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1、创新技法在生命科学实验改进中的应用上海市莘庄中学 贺伟摘要：以往有关生物学实验改进的研究，多是实验改进个案的说明，有目的性的运用科学方法改进实验的做法则很少。本文介绍了运用创新技法改进生命科学教材实验的一些尝试，并对实践中的经验进行了总结。关键词：创新技法 生命科学实验改进生物学作为一门实验科学，实验对于生物学教学十分重要。它不仅能提高学生学习生物学的兴趣，激发学生学习生物学的积极性，同时对于提高学科教学质量，全面落实培养科学素养的目标，具有其它教学内容和形式所不可代替的作用。因而，现行的生命科学教材增加了实验数量，实验形式也从过去侧重模仿性实验和验证性实验转变为以探究性实验为主。这使得学生的
2、动手能力、观察能力、知识的运用及自主探究能力有了更大的提高，充分体现了“以学生发展为本”的教育理念。但是，教材不是“王法”，教师只有根据具体情况对生物学实验进行不断的改进和创新，才能使生物学实验更切合教学实践和创新教育的需求，最大限度的发挥其在生物学教学中的作用。创新技法是指导人们进行发明创造的方法，是根据创造性思维发展规律和大量成功的创新实例总结出来的一些有规律性的原理和程序，具有很强的方法论意义1。运用创新技法使得实验的改进更具目的性和可操作性，有助于克服习惯性的思维定势，提高实验改进的效率。1 创新技法的选择与实验改进的方案目前，科技创新活动中流行的创新技法多达300余种，本文所涉及的主
3、要是在实验改进过程中较实用的组合法、强化法、缺点列举法和希望点列举法等。1.1组合技法的运用组合创新是按照一定的规律或某种关联因素特征将一些相关的生物实验进行组合，构成新的实验方案的实验创新技法1。其实只要能够将已有的生物实验进行合理组合，使其具有某种新的功能，也就是对原有实验的创新。例如：“实验4.2探究影响光合作用的因素”。原实验方案主要观察了光照和CO2对光合作用的影响，将温度对光合作用的影响放在了课后的“进一步探究”中，这样安排容易让学生忽略温度对光合作用的影响。但实验证明，温度对光合作用的影响很大。因为三个因素相对独立且都对光合作用具有明显的影响，所以在实验改进时考虑运用组合技法将三
4、者有机整合。将原方案实验方法修改为：杯号光照温度CO21光照高2光照高3光照低4黑暗高5黑暗高6黑暗低注：负号表示不含CO2的冷开水，正号表示含CO2的NaHCO3溶液。温度的高低相对而言，温度高一般不可高过25，因为温度过高水中CO2含量会降低2。新的实验方案在没有增加实验使用的烧杯数量，不增加步骤的情况下增加了原方案中忽略的温度一项的探究，并对光照一项加大了对比力度。组合创新技法的应用非常广泛，在实验创新中占有相当大的比重。再比如，针对“实验7.1探究植物激素对植物生命活动的调节作用”中提出的“如何提高测量的准确性”的问题，有学生设想将显微测微技术与本实验结合，从细胞水平上对生长素的作用予
5、以量化，这一想法恰与当年的高考试题吻合。当然，组合技法并不只是将几个生物实验的简单联接和共同演示，在运用时应注意：首先，组合应该是在对原先实验进行变形的基础上再将它们进行有机整合；其次，经过组合的实验应具有原先实验所不具有的教学功能；第三，组合的实验应易操作，仪器装置应简单明了，避免因实验繁杂影响教学效果和重点。1.2 强化技法的运用强化技法是指增加关键的需感知部分的强度，以突出研究对象1。生命科学教材中部分实验由于外界条件、实验材料的选择及实验设计本身等原因导致实验现象不明显。这样不仅无法达到实验的目的，甚至会给学生带来一些负面影响，因此就需要对实验结果加以强化。例如在“演示实验 小麦胚芽鞘
