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美国高中教材《生物·生命的动力》网络生物实验研究

[日期:2016-03-31] 来源:中学生物学 2016年3期  作者:刘学廷 [字体: ]

  摘 要 叙述了美国高中主流理科教材《生物·生命的动力》中的网络生物实验注重网络配套资源建设,强化数据采集交流,注重实验结果分析,可以克服时间和空间的限制,培养学生细致观察能力,训练学生逻辑推理能力,引导学生像科学家那样思考、像科学家那样探索,作一个科学的发现者。 
  关键词 网络生物实验 网络资源 数据采集 实验分析 

  根据《美国国家科学教育标准》编写、由奥尔顿·比格斯等编著的美国高中生物学教材《生物·生命的动力》(以下简称该教材)共分上、中、下3册,10个单元,39章内容,供9~12年级(相当于我国的高中学段)学生使用。该套教材设计了数量众多、类型多样的实验活动,包括网络生物实验、迷你实验、技能实验、实验设计、调查实验五大类,总计202个实验。其中网络生物实验是我国高中生物教材中没有的实验类型,下面重点对网络生物实验作简要介绍,试图挖掘“网络生物实验”板块蕴含的内涵和价值,为我国的实验教学提供借鉴。 
  1 网络生物实验介绍 
  网络生物实验指利用网络在线版本,借助于网络平台收集信息、上传数据并进行交流共享,以培养学生的探究能力、提高学生的信息素养的一种实验类型。美国高中生物学教材《生物·生命的动力》共安排11个网络生物实验,分布在11个不同的章节,其中包括“生物数据采集收集、外来动物的相关资料、温度是否会影响酵母菌的呼吸作用、利用网络研究树种、确定一片叶的气孔数目、研究光合作用的影响因素、如何确定植物的表现型和基因型、自然选择与等位基因频率、斑马鱼的发育、研究育种犬的适应性、新兴疾病和再兴疾病”。
  下面是“细胞的能量供应和利用”一章中“研究光合作用的影响因素”网络生物实验具体内容: 
  研究背景:氧气是光合作用的产物之一,因为氧气微溶于水,伊乐藻等水生植物进行光合作用的时候释放出可见的氧气气泡,你可以气泡形成的速度来判断光合作用的速度。 
  实验准备:问题:不同波长的光如何影响植物光合作用的速率? 
  目标:在本次实验中,你将观察水生植物的光合作用、测定光合作用的速率、研究不同颜色的光的波长、观察不同波长的光如何影响光合作用的速率、通过互联网收集来自其他学生的数据并进行比较。 
  实验器材:1000 mL烧杯,带反射镜的150 w的台灯,三株伊乐藻,0.25%碳酸氢钠(小苏打)溶液,绳子,带秒针的手表,垫圈,不同颜色的彩色玻璃纸。 
  安全警示:注意实验过程中,要戴护目镜。 
  实验步骤: 
  (1) 按照左图(图略)安装实验装置。 
  (2) 制作数据表来记录测量结果。每种颜色一栏,另留一栏作为对照。 
  (3) 把伊乐藻放入烧杯,完全浸没在水中。加入小苏打溶液,它能为水生植物提供CO2。注意:每次实验使用的水和小苏打溶液的量应完全一致。 
  (4) 直接把台灯(不用玻璃纸遮光)照射在植物上作为对照,观察何时能看到气泡。
  (5) 观察并记录5 min内伊乐藻产生的氧气气泡数。 
  (6) 用一种颜色的玻璃纸遮住灯泡,然后重复步骤(4)和(5)。 
  (7) 再用另一种颜色的玻璃纸遮住灯泡,重复步骤(4)和(5)。 
  (8) 访问网页:bdol.glencoe.com/internetlab,并在网站上公布你的数据。 
  (9) 清洁与整理,把植物放入水缸中,避免干枯。 
  分析与结论: 
  (1) 观察:氧气气泡是从哪里产生的? 
  (2) 推理:为什么气泡数能代表光合作用的速率? 
  (3) 运用网络:查出你选的颜色的波长。根据你的数据和网上其他学生的数据作一张图表,表示出对照组和实验组的光波波长以及相应光合作用的速率。用一到两句话说明你的图表。 
  (4) 误差分析:为什么每次实验使用相同量的小苏打? 
  数据分享:在下面的网页中(bdol.glencoe.com/internetlab)找到本次实验,并在网站上的数据表中公布你的数据。对网站上其他学生的数据进行综合分析,并扩展你的图表。 
  从实验的流程上看,主要分为“研究背景”“实验准备”“实验步骤”“分析与结论”等阶段。其中“实验背景”主要通过展示实验情境、提出实验的缘由,并提出一些问题,让学生带着问题去进行实验;“实验准备”主要包括“问题、目标、实验器材、安全警示、技能手册”栏目;“实验步骤”列出了详细的操作步骤,包括访问网页获得数据、实验操作、记录观察数据等,实验结束后还要求学生清理实验材料、并分类处理;“分析与结论”主要包括分析数据、理性思维、得出结论、进行推断、误差分析等栏目,最后还要求学生通过专门的网页找到本次实验,并公布实验结果、简述实验设计方案。 
  2 网络生物实验带来的启示 
  美国高中生物教材《生物·生命的动力》中的网络生物实验与迷你实验、技能实验、实验设计、调查实验等类型相比,虽然数量只有11个,约占整个实验总数5.4%,但却给我国高中生物实验教学带来很多启示。 
  2.1 重视网络资源建设 
  现代社会,随着手机、电脑的普及和移动通讯技术以及移动互联网技术的发展与普及,越来越多的人可以通过各种移动终端接入互联网,从而搜索资料、获取资讯、交流信息,因此教学活动也应适应网络化、数字化社会需求。美国前总统克林顿曾明确宣布要“将信息化的力量带到美国所有的学校中”,基于此,美国教育无论从教学内容、教学方式、教育评价等方面都发生了深刻的变化,成为网络时代教育新常态的典型代表。 
