中美高中生物学教材中实验部分的比较研究——以“研究光合作用的影响因素”为例

黄雅雯 邹峥嵘

（江西师范大学生命科学学院 江西南昌 330022）

实验教学是中学生物学教学的重要组成部分，对学生学科素养的形成有重要意义。随着我国社会经济的发展，中学教学条件得到极大改善，教学仪器设备配备越来越完善，为中学生物学实验课的顺利进行提供了良好条件。下面对我国人民教育出版社出版的普通高中生物学课程标准实验教科书《必修1·分子与细胞》（以下简称“人教版”）和浙江教育出版社编译出版的美国高中生物学教材《biology：The Dynamics of Life》中册（以下简称“美国教材”）基础，从实验导入、实验过程、实验旁栏和实验讨论等方面入手，比较中、美高中生物教材中“光与光合作用”一节中实验部分的异同点和优缺点，为我国中学生物学实验教学提供借鉴，有效提高中学生物学实验教学的质量。

1“研究光合作用的影响因素”这一实验在教材中的地位

此实验在国内外教材中都具有承前启后的作用，是学生学习呼吸作用和生态系统结构的基础。人教版中设置了两个探究实验：“绿叶中色素的提取和分离”以及“环境因素对光合作用的影响”，以实验为载体与相关的科学史紧密衔接，阐明科学家的科学过程和思维方法。美国教材则设置“分离色素”和“用同位素来研究光合作用”两个精简的实验来衔接本节内容，在章节末尾以网络生物实验“研究光合作用的影响因素”总结本节重难点。

2 中美生物学教材中关于光合作用实验的对比

2.1“实验导入”部分的比较

从中美两国教材实验的导入来看，美国教材中实验前先给出问题：不同波长的光如何影响植物光合作用的速率？再给出目标：“在本次实验中，你将观察水生植物的光合作用；测定光合作用的速率；研究不同颜色的光的波长；观察不同波长的光如何影响光合作用的速率，通过互联网收集其他学生的数据，并进行比较。”美国教材最主要是让学生制作数据表，并与其他学生进行对比，通过利用现代网络技术，让学生进行科学探究，扩大学生的知识面。而人教版中该实验属于自主探究式，实验前给出提示和参考案例：“农业生产上有许多提高农作物光合作用强度的措施，选择其中一种因素，通过实验探究它对光合作用的影响”。这样从而让学生了解基本的实验原理和操作，促使学生通过独立动手操作得出结论。这两种导入都有助于学生深化对教材知识的领悟。

2.2 实验类型的比较

中美教材对于“研究影响光合作用的因素”的实验设计最主要的不同点在于探究方式的差异。美国教材中这一实验属于网络生物实验，学生根据实验导入提出的问题，按步骤做实验，随后通过访问网页（bdol.glencoe.com/internet-lab）上传数据并与同学分享数据，最后对网站上其他学生的数据进行综合分析，对比完善自己的图表。而人教版教材中，该实验为自主探究类型。教材先给出一个参考案例——探究光照强弱对光合作用强度的影响，让学生自己提出假设，再设计实验验证假设，通过数据收集、小组讨论，得出结论。对比两国教材实验类型，不难发现二者各有优点；美国教材让学生有独立思考的余地，人教版让学生了解如何通过实验来验证自己的假设，且两者都注重对实验的探究。

2.3 实验器材部分的比较

人教版教材中提出的实验器材：打孔器、注射器、40 W台灯、烧杯、绿叶（如菠菜叶）。美国教材中提出的实验器材：1 000 mL烧杯、三株伊乐藻、带反射镜的150 W的台灯、绳子、质量分数为0.25%的NaHCO3溶液、垫圈、带秒针的手表、不同颜色的彩色玻璃纸。

比较中美教材，可以发现共同之处：材料经济且简单易取，都选用了节能且安全的台灯。值得借鉴的是，美国教材选择了易于实验室配置的质量分数为0.25%的NaHCO3溶液，体现了不同学科的相互渗透，有助于培养学生全方位的科学思考能力和发散思维能力。

