生物学定量实验的要素分析_免费论文全文下载

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摘 要 叙述了生物学定量实验是培养学生理性思维、科学精神的重要途径，对定量实验的结构进行分析，从而为定量实验教学的有效性和评价的针对性提供基础。

关键词 定量实验 结构分析 实验教学
中图分类号 Q-31 文献标志码 B
开展定量实验是培养学生理性思维、科学精神的重要途径之一。在《普通高中生物课程标准》和《义务教育生物学课程标准（2011版）》的教学建议中，对定量实验要求的描述是：“在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应给学生提供机会学习生物学研究中的测量方法，实事求是地记录、整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。”两个不同学段的课程标准，对定量实验的要求描述完全相同，都缺少相应的质量标准或水平层次描述，从而使定量实验的教学陷入一种模糊状态，不利于教学目标的制定和实验教学的评价。教师对生物学定量实验的认识和要求，常常来自考试说明和高考试题，以应试为导向的定量实验教学，必然影响定量实验的教育价值。
对生物学定量实验的结构进行分析，发现其由测量方法、记录数据、数据分析和定量表述4个要素组成见（表1）。把握定量实验要素的内涵，是提升定量实验教学有效性的基础和保障。
1 测量方法
生物学定量实验的测量方法可以分为实验法、模型法和调查法三种类型。开展定量实验，让学生学习和掌握多种生物学研究中的测量方法。
实验法是人们依照研究目的，使用科学仪器和设备，有意识地去控制自然条件，使自然过程纯化、典型化，从而认识客观世界的方法。如“探究几种食物热价的差异”中使用天平、量筒、温度计等仪器。实验法通过控制自变量，限制无关变量，从而使复杂的现象变得简单，使研究从现象观察深入到本质探讨，而且其他研究者能够进行重复实验加以验证。
模型法是对客观对象进行观察，并对所获得的科学事实进行初步的概括后，利用想象、抽象、类比等方法，建立一个反映和代替客观对象的模型，通过对模型的研究来揭示客观对象的特征和本质的方法。定量实验的模型法主要适合在高中阶段开展，如“模拟探究细胞表面积与体积的关系”“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”“用数学方法讨论基因频率的变化”“尝试建立数学模型解释种群的数量变化”等。用模型来代替被研究对象，简化和理想化地再现原型与研究目的有关的各种基本因素和联系，略去非本质的细节，能够使研究者充分发挥想象、抽象和推理能力，是一种有效的研究方法。
调查法是通过抽样的基本步骤，采用问卷、访谈、样方等方法了解调查对象的有关信息，加以统计分析的研究，如“调查班级学生的近视率”“调查常见的人类遗传病”“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”等。调查法不受时间、空间的限制，能搜集到难以从直接观察中获得的资料，能在较短的时间里获得大量资料。开展调查研究类的定量实验，要随机取样，尽量多地收集数据，然后对数据进行统计分析，寻找数据背后隐藏的规律。
2 记录数据
选择适宜的测量方法，设计严谨的实验方案，正确操作，仔细观察，便可以获得大量的实验数据。数据是定量实验的产物，也是进行统计分析的基础。一般来说，原始数据不允许用铅笔记录；在记录发生错误时，修改部分要保持错误数据可见；原始数据必须附在实验报告中。记录数据需要设计记录表格、注明计量单位和确定有效数字。
设计记录表格，一方面有利于数据的全面采集和填写，另一方面使各种数据一目了然，便于进行定量分析，发现规律。记录表格通常包括标题、表头、列标、行标、数据格5个部分，如果列标表示实验组别或实验自变量，则行标表示对每个实验组测量的次数、同一实验组内不同个体、测量时间等信息，并在最后加入“总和”或“平均值”。根据实验的具体情况，行标与列标表示的内容可以互换，从而保证表格的布局合理。
计量单位是指为定量表示同种量的大小而定义和采用的特定量，要赋予计量单位以约定的名称和符号，如毫克（mg）、分钟（min）、体积摩尔浓度（mol/L）等。在记录数据时，一定要在记录表格中明�_计量单位，特别是一些容易混淆的单位，如质量百分浓度、体积百分浓度、质量体积浓度、体积摩尔浓度等。
