美国生物教材中的探索类实验

美国生物教材中的探索类实验生物学是立足于实验基础上的一门自然学科。生物学实验正是使学生认识、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，在生物学教材中实验是必不可少的。1《BIOLOGY—Visualizinglife》教材概述美国的生物教材，在实验的安排和设置上不仅兼顾到对学生基本技能的培养，而且还很注重培养学生的探究意识和科学素养。以1998年HOLT公司出版的《BIOLOGY—Visualizinglife》教材来说，全书共分为6个单元：生命研究；生命延续；环境；生物多样性；动物王国；人类。共计35章，设置了34个实验。由于教材注意科学的现代性、实用性和实践性，因此所设置的实验与社会、实践的联系非常紧密。6个实验不仅是简单的、验证性的，同时也安排了有一定难度、富有挑战性的实验活动。这些实验分为三大类：1.1探索类（Exploration）:通过此类活动学习基本技能和技术，共18个实验。例如，制作生态系统模型；测定食物中的营养等。1.2调查类（Investigation）：通过此类活动使学生用学科的技能来解决实际问题，共10个实验。例如，ABO血型的分类——医院的迷惑；分析荷尔蒙的影响——受污染的泉水。1.3交互式探究类（Interactiveexploration）:此类活动通过使用计算机以新的方式预见和控制生物的生理活动，共6个实验。例如，光合作用；囊性纤维化。这三类实验中探索类约占55.6%，这类实验内容有点类似于我国的学生实验，但又有所不同，虽然同样是通过相对简单的实验来训练学生的基本技能和技术，但美国教材的实验与实际的联系比较紧密，有利于提高学生学习的主动性，从而更好地把学生培养成社会中的一员。这类实验不仅包括了实验材料、实验原理、实验过程、实验分析等固定的栏目，而且还设置了实验背景和实验应用等栏目。2《BIOLOGY—Visualizinglife》教材案例探索类实验是实验的主体。进行其他实验所需要的各种技能和技术正是通过此类实验习得的。下面就介绍此类实验的2个例子。2．1制作细胞膜的模型实验背景：一家制造公司将出售一种新型的透析管（由半透膜制成的）。该公司比较担心这种透析管的孔径可能比较大而起不到选择作用。如果该透析管不具备选择透过的能力，公司就无法将其用于销售。你的工作就是检测这种透析管是否具有选择透过性。实验过程：（1）戴上安全护目镜，穿上实验服。（2）取8根干净的试管，分别贴上标有“1”～“8”字样的标签。取2只250ml的烧杯，分别贴上标有“1”“2”字样的标签。（3）在试管1、2中各加入5ml淀粉溶液，在试管3、4中各加入5ml葡萄糖溶液。（4）在试管1、3中各加入两滴鲁戈尔试剂（Lugol'siodine试剂）。在试管2、4中各加入10滴本尼迪特试剂（Benedict’s试剂），并将这2只试管放入沸水中水浴5min。观察4只试管中溶液的变化。（5）在2只烧杯中各加入150ml的水。在试管5、6中各加入烧杯1中的水5ml，分别用鲁戈尔试剂和本尼迪特试剂检测；在试管7、8中各加入烧杯2中的水5ml，同样用这两种试剂检测。记下结果，倒净试管中溶液，并清洗数次。（6）从老师那儿领取两根15cm的透析管（半透膜做成的管），如图1所示在一根管的底部打结，打开管的另一端，注入一定量（例如10ml）葡萄糖溶液，用一根细绳轻轻地在另一端系上作成一个包。用清水漂洗这个葡萄糖溶液透析包，再将它放入烧杯1中。然后用同样的方法做一个淀粉溶液透析包，用清水漂洗后放入烧杯2中。（7）15min后。重复步骤（5）。（8）根据老师要求整理实验用品。打扫实验室。离开前注意洗手。实验应用：（1）仔细思考：为什么渗透管可以用作细胞膜模型?如何判断烧杯中的水是否进入到透析包中?（2）联系职业：调查一下为病人实行肾透析的医师操作一台血液分析仪所需的训练和技能，思考半透膜是如何应用在这种仪器中的。2．2测量一个生理过程的速率实验背景：假如你是一个环境设计师。有一个想出售以温室为特色的花园。因为明亮的色彩可以吸引顾客。其次有色塑料能大量减少光线进入温室，从而保持温室的凉爽。所以他想使用明亮颜色的塑料做温室的建筑材料。但他知道光线颜色会影响光合作用的速率。所以委托你设计。你的工作是决定哪种颜色塑料能使光合作用的速率达到最高。实验过程：（1）戴上安全护目镜，穿上实验服。