3：在“骨的特性与骨的成分之间的关系”教学中，教师选择一段较大的鱼肋骨，先让学生称一称其质量，然后再将其浸入盛有质量分数为10%的盐酸的试管中。待鱼肋骨的周围不再有气泡产生时，取出鱼肋骨并将其表面盐酸擦拭干净，然后称一称这时的鱼骨质量。要求学生算一算骨内有机物和无机物的含量比例。

案例4：在“探究小肠是消化和吸收的主要器官”教学中，要让学生理解小肠绒毛可以增大小肠的消化和吸收面积，仅仅用百褶裙比直筒裙的面积大小来比喻是不够的，教师还要让学生用笔算一算：小肠长约5～6 m，内直径平均约为3 cm时，如果小肠内壁是平整光滑的管状，那么表面积不到0.5 m2，而事实上小肠内壁的表面积是200～300 m2，是前者的600倍，相当于一个排球场的占地面积。这样的教学对建构概念更有意义。

案例5：在“人体内的气体交换”教学中，理解肺泡与血液间发生气体交换的原理、血液与组织细胞间发生气体交换的原理以及交换后血液成分的变化是本节课重点和难点。如果教师在教学中呈现表1和表2，即肺泡处和组织细胞处氧气与二氧化碳的压力比较，再结合其他教学手段，将会更有效突破重难点。

3 凸显“定量实验”探究设计，提升探究能力

定量实验在培养学生科学素养，提高思维的逻辑性和深刻性等方面具有重要作用。定量实验的设计是为了克服偶然误差。学生因缺乏“量”的概念和意识，常常在设计实验方案时带有一定的盲目性和随意性。教师可以有意识地将定性实验教学设计转变为定量实验的教学设计，即在教学中，教师应当以突出定量实验的设计思维为主线，遵循对照原则、单一变量原则展开实验教学设计。

案例6：苏教版七年级上册“实验：植物的呼吸作用”一节中，笔者的指导如下：（1） 学生4人一组，提前1 d，将新鲜的和用沸水处理了2～3 min的同一种蔬菜各100 g分别装入2个不漏气的黑色塑料袋中，插入软管后适当地扎紧袋口，并用止水夹夹紧软管，装置不加标记。（2） 实验时每组随机取一袋蔬菜，将软管插入盛有澄清的石灰水的锥形瓶中，移开止水夹，轻轻地挤压塑料袋，观察石灰水是否变浑浊。

为进一步发展学生的探究能力，可以将本实验改为定量的探究性实验设计如下：（1） 取等量、适量的白萝卜、土豆、菠菜、花菜、橘子、豆芽等的根、茎、叶、花、果实和种子六大器官作为实验材料，4人一组，每两组同用一种实验材料，并设置对照实验，一份用新鲜的实验材料，一份用煮熟过的同种实验材料。（2） 将黑色塑料袋改为用同样规格的白色饮料瓶并加盖密封（引导让学生分析为什么放入叶子后塑料瓶要用黑色布包裹）。（3） 实验时，用20 mL规格透明塑料瓶装入10 mL澄清石灰水。（4） 用2个50 mL规格的注射器分别从装有同种实验材料（新鲜的和煮熟的）的2个饮料瓶中抽出40 mL气体，然后分别注入到两个装有10 mL澄清石灰水的瓶中检验（探究部分设计如表3所示）。

在本节实际教学中，教师可以先设计出几种不同的实验方案然后让学生分析，对每种实验方案的可行性、准确性进行判断。当学生发现设计方案、实验步骤存在不当时，就会主动地设计出改进的实验方案。然后，教师再启发、引导学生将目标变量转化为可测量的量，最终形成最佳的定量实验方案，让学生感受设计量实验的乐趣。

4 重视定量分析和定性表达结果的结合

科学探究能力不仅仅是指一系列具体的过程技能，更重要的是掌握基于这些技能来收集、解释以及论证的科学思维方式。英国科学探究能力测评（APU）对科学探究能力的关注更多集中于测评学生的高级思维能力，主要考查学生在完成探究过程后是否能够获得充分的证据、能否很好地回答探究问题以及对探究作出评价。因此，合理解释实验现象，就要对实验教学中的数据进行误差分析，即定量分析。教师选取合适的方式从定性、定量结合的角度阐述实验结果，是对探究作出评价的重要环节，也是增强学生探究能力的重要阶段。

案例7：“探究几种常见食物热价的差异”本节教学设计可以紧紧围绕“探究实验方案的设计、实验操作、实验数据的处理与评价”三个环节进行重难点的突破，实现教学的优化。其中重难点之一是学生能认同在实验过程要尽量减少热量的散失，保证实验数据的准确性。具体的教学策略可以设计为：（1） 实验装置的甄别”，教师引导学生建立热量收集过程中要尽量减少散失的意识。（2） 操作过程中，教师适当提醒。（3） 利用“误差分析”环节，教师在引导反思和评价蜞 实验操作的过程中，进一步帮助学生达成这一共识。如在“探究分析与得出结论”环节，教师可以出示以下问题：① 为什么水的温度会升高？② 哪种食物使水升高的温度最多？这个结果说明了什么？③ 你所测出的食物热价符合实际热价吗？误差产生的原因有哪些？教师引导学生多角度反思实验操作的过程。通过评价探究过程，学生会总结出一些误差产生的原因，如食物未燃烧充分、中间火熄灭了重新点燃浪费了热量、动作慢在空中停留时间长等。然后，教师帮助学生积极寻找解决问题的办法。在定量分析的基础上，再定性地表达实验结果，得出科学的实验结论。定量分析和定性表达的结合让学生充分认识了科学探究的基本思想、方法和素养，体验探究实验的魅力。

中学生科学探究能力的培养是分层次、分阶段实施的，科学探究能力的提升也是一个循序渐进的过程。只要教师心中有明确的教学培养目标，尊重学生的兴趣和认知心理发展规律，在定性探究实验的基础上，重视“定量实验”过程的思维培养，就一定能使学生的探究能力有进一步提升和发展。