第四章 生物学实验设计

任何一个科学实验，都是由实验者根据一定的目的而设计出来的。没有设计，就没有科学实验，就没有科学研究，可见实验设计的重要性。

主要内容 第一节 生物学实验设计的含义 第二节 生物学实验课题的选择 第三节 生物学实验的设计 第四节 中学生物学实验设计

第一节 生物学实验设计的含义 一、什么是实验设计 所谓实验设计，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(如生物学、物理学、化学、数学等)，对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定。

二生物学实验设计的原则 生物学实验设计的原则从科学研究的角度分析，包括： ①控制性原则， ②对照性原则， ③随机化原则， ④重复性原则。

1．科学性原则 科学性原则是生物学实验设计的重要原则。所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。

2．可行性原则 在设计生物学实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都具有可行性。

3．简便性原则 简便性原则要求在实验设计时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简化，实验药品比较便宜，实验操作比较简便，实验量化比较简单，实验步骤比较少，实验时间比较短。

第二节 生物学实验课题的选择 实验设计的依据是实验目的和实验原理。

一、生物学实验课题选择的意义 生物学实验课题的选择，就是实验目的的确定，目的明确了，才能进行实验设计。实验设计的题目不明确，或题目没有实际意义，实验方案设计得再好，也是没有用的。

1．研究课题的选择是生物学实验设计的起点 2．课题的正确选择，可以导致科学上的重大发现

二、生物学实验课题选择的途径 提出一个问题或者提出一个需要研究的课题： 1.自然发现，即在自然观察中发现或在实验中的意外发现 2.调查研究，筛选课题

1．意外发现 所谓意外发现，就是没有一定目标、一定方向，在自然状况或在研究其他问题时无意识地、偶然地发现的一个值得研究的新问题。 意外发现的成功是有条件的。 (1)实验者敏锐的观察力。 (2)实验者强烈的科学意识。 (3)实验者不懈的实践活动。

2．调查研究 通过调查研究，可以收集到生物科学发展及现状的有关资料和信息，只有深入细致地调查研究，才能根据所掌握的信息发现新的问题或提出新的课题。实验课题的选择是一项艰苦的研究工作。

第三节 生物学实验的设计 ①实验题目的确定 ②提出假说 ③提出实验的预期结果 ④实施实验方法和步骤 ⑤观察和收集数据；⑥分析；⑦推理；⑧交流。

一、生物学实验设计中的假说 假说就是对自然界或生物学实验中的可以观察到的现象提出一种推测或猜想，但这种推测或猜想不是盲目的，它是在一定的经验材料的基础上，以一定的科学知识(即科学原理)为依据而提出的尚待通过科学实验检验的假说。

1．生物学实验设计中假说的基本特征 (1)假说与实验目的的统一性。 (2)假说的客观性。 (3)假说的推测性和预见性。 (4)假说的多样性。

(1)假说与实验目的的统一性。 在生物学实验的设计中，每一个实验目的(即课题)的确定，都是一个实验假说的形成过程。

(2)假说的客观性。 科学研究中的任何一个假说都不是凭空想像的，而是以一定的客观现象作为出发点产生的。

(3)假说的推测性和预见性。 既然是“假说”，这种学说就带有一定的猜想成分，就不能保证百分之百的正确，因此它具有推测性。但由于它的客观性，并依据一定的科学知识为原理，因此它的推测不是瞎猜，而是有一定的预见性。

(4)假说的多样性。 既然假说具有客观性和推测性，那么根据一种客观现实就可能有几种不同的推测，进而产生不同的假说。

正是由于假说的推测性和多样性，才需要通过生物学实验去证明。因此，提出假说是生物学实验设计中不可缺少的重要环节。

2．假说提出的基本过程 第一个阶段是对大量实验材料的分析整理。 第二个阶段是提出假说的基本观念阶段，即提出可以作为假说核心的基本事实和基本原理。 第三个阶段是从基本观念推导出假说的具体内容，包括对已知事实的解释和科学预见。 这三个阶段不是彼此分割的，而是互相联系的。第一个阶段是假说的出发点和客观依据，第二个阶段是假说基本观点的提出，第三个阶段是假说具体内容的确定。

