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浅淡高中生物的实验创新和实验教学中创新能力的培养
发布时间:2015-04-07 11:04:17 浏览次数:1230

长沙市一中   高建军

 

生物学是一门以实验为基础的自然科学。生物学实验教学不仅是验证理论知识的手段,还是激发学生探索兴趣,培养学生的观察、操作能力,启迪创新意识,提高创新能力的重要途径。在实验的过程中,从实验设想的产生到实验方案的设计,从实验结果的分析到实验报告的完成,每一步都蕴含着创新的火花。因此,适时进行生物实验的创新,能有效培养学生的创新能力,符合时代要求。

    创新能力是一种智力活动,需要一定的知识储备,同时它更是一种发现问题、积极探究的心理倾向。创新能力不仅是一种智力特征,更是一种综合素质。创新能力主要包括创新思维能力、创造想像能力。在实施实验的过程中,各种需要思考的实验因素,为创新思维提供了源泉;直观的实验现象作用于感官,为创新思维提供了直接刺激;改进实验器材和步骤,为创新活动提供了条件;实验过程中出现的各种失误,为创新精神增添了动力;实验的圆满完成,为创新设计提供了成功的机会。上述因素都为创新素质的培养提供了素材,随着实验条件的不断完善,更为创新素质的培养提供了机会,也提出了挑战。因此,生物学实验教学是培养创新能力的重要途径。

    培养创造“前所未有”的能力,可以从创新层面的“重新发现”,尤其是从“重新组合”着手。无论用“无中生有”说明“创造”,还是用“有中生新”描述“创新”,都没有阐明“有”是如何从“无”、或“新”是如何从“有”里产生的。事实上,世界上绝大多数的创造发明,都是原有事物的“再次发现”和“重新组合”,产生质变后才表现为“前所未有”,或“有中生新”,任何人都无法脱离自己的经历去凭空臆造。

一、高中生物实验创新的途径

    湖南省教育厅、省教育生产装备处分别于2007年11月和2009年11月连续举办了两届全省中学生物教师实验创新大赛,我省中学生物教师队伍中涌现了一大批实验创新能手,他们通过多媒体课件展示出实验的创新点,并进行现场实验操作,取得了非常好的实验效果,他们的经验具有非常重要的指导作用,很值得推广。现简要总结如下:

(一)大赛中实验创新的精华荟萃

1.实验材料的创新

(1)光合作用实验的材料:黑藻、水绵

(2)色素提取分离的材料:小叶女贞等

(3)渗透作用

 

2.实验原理及实验方法的创新

(1)验证细胞壁和细胞膜的通透性

(2)脂肪的鉴定:植物油(油渍)+苏丹Ⅲ

(3)渗透作用实验:牛奶用双缩脲鉴定(大分子物质不能通过)

(4)探究光照强度对光合作用强度的影响:定性→定量

3.实验装置的改进

(1)渗透作用装置的改进

(2)探究细胞呼吸装置的改进

(二)实验创新应注意的问题

1.必须明确实验创新的目的和意义

   (1)太简单,一目了然的实验无需创新

(2)最基本的实验技能无需创新

(3)将学生分组实验改进为教师演示实验的无需创新

(4)实验拓展(将初中实验拓展到高中实验的无需创新)

2.教师演示实验的操作规范问题

(1)显微镜的操作

(2)试剂的量取

3.教师的言行规范问题

二、高中生物实验教学中培养创新能力的方法

1.激发创新意识

    创新意识是一种愿意发现问题,积极探究的心理倾向,是创新的动力源泉。创新意识的养成是以创新思维的形成为标志,并内化成创新人格的过程。在生物实验中,应充分发挥主动精神,创造民主平等的地位,敢于提出问题,敢于面对要解决的问题,这样才能有效地激发出创新意识。许多调查结论都指出,学生普遍具有创造潜能,在适当的教育下,可能会在许多个体身上发展和显现。当然,限于生理年龄特点,我们无法要求所有学生在中小学阶段都具有很强的创造能力,但创新意识的培养则必须从青少年时期开始。

