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高中生物学实验教学研究综述

日期:2019-06-24     组别:生物组     作者:吴圣潘     浏览量:742

中学生物学实验教学及材料筛选研究发展简析

                                          吴圣潘     

                        1浙江省温州中学  浙江温州 325014)

   通过文献研究法,简要概括和分析了国内外生物学实验教学的发展与改革趋势,简要总结了国内外中学生物学实验教学中材料筛选研究状况,研究表明国内外中学实验改革向着课时量多、面广,并且形式多样,以探究性实验为主等几个方向发展。国内外中学生物学教师都比较关注实验材料筛选研究,但是进行系统的、全面筛选研究的很少。

关键词  生物学实验教学   改革与发展  材料筛选  

1 前 言

生物学是一门以实验为基础的自然科学,实验是生物学的灵魂和生命。生物学实验是生物科学产生和发展的基础,生物科学的每一次重大突破,都和实验密切相关。著名物理学家丁肇中在诺贝尔奖颁奖典礼的答词中说:“我希望由我这次得奖,能够唤起发展中国家的学生们的兴趣,使他们注意实验工作的重要性。” [1]他的成功得益于实验。中学生物学教学实验是使学生认识、经历科学的研究历程,领悟科学家的思想观念、科研方法和过程,也是使学生逐渐建立起科研意识,并潜移默化地影响其思维和决策,形成良好的情感态度与价值观的过程。因此生物学实验教学是中学生物教学重要的组成部分,是实现中学教学目标的基本途径和方法,在生物学教材中实验是必不可少的。自20世纪80年代中期开始,以美国和英国为代表,在全世界范围内掀起一场新理科课程改革运动。在这场运动中,科学探究被置于理科课程(包括生物学课程)的核心地位,成为改革浪潮中一面最为鲜艳的旗帜。其中生物学实验是最重要的一个发展学生科学探究能力和科学素养的途径之一。同样,我国最新一轮的基础教育改革也把科学探究作为科学改革的核心。国家教育部2003年3月31日公布了新的《普通高中生物课程标准》,将提高全体学生的生物科学素养作为课程的宗旨,明确将探究性学习作为基本的理论之一。基于以上背景,笔者通过大量的文献研究,对生物学实验教学的发展趋势,以及实验材料与方法改进研究状况,进行简要分析,为一线教师提供参考。

2 国外生物学实验教学改革与发展趋势

21世纪以来,生物科学的发展是以现代生物科学理论和现代生物学实验作支撑,21世纪对人才的要求,需要更多地具有创新意识和丰富的实践经验的高素质人才。高中生物课程担负着培养具有实验、实践能力和创新意识的未来社会人才的任务。生物教学改革在全世界范围内受到前所未有的重视。美、英、澳、韩、日、新加坡等国生物实验课改革的趋势是[2]:(1)重视受教育者科学素养的培养,其中人的探究意识、创新意识的培养为其核心内容。(2)把科学探究作为学习科学的中心环节,它是培养学生的创新精神和实践能力的重要途径。许多国家不断加大探究活动的比例。(3)高度重视实验教学,国外生物课高度重视实验,实验在教学内容中占了较大的比例[3]。例如:英国1996年出版的《GCSE生物学》全书分为83节,每节都有“动手做做”栏目。英国教材《生物学引论》将观察、实验有机地融入课文中。课文的编排是按提出问题、实验活动、再提出问题,再实验的方式,处处闪烁着科学研究的火花。就连课后习题也伴随着问题探究,如“无氧呼吸”的课后有:在制家酒之前,为什么要将制酒容器消毒?为什么胶木军适宜做面包?你以为人吃面包多会醉吗?理由是什么?酒精浓度过大,酵母菌会死亡,这对制酒和酿造有何重要意义?赞成或反对利用微生物生产酒精作为汽车燃料的理由是什么?将生产成本、对环境的影响以及你能想到的问题考虑进去,并设计实验说明是否正确。总体上说,英国生物学实验教材最明显的特点就是实验数量多,单从具体教学内容上看,共安排了220个课堂实验,几乎每个知识点的讲解都配有数个学生实验,实验的课时加起来超过总课时数50%[4]。美国BSCS教材,由2000位生物学教授、专家、中学教师、教育家、心理学家和艺术家共同开发,于1963年9月正式出版。此教材的内容主要是让学生在实验的基础上进行探索式的学习 。其中绿色版本共列出72个实验,实验的课时数加起来超过总课时数的50%,加上教学参考资料中的补充实验共150个。其中实验大多为探究性实验,教学内容的学习基本上都是先安排学生进行实验,让学生根据自己观察到的现象和事实,在已有知识的基础上进行分析和讨论,最后形成新的概念和观点,建立起自己的知识体系。BSCS教材的第一节课就是让学生通过实验学习“观察”。实验包括讨论90分钟。实验内容是由教师准备10份不同的生物标本(包括活体和制作的标本),让学生分组观察,并作记录,然后,让学生互相查看记录。

