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實驗設計之生命科學論文
一、迷你實驗———簡易探究，訓練科學技能
迷你實驗在學習過程中出現，在中譯本中均置于旁欄，每個迷你實驗僅由實驗過程和分析兩部分組成，展現了實驗的核心內容，可在實驗室或者家庭中完成，簡單易行，側重于從訓練學生的科學技能角度強化補充概念，貼近學生的生活。相對導航實驗而言，迷你實驗的實驗過程和分析更加具備了科學探究的一般過程，很明顯，迷你實驗也是作為一種科學方法的線索來體現的。迷你實驗大多以模擬動手操作的實驗為主。迷你實驗在全套5本教材中共有52個，是幾類實驗設置中數量最多的一種，大致可分為模型建構型、技能探究型、知識運用型。例如，在《生命科學人體》這一冊中共有迷你實驗14個，涵蓋了上述3種不同的類型。在模型建構型迷你實驗中，有圖表繪制類（如繪制激素水平圖，將一段時間內的激素水平數據轉變為曲線圖）；有模擬類（如模擬小腸內的吸收過程、模擬疤的形成、模擬腎的功能）。在“確定繁殖速度”這一迷你實驗中，利用硬幣來模擬細菌的分裂，并且要求將數據繪制成圖表。這個實驗基本上可以說是人教版教材高中生物“探究酵母菌數量的動態變化”這一探究實驗的模擬版本，但操作更簡單，結論更直觀。在技能探究型迷你實驗中，通過觀察、比較、感受、體驗等得出有關結論，從而訓練并提高學生相關的探究技能，特別是訓練學生與整個探究過程相關的某一技能，如“比較食物的脂肪含量”這一迷你實驗，將3份不同的食物依次放在牛皮紙包裝袋上，放置30min后移走食物，觀察牛皮紙上的油膩印跡和濕的印跡來比較不同食物中脂肪的含量。
二、實驗室———完整實驗，強調科學方法運用
相比于導航實驗設計和迷你實驗而言，“實驗室”在教材目錄中已經呈現，這充分顯示了“實驗室”在美國生物教材中的重要性，同樣，“實驗室”在實驗整個的設計流程上顯得正規而完整，一般有“現實世界的問題”、“實驗過程”、“結論和運用”等。根據不同的目的，有的實驗還有“制定計劃”、“執行計劃”、“分析數據”等實驗過程。同時，“實驗室”強調科學方法運用概念解決現實世界的問題，如“色盲測試———形成一個關于男女色盲的普遍性的假說”，還有利用互聯網、模型建構等方法進行的實驗。這些實驗都強調了科學方法的運用，通過學生動手做實驗來解決現實生活中的問題。在《生命科學人體》這一冊中共有“實驗室”實驗14個，平均分布于七章，每章兩個。具體的14個實驗是：測量皮膚的面積、利用互聯網、測定維生素C的含量、顆粒大小與吸收、心臟如同一個泵、自主設計———血型反應、腎的結構、模型和發明、提升反應時間、自主設計———皮膚敏感度、解釋插圖、改變身體比例、微生物和疾病、自主設計———有抵抗作用的唾液。在這些實驗中，無一例外地都是先提出現實世界的問題來引導學生思考，再提出實驗目標，提供備選的實驗材料，按照提供的實驗過程來進行操作，然后得出結論并加以應用。因為這套教材對應的是美國初中階段的學生，所以大多數“實驗室”中的實驗并沒有對學生有實驗方案設計方面的要求，但對于實驗的結論和應用，已經蘊含著一定的理科思維，將實驗提升到了一個新的高度。如“測定維生素C的含量”實驗，其結論和應用一是比較所檢測的橙汁中維生素C的含量；二是推測為什么維生素C的含量有差異？另外，必須要提到的是，在“實驗室”中有部分實驗是“自主設計”，如《生命科學人體》這一冊14個“實驗室”實驗中有“自主設計”實驗4個，在這些“自主實驗”中，一般的流程是：現實世界的問題———形成假設———驗證假設———分析數據———結論和運用。很明顯，“自主實驗”的要求要遠遠高于其他的“實驗室”實驗，已經有了實驗方案設計上的要求，對學生綜合能力的要求也更高，旨在通過讓學生自己去體會科學探究的整個過程，培養他們形成自主學習和探究的能力。
三、家庭實驗室———拓展延伸，提高科學探究能力
導航實驗屬于學習前實驗，由學生在家中完成；迷你實驗屬于學習中的實驗，大多由學生在家中完成，少部分在學校完成；實驗室實驗由于其要求的增加，基本上都是在學校完成。而“家庭實驗室”則是在書末單獨列出，是來自廚房、裝廢品的抽屜或者庭院的實驗設計，明確要求學生在家中自主完成。家庭實驗室在每冊書中通常有4～7個，這些實驗通過解決現實世界的問題，提示科學概念是日常生活中常會用到的，它不僅僅用于課堂，也在生活中無處不在。在《生命科學人體》中共有家庭實驗室7個：測量黑色素、維生素調查、血液的組成、構建葡萄糖模型、瞳孔的本領、辨識碘、酸性防護。從實驗流程上看，都是相似的：現實世界的問題———實驗過程———結論和應用。從實驗內容上看，有的是調查和數據收集（如維生素調查），有的是測量（如測量黑色素），有的是模擬實驗（如血液的組成、構建葡萄糖模型等）。作為上述3類實驗的補充，“家庭實驗室”基本上涵蓋了實驗的各種類型，但實驗材料更加容易得到，實驗過程更加簡單直觀，實驗結論更加清晰明了，實驗應用更加聯系生活實際。這些“家庭實驗室”更進一步地增強了學生的動手能力，通過最后的“結論和應用”，也將學生的科學探究能力提升到了一個新的層次和高度。綜上所述，美國中學生物教材強調在實驗中體驗學習，體現了“通過做實驗來解決生活中的問題”的理念。美國中學核心理科教材《生命科學》中實驗欄目的設計，從引領學習，進行實驗后批判性思考的“導航實驗”到簡易探究，訓練科學技能的“迷你實驗”，再到通過完整的實驗流程，強調科學方法運用的“實驗室”，然后以“家庭實驗室”作為拓展延伸，提高了學生的科學探究能力。這些實驗設計符合學生的認知過程，凸現了生物學科的理科性，培養了學生的理科思維。所以說，該教材從解決現實中的實際問題出發，引導學生自主進行科學探究，及時修正錯誤概念，最終實現提高學生的生物科學素養這一目標。這些實驗設計的理念與操作，對中國中學生物的實驗教學有很大的借鑒和幫助。
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