    建立起一种民主、宽松、信任的教学氛围,营造创新的“土壤”和“气候”。在这样的教学氛围中,学生消除了胆怯和依赖的心理,不怕出错和失败,积极动手动脑,大胆尝试,从而为培养创造性思维开辟了广阔天地。为了使学生能自由自在地发表意见,消除学生的心理障碍,学生在轻松自由的氛围中就能无拘无束,各抒己见;在实验过程中,有些学生因操作错误等导致观察不到正确的实验现象,教师应帮助学生进行分析,找出问题的症结所在;同时要以宽容的态度看待学生的错误。

创新意识是创新素质培养的前提,因为创新素质不仅表现为新思想、新技术和新产品的发明创造,而且表现为善于发现问题、求新求变、积极探究的心理取向。创造意识包括强烈的创造激情、探索欲、求知欲、好奇心、进取心、自信心等心理品质,也包括具有远大的理想、不畏艰险的勇气、锲而不舍的意志等非智力因素。

例如,人们对光合作用的认识就经历了300多年的探究过程,是多位学者几代人通过大量实验研究的结果;达尔文的生物进化理论,是他通过对环境考察所得的大量原始资料认真研究,花费了毕生精力创立的;孟德尔也是经过了8年艰辛的杂交实验,才总结出了遗传的两大基本规律等等。这些生物科学史都是培养探索真理、激励创新精神的良好素材。对植物生长素的研究过程、验证酶的催化作用的实验等,则反映了学者们在设计实验时如何通过建立对照实验,使所得的结论更加真实可靠。孟德尔在做杂交实验时,观察了大量的实验群体,并严格地用实验值进行遗传统计分析,没有因理论值和实验值的差异随意修改实验结果,反映了实事求是的科学态度。从这些实验中学到科学的思维方法和实验方法,为进一步设计实验打下基础。只要我们注意对经典实验进行学习研究,吸收其中蕴藏的精髓,活学活用,对培养创新意识并提高创新新能力,是很有启发作用的。

针对实验中的各个环节提出问题、发现问题,想一想产生结果的原因(或实验失败的原因),有没有改进的方法,能否用不同的方法得到相同的结论等等,这样就可以进一步去开阔自己的思路,发现新的奥妙,这样就有可能在一个实验中再一次地激发创新意识,发展创新思维。

例如:“叶绿体色素的提取和分离”实验中,要得到符合要求的四条色素带,必须特别注意滤液细线的处理——细。课本中介绍用毛细吸管吸取少量滤液,但制作毛细吸管比较麻烦,并且易损坏,不易保存。如果不满足现成的结论和方法、手段和途径,则可以寻求更好的途径,能不能用现成的盖玻片的一边缘浸在滤液中,再按一条线,这样的方法能否取得好的实验效果。 

创新从问题开始。创设民主、和谐、平等和宽松的氛围与情境,不断地发现问题、思考问题和解决问题,在宽松的情境中敢疑、会疑、善疑和释疑,在质疑和释疑及设计实验的过程中发展创新思维。例如,在研究玉米幼苗的向光性实验中,观察幼苗向单侧光源弯曲的现象时就可能产生如下疑点:究竟是因为幼苗内部的胚芽在向光弯曲,还是因为幼苗外部的胚芽鞘在向光弯曲?或者是因为幼苗内部的胚芽与外部的胚芽鞘同时向光弯曲呢?如何解决这些疑点,可以采取在玉米幼苗早期环割掉外部的胚芽鞘,只保留胚芽,放在单侧光下实验观察。结果发现:环割后单侧光照射一定时间后,胚芽既无明显的生长又不向光弯曲。由此推论:幼苗的向光性与胚芽鞘有着直接关系。

