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摘 要 ：在我国第8次课程改革中,科学探究在生物课程教学中得到了广泛重视.实验设计能力是科学探究能力的重要环节,在高中生物教学中有意识地对学生进行实验设计能力的训练,有利于发展学生的科学探究能力,提高学生的科学素养.
关 键 词 ：实验设计；能力训练
中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）36-0184-02
在我国第8次课程改革中,科学探究在生物课程教学中受到了广泛重视.实验设计能力是科学探究能力的重要环节,在高中生物教学中有意识地对学生进行实验设计能力的训练,有利于发展学生的科学探究能力,提高学生的科学素养.
一、实验设计及其流程
实验设计是指在正式进行科学实验之前,实验者根据一定的目的和要求,运用有关的科学知识原理对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定.一个完整的生物学实验设计一般包括以下七个方面：把握实验目的、明确实验原理、选择合适的实验材料、确认变量、确定实验类型、设计合理的实验装置和实验步骤、预期实验结果.
二、高中生物教学中对学生进行实验设计能力训练的过程和方法
实验设计能力不是短时间内能达到的,需要较长时间的学习.在教学中,教师应遵循学生学习的认知规律来教学,才能更快、更好地提高学生实验设计的能力.现以人教版必修一第五章中《比较过氧化氢在不同条件下的分解速率》实验为例,阐述教师对学生进行实验设计能力训练的过程.
1.把握实验目的.准确把握实验目的,明确实验要解决的问题.把握实验目的才能确定实验设计中的自变量,才能明确运用相关原理进行实验设计.本实验的目的是比较过氧化氢在不同条件下的分解速率.
2.明确实验原理.实验原理是实验设计中的灵魂,是实验方法、实验手段、实验操作过程和实验结果分析等所依据的科学理论.本实验的实验原理是：新鲜肝脏中有较多的过氧化氢酶.经计算,质量分数为3.5%的FeCl3溶液和质量分数为20%的肝脏研磨液相比,每滴FeCl3溶液中的Fe3+数,大约是每滴研磨液中过氧化氢酶分子数的25万倍.
3.选择合适的实验材料.实验材料的选择要符合如下要求：一是易于实现实验的目的,二是符合实验原理,三是容易获取,四是便于观察,五是利于操作.本实验选取猪肝作为实验材料,是根据实验目的和实验原理,同时考虑了猪肝在当地容易获得,又比较便宜.
4.确认变量.变量,是指实验过程中可以变化的因素或条件.根据其在实验中的作用,通常可分为两类：一类是自变量与因变量,另一类是无关变量与额外变量.实验的关键在于严格地操纵自变量以获取因变量,同时要严格地均衡无关变量以减少额外变量.本实验量的确认主要包括自变量、无关变量和因变量三个方面,具体阐述如下：自变量是反应条件（即本实验研究的对象）,操纵方法是2号试管水浴加热（即高温）,3号试管加入质量分数为3.5%的FeCl3溶液（即无机催化剂）,4号试管加入过氧化氢酶（即生物催化剂）.本实验探究的是在这三种条件下,过氧化氢分解速率的问题.所以因变量是过氧化氢的分解速率,通过观察试管中气泡产生量的多少及卫生香燃烧的情况来检测,无关变量是过氧化氢的量及浓度等,控制方法是每组实验都保持一样.
5.确定实验类型.实验方法有多种多样,如按实验在科学认识中的作用可分为析因实验、对照实验、模拟实验等,其中对照实验是高中生物实验的常见类型.处理一个因素以外,其余因素都保持不变的实验叫做对照实验.对照实验一般要设置对照组和实验组,从理论上说,由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的,被平衡了的,故实验组与对照组两者之差异,则可认定为是来自自变量的效果.因此,对照的目的在于进一步消除无关变量对实验结果的影响,以增加实验结果的可信度.按对照的内容和形式上的不同,对照实验分为空白对照、自身对照、条件对照和相互对照.本实验中1号试管属于就是空白对照组,因此本实验属于空白对照.
6.设计合理的实验装置和实验步骤.设计具体的实验装置和实验步骤时,要注重引导学生依据实验设计的原则来设计.实验设计的原则有平衡控制原则、对照性原则、随机性原则、重复性原则等,每一个原则的制定都有其科学理论的依据,都是在严密的科学思维的指导下制定的.因此,实验设计的原则为实验过程和实验结果的准确性提供了可靠保证,是实验设计必须遵循的理论准绳,同时也是评价实验设计正确与否的基本准则.根据本实验的目的、原理及实验设计的原则确定实验装置和实验步骤（略）.
7.预期实验结果.所谓预期,就是在实验设计方案确定之后,在实验正式实施之前,根据假设和原理,对实验可能出现的结果的判断.如果预期在实验结果中出现,则假设成立；否则假设被否定或可能是实验设计中或操作过程中出现了一些失误,这就需要寻找原因,修改设计方案,或重新进行实验操作.根据实验目的及原理,预期本实验的结果是：4号试管产生的气泡最多,卫生香燃烧最猛烈,3号试管次之,第三是2号试管,而1号试管几乎不产生气泡.
三、教师对学生进行实验设计能力训练的要点
1.研究经典实验寻找实验设计思想.生命科学史中的经典实验蕴涵着丰富的生物学知识,科学思维方法以及艰难的科学探究历程.经典实验在高中生物教材中列举了很多,如酶的发现、遗传定律的发现等.教师在教学过程中注意引导学生挖掘其中隐含的科学思维,领会科学研究的一般方法,并从这些经典实验中学习设计实验的方法.
2.注重学生思维能力的训练.在生物教学中,教师应注重学生思维能力的训练,激发学生的思维积极性,训练学生的思维操作技能（即分析、综合、比较、抽象和概括等）,培养学生的思维逻辑性,从而提高学生科学的思维能力,为其实验设计的实作训练奠定基础.
3.强化学生实验设计的实作训练.实验设计能力要在长期的实验设计训练中逐步形成.在教学过程中,可布置一定量难度适宜的实验设计题,让学生尝试应用实验设计的方法设计实验,强化学生实验设计的实作训练.在进行一定数量的实验设计训练后,教师要及时给予点拨,并引导学生交流探讨设计成果,总结出生物实验设计方案的基本思路,巩固实验设计方法,提高实验设计的能力.
总之,在生物教学中,通过训练学生的实验设计能力,切实发挥学生的创造性思维,培养学生的探究能力和自主创新能力,进而真正有效提高学生的生物学科素养.