（2）用125ml水加入25ml溴酚蓝指示剂配成溶液。用麦秆向溶液吹出你呼吸的气体，直到溶液变黄。注意不要让溶液吸入口中。将该溶液装进5根大试管，每根试管的液面距管口3cm，将它们放在试管架上。（3）取5个带玻璃管的塞子，在插进塞子的每一玻璃管中注入一小段具有颜色的无毒液体，且确保它们在塞子的上端。（4）选择5根健康的、绿色的且生长在亮光中的Elodea（一种藻类）的枝条，每一枝条长约8cm左右，在每一大试管中浸没一根枝条，用塞子塞上试管。如图2所示。（5）每个大试管用不同颜色的玻璃纸（红、蓝、绿、黄和无色）以相同层数完全包扎起来，把包扎后的试管放在试管架上，把架子置于亮光下，30min后测量塞子上玻璃管中的液体移动了多少，记录数据。（6）取下试管上的玻璃纸，记录试管中溶液的颜色。（7）根据老师要求整理实验器具。打扫实验室。在离开前注意洗手。实验应用：（1）仔细思考：是否可以通过其他的实验给你的顾客以更好的建议?（2）联系个人：可见光中含有大量的红光，荧光中含有大量的蓝光。哪种光线能提高室内植物的光合速率?请解释原因。（3）联系职业：环境设计师的工作是研究环境对生物的影响。调查一下成为一名环境设计师所需的训练和技能，以及他们所从事工作的类型。3实验特色分析从实验的设置来看，在操作前都给出一个具体的生物情境，给学生一种身临其境的感觉，加深对学生的刺激，使学生将实验与实际相结合，教会他们如何具体问题具体分析。因此学生学得很主动、轻松，并且通过实验对所学的知识印象深刻、理解透彻、经久难忘。尤其这些生物情境都与某种职业有关，可以使学生了解到这种职业，对他们将来的就业选择起到一定的指导作用。第一个实验虽然过程简单，但是有了一个特定的生物情境之后就有了一定的深度，使一个简单实验有了实用性，提高了学生运用理论联系实际的能力。而且这种具有情境的实验类似于角色扮演的游戏，有一定的趣味性，容易提高学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。第二个实验较难想到光合作用的速率与现实生活中的联系，而这样一个简单情境的给出扩大了学生的视野，使他们了解到环境问题不仅指污染、人口等，还包括更大的范围，因而对环境工作者的职业了解更全面，从而既提高了他们的科学素养，又加深了学生对某种特定职业的了解，有利于将来的社会就业。在此实验中，测定的光合作用的速率是产氧速率，因为只是比较哪种光能促进光合作用，所以测定的是相对速率。它通过测定玻璃管中溶液的移动这一具体过程来测定所产生的氧气，使学生能简单具体的比较光合作用的速率。在实验的设计上，又比较注重科学的思维方式。通过在试管上包上不同颜色的玻璃纸，从而给以不同的单色光这样一个简单的物理方法，就解决了实验中的变量问题，同时启发学生发散性思维，不要被学科、时间或空间所局限。另外，这个实验将光合作用和呼吸作用形象地联系起来，如果通过这个实验再去讲解光合作用和呼吸作用的联系及区别，就会化抽象为具体，化平淡枯燥为生动有趣，使难变易，加深学生理解，取得较好的学习效果。3．2从实验的应用来看，它通过“仔细思考”达到对实验的进一步分析，锻炼学生的发散思维。例如第一个实验名为“制作细胞膜作用的模型”，而实验过程测的是透析管的选择透过性，它通过实验应用使学生思考“为什么渗透管膜可以当作细胞膜模型”，使实验变得完整。第二个实验的“仔细思考”则是锻炼学生考虑问题不要局限于一点，要多思考。而联系职业则要求学生自己去探究关于某种特定职业所需的训练和技能，从而加深对此种职业的了解。美国中等教育所担负的三重任务之一是提供一种使用的职业技术训练，也就是为了培养能在社会中生存的人。因此教材很注重对学生的就业指导，学生通过学习可能对某种职业产生兴趣，他们自己再通过一些探究了解这种职业，这对他们将来的就业具有一定的指导作用。教材的探索类实验使学生体验了生物科学工作者的性质，从中学到科学的思维和研究的精神，并且所设计的一系列实验不仅注意到学生能力的培养，而且注意到现代生活、现代技术和现代职业的多层次需要。注：1鲁戈尔试剂通过使淀粉溶液变成蓝黑色来鉴定淀粉溶液。2本尼迪特试剂通过使葡萄糖溶液变成砖红色来鉴定葡萄糖溶液。配方：无水硫酸铜1．74g溶于100ml热水中，冷却后稀释至150ml。取柠檬酸钠173g,无水碳酸钠100g和600ml水共热，溶解后冷却并加水至850ml。再将冷却的150ml硫酸铜溶液倾入。