  以《生物·生命的动力》教材为例,该教材配置了专门的网络教学平台(bdol.glencoe.com),提供了大量与教学进度和内容相匹配的生物学教学辅助资源,主要栏目有:“节资源”(包括自我检测、微型视频等分栏目)、“章资源”(包括友情链接、新闻、标准化测试、互动导学、章测试、网络实验室、与生物相关的职业介绍等分栏目)、“单元资源”(包括网络探索计划)、“互联网资源”(包括微观链接、虚拟解剖、科学理念等分栏目)、“教师资源”。通过此平台,学生可以获得大量生物学相关知识、动态视频,还可以进行标准化测试,了解学习效果;教师也可以通过此平台和学生或其他教师互动交流。通过网络资源,提高了学生的学习兴趣,拓宽了教学的时空范围,极大地促进了教学质量的提高。
  为配合网络生物实验教学,该网站专门设计了“网络实验室”(bdol.glencoe.com/internet_lab)栏目,该网络页面复制了教材10个单元共11个网络生物实验教学程序设计,包括实验准备、实验步骤和分析与结论,并在实验栏目中专门增加了“上传数据”这一实验数据网络交流分享平台,分享实验数据和心得。对一些实验材料不易获取、实验步骤难以在实验室操作的网络生物实验,还可通过互联网寻找信息,完成实验调查和分析。如“利用网络研究树种”实验中,为了研究“哪些树种最适合种植在你所在的社区街道两侧”,要求学生通过网络收集信息,研究五种不同的树种特征,收集数据并与其他同学的数据进行比较,最终通过数据判断哪种树种适合所在社区栽种。 
  我国《普通高中生物课程标准(实验)》也要求通过高中生物课程的学习,“能够利用多种媒体搜集生物学的信息,学会鉴别、选择、运用和分享信息”,但教材仅停留于提供一些零星的网络站点。各版本高中生物教材虽然也建立了相应的配套网页,也重视相关网络资源建设,如人民教育出版社高中生物网页分为教师中心、学生中心、下载、公告等栏目,“教师中心”还有同步教学资源、课标大纲、教学研究、试题及研究、生物学会、会议报道、个人专辑、视频资源等分栏目,“学生中心”有同步学习资源、复习检测、试题及分析、新学案等分栏目,但由于信息零散、更新速度慢、缺乏互动等因素,导致网络资源利用率较低。因此,系统构建与教材配套的网络互动教学专业平台是首要之举。 
  2.2 强化数据采集交流 
  生物是一门实验性很强的基础学科,实验在生物学教学中占有很重要的地位,为此该教材中安排了202个各类实验。而实验强调通过事实、数据说话,因此,该教材十分重视数据的采集、交流、汇总,并贯穿于整个实验的始终,引导学生养成实事求是、严谨踏实的科学态度。在《美国国家科学教育标准》的“9~12年级对科学探究的基本理解”中也强调“科学探究的结果,即新的知识或方法,得自于各种科学研究和科学家之间的公开交流”。 
  为了显示实验数据采集的重要性,让学生学会数据采集的一般步骤和方法,该教材中的第一个网络生物学实验课题即为“生物数据采集”,并提供专门的数据表记录每次测量的结果,要求学生先观察球潮虫的结构,测量球潮虫的长度。然后将数据记录在数据表中,并通过数据分析球潮虫的“结构是否有序”“对周围环境的反应”。为了提高学生实验数据采集能力,在部分网络生物实验中还要求学生自己学会制作数据表记录观察结果,如在网络生物实验“如何确定植物的表现型和基因型”中,要求学生通过观察两组豆子所培育出的植株的表现型,并“设计一个实验来收集量化的数据”“制作一个数据表记录你的观察结果”,目的是让学生不但要学会记录数据,还要知道记录哪些数据、为什么记录这些数据,提高实验数据采集的必要性、科学性和有效性,便于推断出科学的实验结论。 
  更具特色的是,在收集实验数据后,美国教材还要求学生把自己的实验数据上传到专门的网页,并标注所在州、所属学校名称,便于使用该教材、做该实验的各州学生共享实验数据,交流实验心得,提高实验效果。 
  通过初步掌握收集、整理数据的方法,使学生养成仔细观察的习惯,学习科学的测量方法,也使学生认识到科学研究中数据的重要意义,只有科学的实验数据,才能得出科学的实验结论,为后续实验打下了坚实的基础。 
  我国的《普通高中生物课程标准(实验)》也十分重视实验技能的培养,也要求学生初步学会“客观地观察和描述生物现象”“通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题”,但由于实验目的主要以定性描述为主,实验过程也是“照方抓药”,没有系统培养学生数据收集、整理、交流的能力。因此,实验观察结果应注重定性和定量记录相结合,制定出具体的目标量化指标,并贯穿于实验的始终。 
  2.3 注重实验结果分析 
  在网络生物实验中,除了注重实验数据的采集、整理、交流外,该教材更注重实验结果的分析,意图让学生学会利用归纳、演绎、推理方法从有效信息中分析并总结出科学结论,培养学生逻辑推理能力。因为很多科学结论正是通过分析众多的实验数据得出的,如孟德尔利用豌豆的杂交实验、记录大量的实验数据、通过统计学方法最终发现了遗传的分离定律和自由组合规律。 
  基于此,该教材在实验的最后专门设计了“分析与结论”栏目,通过对实验数据等相关信息进行对比、判断、分析、解释等,进而得出科学的结论。如在实验“研究光合作用的影响因素”网络实验中,要求学生通过记录伊乐藻5 min内观察到的气泡数,推论“为什么气泡数能代表光合作用的速率”,并“根据你的数据和网上其他学生的数据作一张图表,表示出对照组和实验组的光波波长,以及相应光合作用的速率。用一到两句话说明你的图表”。