2.启迪创新思维

强烈的创新意识仅仅是创新素质的起点,创新思维才是创新素质的“内核”。创新思维往住从疑问和惊奇开始。教育家陶行知先生说过:“发明千千万,起点在一问。”我国古代学者也曾说过:“疑者,觉悟之机也,大疑则大悟,小疑则小悟。”学贵有疑。通过设疑,可以激发思维的火花,教师的教学重点和难点在于挖掘生物学知识中的思维价值,把思维过程揭示出来。同时根据教学重点和难点,设计思维活动,选择能开发启迪思维能力的内容并设计成疑难问题。美国的一本高中生物教科书《现代生物学》中在讲到“自然选择”时安排了这样一个实验:用尺子测量100粒花生仁的长度,并用坐标图表示出来,算出平均值、最大和最小值与平均值的差距,并与其他同学得出的结果进行比较。然后分析以下问题:(1)影响花生仁大小的因素是什么?如果环境变化使大花生仁成为一种有利变异,该花生种群将朝着什么方向发展?(2)描述对大花生仁有利的环境变化。你能想出什么样的环境变化对小花生仁是有利的吗?(3)为什么大多数花生仁不像最小的花生仁那么大?(4)你怎样才能确定一个性状(如花生仁非常大)是遗传的结果还是环境影响的结果?就这样一个简便易行的小实验,运用了测量、统计、比较这些生物学上最常用的研究方法。对实验结果的分析,有利于进一步理解自然选择理论,并且有利于培养思维能力;本实验中提出的最后一个思考题,并不能通过本实验得到答案,尚需设计新的实验,这又有利于培养创新思维能力。

    创新思维是有创见的思维,是改组已有知识、经验,从而产生新的具有社会价值的思维。在实验中发现新问题,要经过大脑加工,思维分析,去伪存真,找出本质性的东西,才可能去创造。。当碰到一些新问题、新情境时,运用已有的认知结构理解不了它,就必须突破原有框框的束缚,实现认知或实验的飞跃、跃迁等质变的思维活动。通过有关情境的创设和适当的点拨,发展求异思维。大胆质疑,不迷信书本和教师,有自己独到的见解,跳出已有的“条条框框”,打破思维定势,进行知识的迁移重组,不拘泥于所谓的“标准答案”而畅所欲言,充分发挥其想像力,这就是培养创新思维的有效途径。

3.掌握创新的方法

    (1)学会选择实验材料

    高中生物必修实验中,实验材料主要涉及洋葱(根尖、根、鳞叶表皮)和新鲜的菠菜叶子等。为什么要选用洋葱和菠菜呢?选择实验材料的标准:一是取材方便;二是操作简便;三是效果明显。其中主要是效果明显,务必保证实验效果。

    例如,紫色洋葱表皮细胞的特点是液泡呈紫色,原生质层和细胞壁区分明显,在显微镜下观察质壁分离现象非常清晰、易见。而白色洋葱表皮细胞,也能发生质壁分离现象,但没有这些特点,所以做“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验,选用的洋葱表皮要紫色的,不要白色的。

    生物实验材料的适当选择是实验成败的关键。选择生物实验材料的原则是:①可控性;②稳定性;③可行性;④来源可靠、经济易得;⑤繁殖快、周期短。依照这些原则(称为五项原则),在实验中引导学生根据本地实际情况,探究、发现新的实验材料,培养学生的创新精神。例如,在“生长素的发现”探究实验中,达尔文等科学家选用的是金丝雀草、燕麦来做实验材料。而这两种材料都很难找到,从多角度观察、对比、分析、验证,用“筛选法”选择用玉米幼苗做实验材料,不仅材料易得,而且效果好,可操作性强,实验能取得成功。又如,在探究实验中还发现可以用韭菜叶和萝卜叶取代教材中的实验材料——菠菜。因为韭菜叶中含丰富的叶绿素a和叶绿素b,萝卜叶中含丰富的叶黄素和胡萝卜素,因此在“叶绿体色素提取”实验中层析后出现四条明显的色素带,利用新材料取得了好效果。

    只要掌握了选用实验材料的三条标准和五项原则,因地制宜、因时制宜选择实验材料,不受书本所述的实验材料的限制去寻找探索新的实验材料,那就是进行知识的迁移和创新能力的培养。