6、的向光弯曲”中：用刀片在小麦胚芽鞘纵向浅切一条实线作为标记。一段时间培养后，胚芽鞘尖端标记仍是实线，下端的实线变为虚线。经过这种强化可形象的显示出胚芽鞘尖端不生长，胚芽鞘下端生长，使得实验结果更直观可信。1.3 缺点列举技法运用缺点列举法是指积极挖掘现有实验的缺陷，把实验的缺点一一列举出来，然后提出改进或革新方法的一种技法1，在实践中最易普及且行之有效。任何事物都不可能尽善尽美，同样许多生物实验方案都会因为实际情况的不同而表现出一定的局限性。而这些实践中产生出的新问题往往很容易引起学生的好奇，教师如果能给予正确的引导，那么这种好奇就可以转化为实验创新的动机，进而产生新的课题。实践中运用缺点列举
7、法可以遵循以下步骤。确定与实验有关的各种信息-根据确定的信息列举缺点-针对缺点的改进性设计-新的实验成果例如，实验“通过膜的扩散”，在演示过程中失败的次数较多。分析原因主要是因为按照教材提供的装置，淀粉溶液容易渗入烧杯所致。针对实验中的问题，我们组织学生在课堂上尝试运用缺点列举法进行实验改进。在逐项分析实验的目的、材料、结构后，学生确定该实验存在的缺陷主要有：1、透析袋在烧杯中无法固定；2、透析袋端口不易扎紧；3、灌液时溶液容易沾染在透析袋外表面。针对上述缺点，学生提出了多种改进措施，最终确定将原实验装置A改为B、C组合装置，其中B为漂洗及检验装置，C为反应装置。将透析袋两端口扎好，用细绳系在
8、玻璃棒上，将玻璃棒至于烧杯顶端，透析袋的下半部浸没在水中。实验时透析袋灌液量应小于容积的2/3，先将透析袋在B中漂洗3秒并检验透析袋的密闭性，然后再进行相关实验，如C所示。这样就有效避免了淀粉溶液的外渗，改进后的实验装置更具科学性，且简便易行，实验效果很好。1.4 希望点列举技法的运用希望点列举技法是指通过列举有需求价值的希望点形成创新课题方法。它不同于缺点列举法，希望点列举技法从创新者的意愿出发，是一种积极主动的创新方法。人类的很多创造发明都源于改造世界发展自身的希望，生物实验的创新也是如此。希望点列举的过程就是创设情景引导探究的过程。运用希望点列举技法的一般步骤为：（1）确定实验；（2）列
9、举希望点；（3）制定实施细则1。例如：“实验3.4 观察叶绿体与细胞质基质的流动”。考虑到由于该实验安排在11月下旬，气温较低，实验结果不是最佳；加之教材未详细说明各种因素对实验现象的影响，为学生留下了一定的探索空间。我们在演示该实验后鼓励学生利用希望点列举法，重新设计实验方案。首先，引导学生通过讨论，列出实验改进的希望点：1、实验取材应更方便；2、所定位的观察对象代谢活动相对更强；3、在实验室中人为加强细胞的代谢活动；4、改进后学生的操作尽可能简便。然后，提供教学网址和生物学杂志，指导学生以小组为单位，课后根据提出的希望点有针对性地搜集资料，并确定实验方案。接下来对学生的设计进行选择，并以此
10、为标准准备实验。最后，学生根据所设计的方案分组实验，并在此基础上交流讨论确定出了最佳的实验方案：（1）选择较易采集的黑藻或大白菜的表皮毛3。（2）实验时，观察黑藻叶片中脉及其周围叶绿体比较少的细胞。因为此区域的指向性较强且由于细胞水分供应充分，细胞质流动快。（3）提高黑藻周围水温并增加光照 4。这项工作由教师在实验前2030分钟准备。（4）在制作好的黑藻叶片水封片上用引流法滴加浓度为1%的KCl溶液。学生经过自主探究和体验，不仅可使实验根据教学进度顺利进行，自身信息处理和实验设计能力也得到了提高。当然，实验的创新技法远不止上文提到的这些，许多技法都有其内在的联系与相似性，在实验的创新过程中可选