  考虑到不是每个学生所做实验都是成功的,该教材在每个网络生物的最后专门设有“误差分析”一栏,目的是让学生分析失败的原因,让错误也成为宝贵的学习资源,还可以有效防止“一错再错”。如在“如何确定植物的表现型和基因型”的最后,要求学生公布自己的数据,并提出:“把你的实验设计和其他学生的进行比较,你们的结果相似吗?你们结果的不同可能是什么导致的?”除了要求学生进行误差分析外,还让学生学会减少实验误差的方法,如在网络实验“生物数据采集”的最后,让学生思考“怎样收集或利用数据,才能更准确地对生物体下定义”,提醒学生通过实验数据采集的有效性和真实性来减少实验误差。“研究光合作用的影响因素”网络实验的最后,让学生思考“为什么每次实验都使用相同量的小苏打”,意图告诉学生控制实验的单一变量是减少实验误差的重要方法之一。 
  我国《普通高中生物课程标准(实验)》也十分注重实验结果的分析,要求学生初步学会“利用数学方法处理、解释数据;根据证据作出合理判断;用准确的术语、图表介绍研究方法和结果,阐明观点;听取他人的意见,利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改”。但是在具体实验步骤的设计中,我国生物教材大多主要以定性分析为主,缺少定量分析能力的训练。 
  注重网络配套资源建设,可提高学生学习兴趣、扩大信息获取范围,还可以克服时间和空间的限制,便于学生随时随地学习;强化数据采集交流,可培养学生细致地观察能力、培养学生的合作精神;注重实验结果分析,可训练学生逻辑推理能力,培养学生实事求是的科学态度,引导学生像科学家那样思考、像科学家那样探索,作一个科学的发现者。

 
  参考文献: 
  [1] [美]奥尔顿·比格斯等.生物·生命的动力[M].廖苏梅,曾立等译.杭州:浙江教育出版社,2008. 
  [2] 熊国勇.美国高中《生物》教材中的网络教学活动研究[J].江西教育学院学报(综合),2012,33(6):3. 
  [3] 中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准(实验)[S].北京:人民教育出版社,2003. 
  [4] 罗星凯等译.科学探究与国家科学教育标准[M].北京:科学普及出版社,2004.

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