2.4 实验过程部分的比较

人教版教材中所示的实验步骤：

（1）取生长旺盛的绿叶，用直径1 cm的打孔器打出小圆形叶片30片。（2）将小圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排除注射器内残留的空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。这一步骤可以重复几次。（3）将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。（4）取3只小烧杯，分别倒入20 mL富含CO2的清水。（5）分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照（3盏40 W台灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间的距离来决定）。（6）观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。

美国教材中所示的实验步骤：

（1）安装实验装置。（2）制作数据表来测量结果。每种颜色一栏，另留一栏作对照。（3）把伊乐藻放入烧杯，完全浸没在水中、加入小苏打溶液，它能为水生植物提供CO2。（4）直接把台灯（不用玻璃纸遮光）照射在植物上作为对照，观察何时能看到气泡。（5）观察并记录5 min内伊乐藻产生的氧气气泡数量。（6）用一种颜色的玻璃纸遮住灯泡，然后重复步骤（4）和（5）。（7）再用另一种颜色的玻璃纸遮住灯泡，重复步骤（4）和（5）。（8）访问网页：bdol.glencoe.com/internetlab。（9）清洁与整理：把植物放入缸中，避免干枯。

对比人教版实验步骤（5）与美国教材步骤（4）～（7），可以看出人教版教材侧重于定性的分析，定量分析较为简单，相对笼统地使用“强、中、弱来描述光照的强度，通过改变台灯和叶片间的距离来控制自变量，忽略了在移动台灯时，台灯距离改变导致的温度改变对光合作用产生的影响。美国教材主要用不同颜色玻璃纸遮挡灯泡，产生的波长来定量地控制实验因素，巧妙地把物理学的知识和方法作为生物学的技术基础，但和学生的生活联系不如人教版教材。

2.5 实验旁栏部分的比较

美国教材的实验旁栏部分涉及研究背景、数据分享和两幅彩色实验插图。研究背景：“O2是光合作用的产物之一。因为O2微溶于水，伊乐藻等水生植物进行光合作用时会释放出可见的O2气泡。你可以通过测定气泡形成的速度来判断光合作用的速度。”这一部分与人教版实验前介绍相似，都可以帮助学生理解实验原理，为学生动手操作提供铺垫。在实验步骤旁栏部分，插入两幅彩色的实验操作与结果插图，以这些精致的伊乐藻图片代替文字说明，帮助学生更准确地认识生物的真实形态，使抽象复杂的知识更直观化。实验结束时，在旁栏部分给出网站链接，要求学生公布自己测得的数据，并根据其他学生的数据进行综合分析，充分体现出网络生物实验的高效性，解决了实验室的空间限制，同时培养学生独立思考的能力。经分析可以发现，在具体实验过程中，人教版实验可以借鉴美国教材实验旁栏部分，通过增加插图的数量、提高插图的质量来有效地辅助实验进行。

2.6 实验讨论部分的比较

在中美教材实验结尾都设置了相应的分析与讨论。美国教材通过4个问题来引出所要分析的数据，与实验导入提出的问题相互呼应，帮助学生高效地记忆影响光合作用的关键内容，且特意加红列出误差分析一项：为什么每次实验使用相同量的NaHCO3溶液？学生在思考的同时，也能培养严谨的科学态度。人教版注重培养学生的团队合作，将数据分析融入在实验过程中，没有单独列出，但在实验结尾要求开展小组讨论。

综上，我国教材实验设计更趋于生活化，原料和题材都来源于生活，但局限于实验室中的封闭式实验教学，学生的主体性得不到较好的发挥。当然高中学习任务繁重，上实验课时间有限，使得开放性实验较少。美国教材实验重视培养学生实验设计与分析能力，擅于将学科之间的知识相互融合，让学生充分发挥独立思考的能力。通过比较两国教材，可以相互学习和借鉴，共同进步，以便在之后的生物学教材编写以及实验教学中设计出更为符合培养学生生物学学科核心素养要求的实验。