高中生物实验的科学性探索
张 敏
实验是自然科学研究的基本方法和检验标准。在高中生物教学中,实验能够反映、揭示和验证生物规律和原理,提高学生生物科学素养、培养学生实践操作、细致观察和对比分析等学习方法,形成辩证和综合分析问题的科学思维。因此,实验的科学性是生物实验创设的首要原则。在教学中创设实验时如何正确地评判实验的科学性值得深入探讨。
一、实验原理的科学性
实验教学是直观、形象的教学,能将抽象的知识通过具体的实验现象呈现给学生,让学生获得直接经验。当然,我们不能只停留在实验现象的观察和结论的获取上,要更多地通过实验去探究其科学原理,不能只追求实验现象是否与预期一致,更要看出其符合什么定律。
如:在必修Ⅰ渗透作用的教学中,先让学生观察渗透作用现象后,设问:当长颈漏斗内液面不再上升时大烧杯与长颈漏斗内的溶液哪一侧浓度大?引导学生分析思考并解释后,再设计实验让学生用质壁分离实验来判断大烧杯与长颈漏斗的半透膜两侧溶液浓度大小。我在设计好方案后让学生小组合作实施操作并组间交流,最后得到正确的答案。在复杂有趣的实验中学生体验真实的实验现象,并积极思考,使抽象的知识变得形象,并由感性认识上升到理性认识,科学地理解细胞吸水与失水的原理。通过这样的小实验,学生对科学实验的每一个环节都留下了深刻的印象,在潜移默化中提高了学生的实验动手能力。
二、凸显学科特色
许多自然现象是是物理、化学和生物等自然科学的规律的综合体现,所以有时生物实验也需要运用其他学科的科学原理来揭示原因。如:在学习“DNA是主要的遗传物质”一节时,“噬菌体侵染细菌”的实验现象很具体直观,但结论却很抽象。很多学生只是识记实验结论,却不清楚该结论是如何得出的,特别是分不清“DNA是遗传物质”“DNA是主要遗传质” 的区别。为此我在教学中让学生用化学知识去理解“放射性同位素标记”技术,用物理知识去理解“离心”技术,再将生物知识与理、化知识结合起来,通过设计问题串,引导学生抽丝剥茧,找到问题答案。因此,实验教学中将实验现象、原理与教学目标紧密结合,再与自然学科中的其他学科联系起来,让生物实验既具有科学性,又能凸显学科特色。
三、挖掘实验“误差”的科学价值
自然科学实验是教师与学生在操作中完成的,因此实验结果往往会出现较大的误差,甚至是相反的结果。我认为任何实验的结果,无论是否符合预期,都是科学规律作用的产物,实验误差同样也包含着科学原理,也是实验活动的科学收获。如:选修Ⅰ中“微生物数量的测定”有这样一道题目:从土壤中分离产脲酶细菌的实验中,将10 g土壤样液梯度稀释,在3个培养基平板上均接种倍数为105 的土壤样液0.1
ml,培养一段时间后,平板上长出的细菌菌落数分别为42、200、256。则1 g土壤样品中的细菌数量为___个。很多学生得出的答案为:1.66×108 (其实这个答案是错的)。同时学生对42这个数据如何处理存在疑问:是否需要舍弃?如果需要舍弃标准是什么?选修Ⅰ课本上对于稀释涂布法计算菌落有如下表述:为了保证结果准确,一般选择菌落数在30~300的平板进行计数。在同一个稀释度下重复3次实验得到的数值分别是42、200、256且都在规定的30~300菌落数范围内,这个答案的错误就说明生物实验只要按正确的步骤进行操作,尽管结果存在误差但是实验仍具有科学价值。相反实验“误差”的存在也从侧面说明现实的环境对微生物培养影响因素很复杂。后期对实验中的“误差”进行原因查找和反思改进,引导学生从从多个角度去分析原因。实际上科学的实验就是要不断地进行“试错”和“纠错”,才能赋予实验更多的生物学原理的内涵。学生也获得了探索科学原理的体验,培养了学生实事求是、百折不挠的科学精神,这也是在“失误”的实验中包含的科价值。
四、辩证地看待实验的演示性和科学性
复杂的环境因素决定了许多生物实验与生物事实间存在一定的差距。因此辩证地评价生物演示实验的演示性和科学性是很重要的。一方面要基于学生的认知水平和现实的实验条件,另一方面实验不能仅追求演示的作用,科学性是实验基本的出发点,实验至少要从一定的角度去解释、验证和运用生物学原理。如:选修Ⅲ中“基因表达载体的构建”是基因工程的核心环节,也是该节知识的重点和难点。学生对为什么要用两种限制酶分别切割目的基因和运载体困惑。如何构建一个合理的基因表达载体是学生在学习时思维聚焦点。为此,我设计了一项演示活动化解了学生思考的难点。我用画有碱基对的纸条模拟目的基因和运载体作为活动的素材,先请学生用同种的限制酶切割目的基因和运载体并模拟用DNA连接酶将四个相同的黏性末端连起来,这项活动让学生产生两点质疑:①四个相同的黏性末端完全相同,DNA片段会自身环化;②目的基因在表达载体上的连接可能是反向的,这校舍地影响目的基因的表达。看来用同种的限制酶切割目的基因和运载体不是最好的方法。设问:可以用不同种限制酶吗?让学生继续活动找答案,学生拿起手中的纸条兴奋地比划起来……通过让学生亲身活动体会通过对照比较,可以让学生由表用里、由浅入深、由简入繁、由单一变综合,帮助学生逐步达成对重点、难点问题准确全面的理解。
总之,正确地把握好生物课堂中的表现活动(实验、野外实践、演示),凸显学生的思维活动和表现活动的辩证关系,合理地设计好实验程序,对于高中生物课堂是一个有价值的研究视角,值得每一位教育工作者的思考与实践。