验设计的思维能力训练初探_生物论文

　　实验是指从某种理论或假设出发，为突出研究的实验因子，有意地控制某些条件，促使一定的现象产生，然后对其结果进行分析，得出有关实验因子的科学结论的方法。实验设计就是对以上过程所作的一种扼要的计划、架构。在以能力立意的高考命题中，与此有关的内容所占比例越来越大，但这类题目的解答需要较强的思维能力，学生往往感到困难。在备考复习中怎样才能有效地提高学生实验设计的思维能力呢？下面就此问题作初步探讨。

　　现代心理学家奥苏伯尔和鲁宾逊提出了解决问题的模式（图1）该模式认为：解决问题（这里指实验设计）的过程就是填补从已知条件到目标（实验目的）之间的空隙或差距的过程。在此过程中需要涉及背景命题（认知结构中与当前问题的解答有关的事实、概念、原理）、推理规则（作出合理的结论的逻辑规则）、策略（选择、组合、改变或者操作背景命题以达到目标的一系列规则）等方面的知识及其加工过程。其中熟练掌握及准确提取背景命题是解决问题的基础，教师和学生对这方面的训练都应高度重视。至于推理规则及策略，与实验设计有关的包括逻辑思维方法及实验设计的一般方法等，这些知识在教材中是隐含存在的，并没有系统地讲授，常常被忽略，但它们对问题的最终解决起着决定性的作用。因而在进行专题复习时，应该强化这两方面的知识，再通过变式练习进行系统训练，从而提高学生实验设计的思维能力。

　　1 推理规则的训练

　　可通过指导学生对教材中有关的研究、实验所采用的思维方法进行归类分析，提高学生思维的逻辑性。如：

　　此外，还有分类、归纳、演绎、分析和综合等思维方法。分析每种思维方法还应包括它的作用、条件、要求、范围、类型等内容，如充分条件的假言推理中，依据小前提对大前提的前件或后件肯定或否定，推出的结论有的属必然性的，有的属或然性的。

　　2 策略训练

　　策略的功能在于减少尝试与错误的任意性，节约解决问题所需的时间，提高解答的概率。如指导学生分析教材中的实验处理，从中归纳出实验设计的要素，为解题提供策略指导，提高学生思维的深刻性。

　　2．1明确设定实验因子和反应因子

　　实验因子是指实验所操纵的因子，反应因子是指由操纵实验因子所引起的变化（即实验结果），它们的确定是进行方案设计的前提。如在“酸碱度对酶催化作用的影响”的实验中，实验因子是溶液pH值的变化，反应因子是酶催化作用的强弱。

　　2．2有效控制无关因子

　　所谓的无关因子并不是与实验效果无关，而是指除实验因子外也影响实验效果的因子，只是这些因子不是本实验所要探究、关心的实验因子。要考察实验因子所产生的效果，就要对无关因子进行控制，这是实验设计最显著、最重要的特点，是实验设计应遵循的基本准则。最常用的控制无关因子的方法主要有：

　　2．3成功操纵实验因子

　　我们正是通过操纵实验因子来观察或测量反应因子的变化的，因此实验因子的成功操纵是实验的核心。如离子交换吸附实验中的实验因子是溶液中有无离子，因此能否确保对照组中的液体无离子（实验因子的操纵）是实验能否成功的关健。

　　2．4科学观察反应因子

　　实验结果是否准确，也取决于确定的观察或测量指标是否得当、是否合理、是否全面、是否清楚。如在上述“酸碱度对酶催化作用的影响”实验中，加入碘液以观察溶液有否变蓝及变蓝的程度来确定淀粉酶是否起作用及催化作用的强弱。

　　3 变式训练

　　选取新情景下的典型习题，用循序渐进的方式进行训练，以提高学生思维的系统性及灵活性。

　　首先针对某个具体实验提出与设计方案有关的问题，引导学生用以上规则分析，促使学生加深对规则的理解。如题1：下图是测定光合作用速度的仪器。使用时在密闭小室内放一新鲜叶片，用不同强度的光照射。小室内气体体积的变化可根据毛细管内水柱的移动距离测得。请据下图回答：