  (2)尝试改进实验方法

  上实验课时,对于实验步骤的具体操作方法,可适当考虑加以改进,就是换另一种方法操作,更有利于实验效果,因为教科书上讲的操作方法并不是惟一的。例如,制作洋葱根尖装片,在压片时,可以用铅笔带橡皮的一头敲压根尖,使细胞分散开,不一定非要用书上讲的用手指压片的方法。又如提取菠菜叶片的叶绿体色素,加入2mL丙酮,可以如书上讲的一次性加入,也可以分两次加入,这样可以防止研磨时间过长,丙酮过度挥发。

    对实验中所用的试剂及其浓度,也可以像选择实验材料一样,提出能不能用别的试剂代替,能不能改变试剂浓度等问题。例如能不能用食盐溶液代替蔗糖溶液,使洋葱表皮细胞发生质壁分离现象?蔗糖溶液浓度由30%增大至40%,洋葱表皮细胞会不会加快发生质壁分离现象?像这样对实验方法提出问题并进行讨论,可以深化学生的实验知识,从而培养学生创新能力。假如有学生提出新的实验操作方法(包括改变试剂浓度和换用另种试剂),并且这种方法是科学合理、切实可行的,那就是创新能力的表现,就该大力提倡和表扬。

按照教材中所提供的材料、方法、操作过程做实验,多数是可以取得好效果的。但有些实验由于材料采集难度大或反应速度慢,持续时间过长等原因,可以尝试新的实验方法以消除原实验中的弊端。例如,“动物激素喂养小蝌蚪”,验证动物激素对动物生命活动的调节作用的实验。该实验有以下缺陷:①实验材料受地域、季节限制;②蝌蚪变态缓慢,约需1个月;③在喂养蝌蚪过程中必须常换池塘水(内含蝌蚪所需营养),若以自来水代替,并喂蛋黄等食物则常使水变臭,造成蝌蚪未到变态而身先死,使该实验失败。所以鼓励学生大胆尝试,变甲状腺激素为胰岛素,变蝌蚪为鱼,因而探究出新的实验方法:由向水中加入甲状腺激素喂养蝌蚪变为在鱼的鳃部注射适量的胰岛素。由于鱼的血糖浓度急剧降低,影响了神经系统的功能,15min左右鱼即昏厥,显示了动物激素对动物生命活动的影响。到底是不是由于胰岛素致使血糖浓度降低而导致的昏厥呢?验证方法是:再向鱼的鳃部注射适量的葡萄糖溶液,鱼很快苏醒,假设得以证明。在国外的一些生物学实验中随处可见到:如果要想更进一步验证……你会怎样改进本实验;再利用一些其他辅助设备,你能证明……吗?还有直接让学生自己设计实验后再动手操作的做法,如美国的《基础生物学》中“比较叶片两面的失水率”的实验,给学生胶纸、秒表、带叶的植物、蓝色的氯化钴纸片(大小相等),要求学生用所提供的材料,设计一个实验,找出一片叶子两面的失水率是否相同,从而估计叶片两面气孔数目是否相等,列出实验步骤,绘图以显示操作装置。在问题栏目内又引导学生:如果真的要证实叶片两面的气孔分布,你会进行什么样的实验?

    (3)合理更换实验器具

    实验器具直接影响实验效果,因此,制作或选用实验器具,一定要满足实验要求。例如,选用毛细吸管时,要考虑毛细吸管的粗细、长短要恰当,这样才容易把滤液细线画细画齐。如果用毛细吸管不好画,可改用硬笔尖、竹签、牙签或盖玻片等来画,不管用什么来画,只要滤液细线画得越细越齐,实验效果越好。例如,选用研钵要钵底和磨锤较粗的才能使菠菜叶片研磨迅速、充分,加入适量二氧化硅研磨就是这个道理。又如,在“酶的专一性”实验中,由于用市场上购买的纯淀粉酶代替了唾液做实验,不仅改变了提供唾液的不雅观、不卫生状况,而且由于淀粉酶可配制成一定浓度的溶液,使实验由定性变为了定量研究,这样大大加强了实验的科学性。更重要的是实验条件可改变,温度由37℃提高到50℃,加快了反应速度,缩短了反应时间,使教学更主动,教学过程更连贯。


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