3．提出假说的基本方法 假说的提出是一个依据感性材料做出理性思考的过程，在这个过程中理性思维起着重要的作用。

二、实验过程的设计 1．实验材料和实验手段的选择 2．生物学实验设计中反应变量的确定和控制

生物学实验课题的确定和假说的建立，为生物学实验设计明确了目的和原理。实验过程的设计是整个实验设计的中心环节，它是依据目的和原理来设计实验中的各个细节，包括实验材料和手段的选择，反应变量的确定和控制，以及操作方法和步骤的安排等，最终通过具体的实验实施来验证假说的正确与否。

什么是反应变量? 可以变化的量叫变量。在科学实验中，对实验反应的结果有影响的变量称为反应变量。

三、生物学实验设计中的预期 预期是实验设计中不可缺少的一个重要环节。所谓预期，就是在实验设计方案确定以后，实验正式实施之前，根据假说和原理，对实验可能出现的结果的判断。

选题 提出假说 确定实验方案 预期结果 实施方案 观察和收集数据 分析数据 修改方案 重新实验 做出结论

第四节 中学生物学实验设计 在中学生物学教学中，培养中学生实验设计的能力是中学生物学教学大纲中所明确的一个目标。中学生物学实验设计的主要目的并不是为获得某一科学领域的结论，重要的是学会实验设计的方法，并在实验设计中培养学生的思维能力和创造能力。

一、生物学实验问题与实验设计 中学生物学教学中，生物学实验问题可以给学生创造一个实验设计的构思。一个完整的生物学实验问题，就是一个实验设计的雏形或蓝图。

该生物学实验问题提供给学生的是整个实验的观察记录，并让学生根据实验记录的数据分析实验结果产生的原因。此题目也给学生一个实验设计的构思，即通过数据分析来获得科学结论的实验方案。

1·运用简易的实验材料来验证某一实验原理，可以设计多个实验方案 2．运用简易装置或仪器一物多用的实验设计

【例1】 实验材料的准备：用小刀在鸡蛋的一端剥去一小块蛋壳，注意不要损伤蛋壳下的那层薄膜，这层薄膜就是鸡的卵膜，是一个理想的半透膜。

生物开放性活动的教学设计

生物学课程与多元智能培养 语言 音乐 就人类的智能发展而言，每一个正常人至少都具有上述的八种智能，但由于遗传与环境因素的差异，每个人在各种智能的发展程度上有所不同，而且也会以不同的方法来统合或揉和（blend）这八种智能。 内省 自然观察者 交往 空间 逻辑数学 身体运动

实践活动的主题设计和方法 1.实践教育思想 教育原本就是起源于劳动实践。而今，教育却远离实践，教师通过单一的讲授让学生获得前人积累的间接经验，使学生的学习过程异化为仅是对知识的“记忆——复现”过程，使学生变成了“知识的容器”、“考试的机器”。诚然，我们承认间接经验学习是一种学习方式，但直接经验学习更是一种重要的学习方式。实践是人们认识事物的基本途径和方法，教育脱离了实践，学生的学习空间是狭隘的，其发展也将是偏缺的。

2.主体教育思想 主体教育思想强调由传统性教育向创新性教育的转变，强调在全面提高学生基本素质的基础上，着力培养受教育者的主体精神，强调尊重受教育者的主体地位，充分发挥受教育者的自主学习能力。联合国教科文组织国际教育发展委员会在《学会生存》中指出：“未来的学校必须把教育的对象变成自己的主体。”

实践活动设计的步骤 1.明确实践活动的目的任务 2.根据学习内容选择活动的方式 3.根据课堂教学情况选择活动的方式 4.生物课程实践活动设计过程中必须处理的基本问题

实践活动的方式 8.讨论和辩论 1.观察与实验 9. 种植和饲养 2.参观与访问 10. 科学欣赏 3.讲座和示范 11.社区和家庭生物学活动 12. 竞赛 13. 科学幻想 1.观察与实验 2.参观与访问 3.讲座和示范 4.专题研究 5.游戏和模拟 6.角色扮演 7.设计与制作