美国1993年出版的《现代生物学》全书53章,每章都有一个实验。1998年HOLT公司出版的《BIOLIGY——Visualizing life》教材全书共6个单元,设置了34个实验,其中有18个探索性实验,10个调查实验,6个交互式探究实验。美国、日本、俄罗斯等国家的生物学教材实验内容大致为50%,并以探究性实验为主[5]。澳大利亚的生物课全部在生物实验室或科学教室上,实验室两旁都连着准备室和资料室,有专门的实验员或助手事先准备好实验材料,而且教师也非常重视实验,会尽可能地安排实验[6]

总之,目前国外中学实验改革向着课时量多、面广,并且形式多样,以探究性实验为主等几个方向发展。对学生来说,实验内容是没有学过的新知识,是未知的,故实验过程就是学习新知识的过程。世界发达国家尤其注重生物学实验课中学生的创新能力的培养和发展,同时尽量采用廉价的,简单的材料和方法进行实验。

3 国内生物学实验教学发展与改革趋势

31从生物学课程实验数变化,看生物学实验教学的发展历程

近百年来,我国经历了不同的历史时期,随着各个时期的政治经济形式的不同,以及生物学科学的发展状况,中学生物学实验教学也随着生物学课程的设置和教材发展有了不同的特点。从1902年开始,生物学教育开设博物课程,包括植物学、动物学、生理卫生,并开始规定开设实验。1909年清政府学部将动植物学实验安排进了课程表内, 1912年《中学校令实施规则》第一章第8条中就明确规定必须开设实验,1932年颁布中学课程标准,规定每2周看一次实验课,每次2课时。随后实验的数量和类型越来越多,实验教学越来越引起重视[7]

1990年版旧教材中只有5个实验,其中一个还是选做实验,而且都是验证性实验,2003年新大纲教材中实验数量明显增加,必修教材安排了12个实验,4个实习,6个研究性课题,4个课外生物科技活动;选修教材安排了3个实验,1个实习,1个研究性课题,3个课外生物科技活动。而且实验形式多样,包括实验、实习、研究性课题、课外生物科技活动等,从实验的性质来分类,可以将实验分为观察实验、定性和定量分析实验、模拟实验、基本技术操作实验、模型制作、学生自行设计实验、调查、收集并交流信息等类型。人民教育出版社出版,由朱正威、赵占良主编的新课标教材,更加强化实验教学,无论是实验的数量还是实验的形式都大大增加。仅必修教材中就有19个实验,而且在重视定性实验的同时,也重视定量实验,让学生在量的变化中了解事物的本质,同时实验类型多样。实验占总课时数不足20%[8]

我国台湾地区,高中3年有4个学期要做生物学实验,每个学期的生物学实验在20个左右。供台湾中学一年级上下两学期之用的《台湾中学生物科全书》,共12章和3个附录,就有33个实验,每章少则1个实验,多则5个实验。其中设计的实验所需的设备比较简单,材料容易找到,方法简单易行,要求每个学生都能认真操作[9]。国外及港台教材实验的设计更为巧妙,更为严谨。如香港《新编生物学》中有关呼吸作用的一章就安排了7个实验,分别介绍动物呼吸放热、植物呼吸放热、动物呼吸释放C02,植物呼吸释放CO2ATP作为能源物质能迅速的被有机体利用,种子的无氧呼吸和酵母菌的无氧呼吸。而且对实验装置用途的解释和对实验的改进等内容在习题中占了很大的比例。

3.2生物学实验教学研究展望

进入新世纪,实施新课程,生物学实验教学提供了新的发展机遇,发展和改革趋势主要表现在以下几个方面[10]

3.2.1 教育观念的转变

现代教育的兴起,包含一系列教育观的转变。主要有:教学重心由施教转为受教;教学范围从学校扩展到社会;终身教育以及素质教育等。因此,生物学实验教学中完成传统教育观念向现代教育观的转变,是促进生物学实验教学由“应试教育”向“素质教育”转变的首要条件,也只有如此才能更好地促进生物学实验教学的健康发展。