11、择一种或几种方法融会贯通地使用。2 运用创新技法改进实验时应处理好的几种关系创新技法的运用使实验改进更具有指向性，拓宽了学生参与科技实践活动渠道，提高了学生自选课题和实验设计能力，一些成功的案例甚至可以成为校本教材的编写素材。但在实际中，运用创新技法改进实验也容易矫枉过正或流于形式。因此在操作过程中应注意处理好以下几种关系：2.1 基础知识、基本技能与创新实践的关系在实验中开展创新实践活动，并不意味着要弱化学生基础知识掌握和基本技能的训练，学生的创新是以已有的知识水平为基础的，否则创新活动就将成为无源之水。因此，改进实验时应该领会教材的编写意图，基本的实验操作方法必须保留，不能单纯强调实验结果
12、的可观赏性。如在质壁分离实验中，为了提高实验成功率，通常在制作临时装片时直接滴加蔗糖溶液，而舍弃“引流”技能的训练。这是不利于学生实验技能提高和后续发展的。2.2 验证性实验与探究性实验的关系生命科学教材更强调培养学生的创新意识及实践能力，因而实验的形式也以探究性实验为主（约占实验总量的47%）5。探究性实验通常更关注学生的经历和体验，有效的将基础知识的获得、基本技能的训练和独立索取知识的能力的培养统一起来，利于学生的主动发展。但这并不意味着要运用创新技法将验证性实验都变成探究性实验，而是应该根据自身的教学实际，选择适当的实验形式，培养学生的各种能力。 比如，高一学生的实验技能和自主探究的能力
13、相对有限，我们在教学过程中就适当加大演示实验的力度或将学生自主探究改为教师控制下的探究性实验6。如“实验2.2 探究影响酶活力的因素”，实验仪器较多，过程相对繁琐，学生大多盲目跟从教师，达不到实验目的。因此我们将部分内容改为教师演示，这样不仅示范了仪器的正确使用方法，也为学生留下了更多的探究时间。高二学生经过一年的学习和实践后，已经具备了扎实生物学实验技能，和一定的自我创新意识。对于他们则尽可能的创设自主探究的情景和机会。2.3 创新方案的产生与落实的关系学生运用创新技法改进实验的活动往往存在着实验设计与最终落实的矛盾，很多方案的后续的实验因为教学时间的限制没有开展。然而，实验是检验设计可操作
14、性的唯一途径。学生只有经过亲身的体验和实践才能不断的发现问题和解决问题。因此，应该在学期之初结合课标中的各项能力目标对教材中的实验做好统筹安排，有选择、有重点地选取部分实验让学生参与改进。此外，学校可以尽可能地开放实验室，为学生进行探究提供有利的空间和实践机会。2.4 学科独立性与学科间综合性的关系运用创新技法改进实验时通常会应用到许多交叉学科的知识，比如上文提到的“通过膜的扩散”实验的改进，就需要学生综合运用一些基本的物理和化学实验技能。这对于鼓励学生学以致用，提高综合素质很有裨益。但生物学实验应该以保证生物学教学重点为前提。实践中一些改进实验过分强调了学科间综合性，以致实验原理和装置都很复
15、杂，分散了教学重点，这种做法应该尽量避免。运用创新技法改进生命科学实验的过程往往不是一帆风顺的，但这也正体现出科学发展坎坷曲折的特征。通过借助实验中产生出的实际问题引领和启发学生系统地运用创新技法进行实践研究，使得实验的改进与学生创新精神的培养有效地结合起来。学生通过自身的参与和体验，对生物学实验的改进产生了浓厚的兴趣，感受到了科学探究的艰辛和成功后的喜悦，并逐渐养成勇于质疑、善于思考的习惯。不仅实验操作、思维推理、合作交流等各项能力不断提高，自身个性发展的需求也得到满足，实现了认知与情感的和谐发展。参考文献1刘仲林. 中国创造学概论M. 天津:天津人民出版社,2001.2张志良等. 植物生理学实验M. 北京:高等教育出版社,2003,85-86.3郄银东等. 生物学实验改进点滴J. 生物学教学,27(4):50.4张恒泽. 观察叶绿体和细胞质流动实验的改进J. 生物学教学,27(4): 52-53.5徐界生. 上海市高中生命科学教材使用中的几点认识J. 生物学教学,28(3):68-69.6杨金红. 中学生物实验改进的思路J. 教学仪器与实验,17(5):4.