　　（1）为什么要在密闭的小室内进行实验？

　　（2）为什么要加入二氧化碳缓冲液及使用恒温水槽？

　　（3）怎样测定光合作用的速度？

　　（4）为了防止光照引起小室内的物理性膨胀或收缩所造成的误差，可采用对照实验对结果进行校正，请说明其原理。对照组小室内应放置：[]

　　A．同样大小的新鲜叶片和水

　　B．同样大小的死叶片和缓冲液

　　C．同样大小的纸片和水

　　D．同样大小的死叶片和水

　　[分析]该题的实验因子是光照强度，反应因子是光合作用的速度；控制无关因子的方法有消除法：密闭小室能隔离外界无关因子的影响；恒定法：加入二氧化碳缓冲液及使用恒温水槽就是使二氧化碳及温度这两个无关因子保持稳定，以免对实验造成影响；平衡法：如第（4）小题采用对照实验平衡无关因子并校正实验结果。其原理是运用比较思维，把实验组与对照组置于除实验因子外其余条件完全相同的情况下，所得的实验结果不同，可归因为实验因子的作用。所以实验结果可用实验组与对照组的数据差而得以校正。这里的实验因子是有无光合作用，反应因子是小室内气体体积的变化。因而除光合作用外，对照组应与实验组的其他条件完全相同。观察反应因子的方法：根据毛细管内水柱的移动距离测得小室内气体体积的变化来测定光合作用的速度。所以在密闭小室内进行实验，除了隔离外界无关因子外，还能保证准确测量光合作用所导致的气体体积的变化。（解答略）

　　然后选择要求设计方案的题目，指导学生按以上规则解题，促进学生对规则的掌握及迁移。如题2：关于昆虫抗药性的成因，有人认为是农药作用于昆虫而使它们发生了变化；也有人认为昆虫本身就存在抗药性的变异，农药只是对抗药性强弱不同的个体起选择作用。请利用果蝇、DDT及必要的工具设计一个实验，为检验上述两种观点提供证据；预测及分析实验结果。

　　[思路]

　　实验目的：检验果蝇的抗药性变异是本身存在的还是DDT引起的。

　　背景命题：自然选择、人工选择等观点

　　推理规则：假言推理

　　大前提：如果果蝇的抗药性变异是DDT引起的（前件），那么世世代代没接触过DDT的果蝇不会产生抗药性（后件）。

　　小前提：通过实验检验后件的真假。

　　结论：①若否定后件，则否定前件。

　　②若肯定后件，则前件可能成立。

　　设计要素：

　　实验因子；在抗药性形成的过程中不接触DDT

　　反应因子：能否产生抗药性

　　操纵实验因子的方法：用人工选择代替DDT的选择作用。

　　观察实验因子的方法：将果蝇分成等质的两组，用一定浓度的DDT处理其中的一组，观察死亡率的高低，以此判定另一组有否产生抗药性。

　　控制无关因子的方法：消除法：用锥形瓶隔离；平衡法：设立对照组。

　　[解答]

　　实验步骤：

　　①每只锥形瓶放入一雌一雄果蝇，繁殖几十个同父同母的家系。

　　②每一家系都分成两半分养两只瓶中，其中一只瓶中加入一定浓度的DDT。

　　③观察DDT瓶中的果蝇，如果它们的死亡率高，那么整个家系（两只瓶）都被淘汰；如果死亡率低，则把另一只瓶的果蝇留下作种，仍按上述处理。一代一代地选择下去，直至几十代。

　　④用DDT检测人工选择所得果蝇的抗药性。

　　结果预测及分析：

　　①如果世世代代没接触过DDT的果蝇产生了强抗药性，则果蝇的抗药性变异是本身就存在的。

　　②如果世世代代没接触过DDT的果蝇不产生抗药性（或极弱），则果蝇的抗药性变异可能是DDT引起的。

　　综上所述，通过加强逻辑思维方法等推理规则及分析实验设计的要素等策略的训练，有助于提高学生实验设计的思维能力。