3.2.2 实验内容的更新

传统的生物学实验教学,虽然也有知识、操作及各种能力的要求,但其核心仍停留在基础知识的学习和基本技能的培养上,追求反复记忆和重复训练的次数,其结果只能培养大量模仿型或熟练操作型人才。这显然已经不能完全适应当今以培养学生实验创新能力为核心的素质教育需要。因此更新生物学实验教学内容势在必行,主要表现在实验的数量和类型的增加。从实验的类型上看 ,应既有验证性实验,又有探究性实验;既有训练基本技能的实验,又有帮助学生学习科学研究的一般方法,发展科学探索技能的实验;既有定性分析实验,又有定量分析实验。

3.2.3 教学方式方法的突破

变传统封闭式的实验教学为开放式的实验教学,变简单的验证性实验为探究性实验。开放实验室,让学生自己采集和准备实验材料,设计实验,增加实验过程中的探究因素,培养学生的实验能力、探究思维能力和创造能力,是试验教学改革的中心问题。

3.2.4 教学评价的完善

变终结性评价为过程性评价,采用试卷与操作结合的实验考核方式,对每个实验都制定出相应的实验细则,对学生的实验态度、实验设计、实验操作、实验结果等进行综合评价。使学生实验的积极性获得提高,使每节实验课都能获得良好的效果。

3.2.5信息技术在实验教学中的应用

随着信息时代的到来,包括计算机技术、多媒体技术、网络技术、信息技术在内的现代教育技术已在生物学科教育领域开始应用。例如:电脑模拟实验,摆脱实验教学时间、场地和人数等方面的限制。多媒体网络技术为教师及学生提供了多种信息的获得渠道,网络上丰富的生物学科资源更让学生有机会身临其境地观察到各种自然现象,并可以通过网络向专家请教和交流。因此,信息技术正在并将继续深刻地影响着生物学实验教学。

4 国内外中学生物学实验教学中材料筛选研究状况

生物学科研离不开取材,取材是否得当与科研成功与否密切相关。孟德尔因为正确选取严格自花传粉又具有一些稳定的、易区分性状的豌豆为材料,才最先发现了遗传规律,成为遗传学的奠基人。摩尔根选择了果蝇为遗传实验材料,由于其繁殖速度快,容易培养,才完善和发展了孟德尔遗传规律,成为现代遗传学之父。在减数分裂的研究史上,McClung和他的学生们功不可抹,他是性染色体发现者,我们现在所说的X染色体就是沿袭他的说法。他做的许多细胞学研究都是以蝗虫为材料。原因之一是因为那时在他所在的地方,这种不花钱的动物资源丰富。这种材料在他以后的研究中起到很大的作用[11]。生物学实验研究中这样的例子举不胜举。同样道理,中学实验教学中的材料选择是决定学生实验成败的关键。

4.1国外生物学实验材料筛选研究

联合国教科文组织在1968年第十五届大会上重编了《理科教学实验手册》[12],该书汇集了全世界各国教师在理科教学中使用常见而又易得资源和材料进行科学实验的知识。该书旨在为学生自己进行简单的科学活动,科学研究和实验以及就地取材制作简易科学设备提供指导思想。本书指出,在一国之内,各地的资源因地而异,国与国之间的资源更有所不同,教师在教学中应根据学生的需要和教学的具体情况,因地制宜就地取材。本书说明20世纪各国对中学实验中的材料问题都非常重视,各国的教师在材料的地区筛选上做了一定的研究。新世纪,全世界掀起一轮新的课程改革,各国纷纷把实验教学置于非常重要的地位,一线教师对实验材料的筛选做了比较多的研究。如美国Sacred Heart Griffin High School的Mary Jo Osborn老师对DNA的粗提取和鉴定提出了材料改进意见,提出采用洋葱和猪肝做材料效果较好[13]。而Kathy Paris老师选择了动物的睾丸或卵巢来提取[14]。《SCIENTIFIC AMERICAN》中介绍有些老师选择了香蕉、大蒜、番茄等水果蔬菜作为材料提取DNA[15]

另一方面美国教材中实验选材考虑比较科学,能更接近自然和学生生活,实验效果比较明显,如就植物蒸腾作用观察实验,美国教材选择水栽植物,该材料的好处能长时间生活在某种溶液中,适合于进行比较长时间的实验。香港教材相同实验是选择盆栽植物,更接近自然,但是不能观察植物由于蒸腾作用水量的下降现象。而国内江苏教材中实验材料是没有根无叶和有叶枝条,枝条插在水中。这种的选择有很大问题,首先与真实的自然状态相差太远,植物一般不会生活在这样的自来水中;其次植物吸收水分主要是通过根,只选植物的一根枝条放在水中。体现不出植物吸收水分的部位,与现实不相符合[16]