有效数字是指在分析工作中实际能够测量到的数字，由可靠数字加上有误差的一位数字组成。有效数字的位数表示了测量所能达到的程度，这也与所用的测量工具有关，当测量仪器和被测量选定后，测量值的有效数字位数就己经确定。如在“探究几种常见食物热价的差异”的实验中，使用的温度计最小刻度是1℃，有效数字只能到小数点后一位。
3 数据分析
数据分析是将收集的数据进行整理、加工和分析，使其转化为信息的过程。中学生物学定量实验的数据分析包括数据的可靠性分析、简单的数据处理和一般的数据分析。
数据可靠性的判断主要集中在数据获得方法的科学性以及数据的有效性上。首先要对几次的平行实验数据进行筛选，若有明显偏移的数据，应反思获得数据的方法是否符合基本的原理、是否严密、出现误差的可能原因是否为不规范操作等。如果测量方法科学，所用仪器的精度确定，有效数字不符合规范的数据也是不可靠的。
简单的数据处理主要集中在计算和数据的取舍上。一般定量实验都要平行进行若干次，取平均值作为最终的计算结果，有明显偏移的数据在计算时应当舍弃，否则会使最终的结果产生较大的偏差。在“用样方法调查种群密度”“探究培养液中酵母菌种群数量变化”的实验中，首先要计数样方或血球计数板小方格内部的个体，对于处在界线上的个体，只计数相邻两条界线及其顶点上的，不能将边界上的个体全部计入或者不计。由于生物学的特殊性，一些计算结果可保留小数，如“探究酸雨对种子萌发的影响”实验，不同pH溶液处理后种子的发芽率以百分比的形式表示，可以保留小数点后1～2位数。有些结果不宜保留小数，如种群密度的调查结果一般取整数。 数据分析是运用生物学基础知识、原理解读实验数据所表达的信息，通过推理和归纳得出科学可靠的结论的过程。如在“探索生�L素类似物促进插条生根的最适浓度”实验中，设计一组NAA浓度梯度溶液进行实验，以生根的数目或总长度为观测指标，每5 d采集一次实验数据，根据实验获得的数据绘制曲线图，可以发现生长素的作用表现出两重性，最适浓度介于某两种浓度之间，却不能直接找到最适浓度。可以根据曲线变化趋势作出推测，也可以不断缩小浓度梯度进行实验，使实验结论更精确。
4 定量表述
定量表述实验结果是指运用图表、数学模型等描述生物学实验的结果。定量表述将实验过程与结果进行抽象，从而揭示相关变量之间的关系和规律，避免冗长的文字描述，便于分析、表达和交流。
运用图表定量表述最常见的是坐标曲线，将这两个变量分别用横、纵坐标轴代替，放在一个平面直角坐标系内，根据它们之间量的变化情况绘制曲线。通过分析曲线的变化规律，揭示生物体结构功能、生理代谢、生物与环境的相互作用的关系等方面的本质特性，如“探究酒精对水蚤心率的影响”“探究影响光合作用速率的环境因素”“探究植物生长调节剂对扦插枝条生根的作用”“探究培养液中酵母种群数量动态变化”等。
数学建模就是把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为数学模型，求出模型的解，验证模型合理性，并运用该数学模型来解释现实问题，如“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”“用数学方法讨论基因频率的变化”等。建立数学模型可以排除环境因素、人为操作等无关变量的干扰，寻找出相关变量之间的本质关系。
定性实验能够发现研究对象是否具有某种性质或某种关系，只作定性描述而缺乏定量研究，不能使科学发现具有普遍意义。虽然初中与高中两个学段对定量实验的要求表述相同，但在初中阶段，生物学实验注重让学生体验科学探究的一般过程，初步学会科学探究的一般方法，因此，定性实验多，定量实验少。定量实验的原理、方法相对简单，现象明显，随着学生思维能力的提升，在高中生物课程标准中，大量增加了定量实验。明确定量实验的结构要素，才能整体规划设计定量实验的教学目标，关注学生能力形成过程，关注过程性评价，从而培养学生独立运用科学的思维和方法去分析问题、解决问题的能力，培养学生严谨、敢于质疑、坚持不懈的科学精神。
参考文献：
[1] 庄瑞峰.高中生物课程中的定量实验分析[J].中学生物学，2015（11）：46-47.
[2] 卢彦，张冬梅，杨荣武.浅谈在生物化学实验中培养学生的数据处理与分析能力[J].生物学杂志，2014（2）：97-99.

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