例谈高中生物实验能力的培养
福建省连江第一中学 林燕锋
摘要：将创新思维和批判性思维融入实验教学中，提高学生的实验设计能力。通过课内外相结合的方式，拓展学生的学习渠道，提高学生的学科素养。
关键词：学科素养 多元化 实验设计
《普通高中生物学课程标准（2017年最新修订版）》中提出，生物学科的核心素养包含生命观念、理性思维、科学探究和社会责任。而提高实验设计能力是提高学生生物学科素养的关键。
一、利用经典科学史提高学生进行实验设计能力
在经典科学史实验中，蕴含了发现问题，提出假说，实验验证，得出结论的科学探究过程，以及实验设计的基本原则。通过针对科学史实验，设计问题，有利于学生增强对实验的理解并提高实验设计的基础能力。
例如：光合作用的发现过程中验证绿叶在光下制造淀粉实验，可采取如下步骤启发学生思维：
步骤一：分析实验的自变量和因变量。
学生得出答案：自变量是叶片是否曝光，因变量是曝光部分变蓝，遮光部分不变蓝。而能使碘液变蓝的是淀粉。
步骤二：分析影响自变量与因变量因素。
学生回答1：在该实验中原有叶片存在的淀粉会影响因变量的检测，所以要进行饥饿处理。学生回答2：绿色叶片会干扰因变量的检测，所以要对叶片进行脱色处理，或用碘蒸气处理。
步骤三：分析自变量导致因变量变化的内在原理，得出结论。
上述实验中，学生针对以上问题进行讨论、发言、反馈、修正，最后自然生成结论。通过这种方式，学生能更好理解问题背后隐藏的实验设计的思想和理念，同时也让学生在进行实验设计时，提高对细节问题的处理能力。
类似的实验很多：如证明DNA是遗传物质、植物生长素发现过程、促胰液素的发现等经典科学史实验等，在这些实验中，可通过上述基本的实验思路问题设计，有效提高学生的实验设计能力。
二、正确选择实验材料，提高实验设计水平
在生物实验中，材料的正确选择是实验成功的关键。
例如：在细胞膜的制备实验中，哺乳动物的红细胞是一个良好的材料，而在DNA的粗提取实验中，我们不会选择哺乳动物的红细胞。对于学生要作出正确选择，必须了解实验材料的特性。哺乳动物的红细胞往往没有细胞核与细胞器，这意味着它的膜结构中只有细胞膜，是细胞膜制备的良好材料，但由于缺乏DNA,自然不能用来提取DNA了。在探究温度对酶活性影响中，我们不能选择过氧化氢酶作为研究对象，因为过氧化氢底物本身就会加热分解，会影响温度这一自变量发挥作用。在研究PH对酶活性影响实验中，我们不选择淀粉酶，因为淀粉在酸性条件下会分解，也会干扰自变量。而在验证淀粉酶的专一性实验中，当我们选择底物淀粉和蔗糖时，指示剂就不能选择碘液，因为不管蔗糖有没有被分解，它均不会被碘液检测出来。
所以在实验教学中，除了要让学生对实验材料有充分的认知，还有引导学生考虑实验材料对实验本身的影响。
三、发展批判性思维，提高实验素养
批判性思维是生物学科素养的核心之一，在生物学发展的历史中，正是通过质疑、反思、验证最后发展出新的理论。如在人教版必修3通过激素调节实验中，囿于定论的沃泰默在研究胰液分泌时，得到的实验结果与预期并不一致，但他依然否定自己，屈服在传统理论之下。但斯他林与贝利斯则另辟蹊径，最终发现了促胰液素。所以发展学生批判性思维，培养创新思维是提高学生实验能力的重要途径。
批判性思维分为两个方面，其一是批判性思维精神，其二是批判性思维技能。
批判性思维精神如何建立呢？我们知道，课本上的实验方案尽管是经过专家设计考评的，但是，由于学生本身的技术限制，或是材料的地域限制，很多时候我们需要对方法或是材料选择进行改良。但课本对学生来说往往是神圣的存在，不容更改。所以鼓励学生对课本上的一些实验材料、实验方法、实验步骤、实验装置等各方面进行创新改良，是批判性思维精神树立的良好途径。例如在《检测生物组织中脂肪》实验中，对花生子叶的切片，传统方法是用刀片直接切片，但对学生来说要切出可用的切片，难度很高。有没有更简便的方法？通过讨论，学生发现，只需用刀片刮子叶内外侧，即可获得更薄的切片。再比如，在有丝分裂实验中，课本要求根尖取材为2-3mm，但实际上在解离漂洗染色根尖的过程中，经常找不到根尖，因为太细了。如果改为5mm,最后在制片前再减掉一半长度，效果一样、却更方便高效。实际上，这些只是很小的改动，但这背后反映的是学生积极探索的创新思维和批判式思维。虽然只是一小步，但却是学生核心素养提高的一大步。
对于批判性思维技能的培养,针对学生的典型错误分析讨论是一个的重要途径。例如：在叶绿素的提取和分离实验中，存在一些错误的操作导致实验结果的色素带出现明显的偏离。教师可通过展示不同错误的色素带，请学生分析讨论原因。在这个过程中，学生对实验的严谨性有了更深刻的认识，这对实验设计水平提升是非常有帮助的。
所以在平时的教学中，要有意识地收集学生实验错误的案例。因为一方面这是一个很好的教学资源，另一方面可以使教学更有针对性。
四、课内外结合扩展实验的时间和空间，提升实验水平
生物学科是一门实验性很强的科学，不亲自操作，很难有深刻的认识，而很多实验需要很长的观察周期，如果就依赖课内时间是无法完成的。因此充分利用学生的课余和寒暑假时间，组织学生开展生物兴趣小组活动显得尤为重要。
例如：利用窗台阳台做场地，就可以观察蝌蚪的变态发育；利用花盆就可以种植玉米并进行玉米杂交实验、利用矿泉水制作生态瓶；在家可以做乙醇发酵实验、泡菜制作实验，这些实验可以在课间、课后或寒暑假时间进行，通过兴趣小组的建设能够很好保障这些实验的顺利进行。
这些课外活动的开展，极大提高学生学习生物的积极性。很多过去没被发现的实验设计问题被大量提出，学生的实验设计能力再上一个新台阶。
最后，在日常的教学过程中，要注重理论与实践相结合，不断提高教师自身的科研水平。发挥教师团队的力量，课内外结合，大胆创新，严谨设计验证，制定合理的计划，使学生的实验素养逐步提高。
参考文献
【1】黄芯婷 高中生物学创新实验案例的研发与实践 中学生物教学 2017（11）：45-47
【2】邰玉韦 聚焦多个维度，培养学生的生物学科核心素养 中学生物教学 2016（8）9-11