又如英国教材[17],它们的实验内容贴近学生日常生活,实验设计多采用低成本的器材,操作简单,对客观条件要求低。如“基因在遗传中如何分离”的实验,其方法是取4个大小一致的空烧杯,从左到右编号依次为12341号杯里装50粒黑豆,2号里装黑豆和白豆各25粒混匀,然后闭上眼睛,双手分别伸入12号杯中各拿出1粒豆,再睁开眼睛。若取出的2粒黑豆则放入3号杯中;若取出两粒一黑一白,则放入4号杯中。当所有的豆都取出后,计算一下3号和4号杯中有多少对黑豆?4号杯中有多少对黑白豆?这些原本看似枯燥复杂的实验,经过匠心独运的设计编排和巧妙的选材,不但删繁就简,化难为易,而且贴近生活,寓教于乐,从而激发了学生动手的欲望和学习的兴趣。

4.2国内生物学实验材料筛选研究

   国内随着课程的改革和发展,课程教材实验的增多,一线教师对实验材料筛选给予了极大的关注。2003331日颁布的《普通高中生物课程标准(实验)》中就对有关实验材料指导性规定:“生物学教师应创造条件,就地取材、因陋就简地开设好生物学实验。我国地域辽阔,生态环境和物种分布差异很大,课程标准提供的活动建议难以适应各地学校的条件。教师要根据实际情况,尽可能采用比较规范的实验仪器设备完成实验,条件不具备时,要充分利用当地常见的材料或废弃材料设计低成本实验,提高实验或其他活动的开出率。”,课程标准在“课程资源的开发利用”中还指出:“应高度重视学校生物实验室建设,积极营造良好的实验、实践环境,同时也应鼓励学生和教师充分利用身边廉价的器具和材料,设计富有创造性的实验和实践活动。”[18] 

1994年到2011年初,中国知识资源总库查询可知,我国教师对中学生物学实验材料的研究,关注经典实验的比较多,关注新增加、难度比较大的实验比较多。以各个实验名称为主题词搜索统计,具体数据如下:可溶性还原糖、蛋白质、脂肪的鉴定(0篇,其他检索补充9篇);观察叶绿体和细胞质的流动(12篇);植物细胞质壁分离和复原(46篇);叶绿体色素的提取和分离(60篇);渗透作用演示实验(36);过氧化氢酶与Fe3+催化效率的比较(0篇,其他检索补充8篇);植物向性运动的设计(0篇,其他检索补充5篇);植物细胞有丝分裂过程观察(364篇);DNA的粗提取和鉴定(8篇,补充检索总计43篇);种群密度的测量(0篇,其他检索补充2篇);分离定律的模拟(0篇,其他检索补充6篇)等。2012年、2013年和2014年发表的相关论文的篇数继续上升。应该说一线教师已经比较重视实验教学,也对实验材料进行了较多的筛选尝试,但是他们的筛选都比较零散,缺乏系统性的归纳与整理研究。而且大多数教师还是按教材去教学生做实验,甚至以没有材料或者找不到材料为理由,不开实验课。实验教学的研究明显滞后于实验教学。

基于以上现状分析,国内教师对中学生物学实验方法和材料进行系统筛选的很少,绝大多数是对个别实验进行改进研究。随着新课程的实施,多样化教材的使用,给中学生物学实验教学改革带来新的机遇和挑战。因而在中学开展以“实验方法与材料筛选”为突破口,系统地对新课程教材实验的材料进行本地化、生活化的筛选,对实验方法的拓展和创新,促进中学生物学实验教学改革是非常有价值和必要的。

主要参考文献:

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[13] (美)乔治·C·洛比尔.戴儒光等译.中学科学活动设计与示范[M].北京:华夏出版社,2004:208

[14] Lazarowitz, R., and P.Tamir.Ed. By D.L.Gabel.MacMillan.Research on using 

laboratory instruction in science [ J ].  In: Handbook of research on science

teaching  and learning. Publishing Company, New York. 1992.

[15] 董钦. “DNA粗提取与鉴定”实验的改进[J],生物学通报,2002,37(10):46

[16] 曹志江.国内外有关植物蒸腾作用现象实验的比较与思考[J],生物学通报,2003,38(9):23-24

[18]  教育部.普通高中生物课程标准[M]2004:24

 

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