实践活动案例

一、试验探究类 试验探究类活动具有明确的目标性。活动主题依托于课程标准，来自生活和周围环境中学生感兴趣的问题，具有广阔的开放性。对于学生的好奇心、求新求异思维品质形成大有好处。活动是以学生独立探究为主的过程。教师必须全程给予指导。

案例1：什么物质引来了果蝇？ 目的在于使学生了解研究生物学的方法。 1.观察并提出假设。引导学生观察腐烂水果吸引果蝇的因素。根据学生自己选择其中一种因素作为假设。 2.设计实验。学生根据自己的猜测认定某种物质后，选择单一的因素作实验。但其它条件必须是一样，告诉学生什么是“控制可变因素”。学生将假设与实验方法记录下来。 3.进行实验。让学生把实验装置组合好，并编上号，代表实验因素。将实验装置放在条件同样的地方。老师将收集的饥饿果蝇放出，记录果蝇停歇的数量。 4.分析统计结果。 学生结论。

二、调查访问类 调查访问类活动具有很强的交互性。可以弥补现在教育体制中学生适应社会的锻炼不足。促进学生与人沟通、询问、聆听、认同等人际交往的技能的形成。教师在调查访问前，帮助学生形成调查访问计划，有些内容教师可以不必带领学生参加。

案例2：访问妈妈 为使学生了解母亲怀孕、分娩时的心理、生理状况，进一步认识人类生殖过程的体验，增进亲子间的情感交流设计的活动。 1.拟订访问计划。建议从母亲怀孕前后饮食习惯的变化，身体的变化，心理的变化，为新生儿的诞生所做的各方面的准备，自己出生的时间和地点等方面设计需要访问的问题。 2.实施访问计划并做好访问记录。 3.给母亲写一封信，向母亲说说心理话。 4.全班交流。

当妈妈得知怀孕时，心情如何？怀孕初期妈妈是否有呕吐等反应？怀孕期间妈妈爱吃什么样的食物？妈妈是否进行过胎教，怎样进行？你在妈妈的肚子里是否“乖”？出生前，妈妈做了哪些物质上的准备（如小衣服）？妈妈是自然分娩还是剖腹产？你在什么时间出生？在哪儿出生？在场有哪些人？你出生时的体重。身高如何？妈妈怀孕期间还有哪些难忘的事？

三、设计制作类 设计制作类活动是一种创新过程。要求学生从学习要求、材料、产品、美学、社会等关系等多重侧面上切入研究，进行创造性劳动。教师不宜过早介入学生活动，注重欣赏、鼓励、强化对于学生创新思维形成的激发作用。

案例3：制作噬菌体噬菌体模式图 教师要求学生根据课本所示图形，使学生了解它的结构，和侵染细菌的过程。 1. 根据自己手边能找到的材料，设计制作一个噬菌体的模型。 2.计算你的作品和真实的噬菌体的比例。 3.用你的模型演示侵染细菌的过程。

四、种植养殖类 种植养殖类活动是生物课程特有的活动类型，相对要容易，周期长。对于学生形成观察、记录等能力，长期照顾种养对象的责任心的养成都是非常重要的。主要内容是一些植物的栽培、小型动物（如昆虫等）的饲养、食用菌的栽培等。我们也可在无土栽培、组织培养、嫁接、营养繁殖。

案例4：建设小菜园 目的在于使学生感受植物的繁殖能力。 1.教师示范自己培养的红薯。如图所示。 2.布置作业，让学生调查还有哪些植物的根茎可以像红薯一样，经过培养长出食用的嫩叶或开出美丽的花朵。 3.将自己找到的植物，在简单的装置中进行水培。 4.摆放在教室向阳的窗台上每天浇水，保持水分。 5.每天观察，并制作记录表记录变化情况。 6.参观别人的设计，取他们的长处，修改自己的设计，在最小的空间里尽可能多的组合植物。

五、游戏棋牌类 游戏棋牌类活动具有一定的娱乐性。同样可以帮助学生体验科学原理和概念形成的动态过程。对于学生阅读能力、文字理解能力是一种非常好的锻炼方式。下棋是下棋双方和观棋者，共同研讨的过程。棋子和棋盘是模拟推敲生理过程简易“模拟器”。

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