首页 -> 2007年第3期
大学生物开放性和设计性实验教学探讨
作者：彭 安 向本琼 张根发 金美娜 方 瑾
关键词：开放性实验；设计性实验；科学素质；创新教育
在生物学的发展过程中，观察、实验操作和模拟一直是生物学研究的重要方面。在实验教学活动中，有目的地、合理地、有计划地组织开放性实验和设计性实验，是培养学生综合能力和创新精神的有效途径。
一、开放性实验和设计性实验的目的
1．学生科学方法论的引导和培养
生命科学和其他科学一样，对一个问题的科学思考模式是：对客观事物的观察或对前人研究成果的复习→发现问题或提出新的问题→对问题的分析和研究→提出假设→通过实验手段验证假设→得出结论。建立正确的科学思考模式，是进行生物实验设计、制定实验方案的前提。[4]在这方面，前人给我们留下了许多很好的范例，如“细胞学说的发现”、“孟德尔的遗传学实验”、“肺炎双球菌的转化实验”等。学生在复习科学发现的过程中，了解科学的认知过程和科学理论的建立过程，这些对学生掌握科学方法论，正确运用实验手段解决科学问题非常有益。
2．学生实验技能的培养
科学的精髓是实践。任何假设，无论在逻辑上多么完备和无懈可击，如果未经实验的检验都不能上升为真正的科学理论。实验对于生命科学的重要性更是不容置疑。在生物学的发展过程中，已经形成了一套完整的实验体系。[5]每个研究者都需根据自己的实验目的选择实验手段。而掌握其中基本的实验要素是充分利用实验手段达到研究目的的。实验方法掌握和实施设计性实验两者是相辅相成的。为达到实验的开放性和设计性的要求，学生应对基本实验方法和实验规范有基础的了解，教师应将各种实验方法和特定实验所能达到的目的讲授给学生，使学生能够按照需要自己设计实验和动手做实验。这其中教师的引导和学生的主观能动性都是不可缺少的，学生通过亲手进行一定量的实验，对其进一步提高实验技能、认识和体会实验的一般程序，理解、归纳和应用实验设计的主要方法，并提高自主设计实验的能力都是重要的。
3．提高学生解决未知问题的实际能力
在学生对生物学实验的特点和每个实验所能解决问题的范围有了一定认识，并对实验设计的原则有了一定了解后，教师要适时引导学生运用已理解和掌握的实验设计模式，实验原理和技术方法，去解决实际问题。一方面巩固已有的实验技能和设计能力，一方面鼓励学生向更高的科学层次进军，即提高解决未知问题的能力。这些问题可能是学生通过实践自己发现并想进一步解决的，也可能是本身即存在的，对社会实际有重大意义的课题：如近年来我们引导学生所做的对北京周边动植物种群密度和分布调查；对北京地区附近水源水质调查及如何采用生物办法控制水源污染问题；用生物实验方法鉴定饮用水经过多种工艺流程处理后是否还存在微量有害物质；农药和杀虫剂喷洒在农作物上对人类的健康以及生态系统有何影响等。通过学生对这种开放性的教学活动参与，既可以使学生提高解决实际问题的能力，又能促进学生对社会实际问题的关注和参与程度。例如，通过对农药的污染及其对生物圈的影响问题的了解，学生为减少农药负作用，寻找高效低毒的新型农药提出合理化建议，以保持生态效益与经济效益的平衡和发展。这种启迪式的教学方式，启发学生从生物学专业的角度，联系当今普遍关心的环境与生态问题，对农业生产和环境保护做出自己的探索研究。这是生物学专业学生的科学探索服务社会的一种有益尝试。
二、设立开放性实验和设计性实验课程的原则
1．科学性原则。科学性是生物设计实验的首要原则，所谓科学性是指学生的开放性实验和设计实验要依照科学实验原理，他们所使用的实验步骤、操作程序和方法必须与生物学理论和生物学方法论相一致。
2．可行性原则。所谓可行性是指学生在实施生物实验和设计时必须可行，他们所选用的实验步骤和方法大部分必须运用已有的知识，可以开放使用有关仪器、设备和材料，并且已经掌握其操作程序。
3．简约性原则。简约性是指在不影响实验结果和培养学生综合实验能力的前提下，尽量采用学生能独立操作使用的仪器设备和方法，选用价格适宜且易获取的实验材料作为实验的对象。
4．实用性原则。实用性是指学生的开放性实验和设计性实验要符合客观实际，以解决实际问题为思路，通过综合实验来解决科学发展和社会生活中的某些实际问题。例如改善某个生态环境，消除某方面的污染，减少某些不良现象等。
开展生物学开放性实验和设计性实验，建立以学生为中心、由教师加以引导的综合性实验教学模式，是我们近年来在改革生物学实验教学中的尝试。实践表明，这种以学生为主的自我训练体系，能充分调动学生主动学习的积极性。学生通过开放性实验和设计性实验，充分发挥各自的思维与想象能力，在学习过程中受到了创新意识与能动的启发与培养；并且在此过程中掌握一些较为复杂的实验方法，正确使用一些复杂的精密仪器设备，准确地采集实验数据，增强了学生对实验数据和结果的逻辑分析能力及做出正确合理结论的能力。由于这种实验属设计创新型实验，许多问题是没有现成答案的；在实验设计的实施过程中，当学生遇到问题时，首先要求他们自行解决。他们可以及时查阅资料、工具书和网络信息等，教师只起到宏观引导的作用。大学生物学开放性实验和设计性实验这种教学模式，对提高学生的综合能力和培养学生的科学探索精神有着十分重要的意义。这种集知识教育、素质教育、技能教育和创新教育为一体的综合性培养方式，顺应了高校为国家培养科技创新人才的需要，有很好的发展前景。
三、开放性实验和设计性实验课程的基本内容
学生通过实验课的学习，已经理解实验原理并掌握了主要的实验技术。此时在教师的指导下，进行一些学生自己策划的开放性实验和设计实验，既可以巩固以前所学技术、验证实验原理，又可以培养学生的创造性综合实验的能力。教师的作用在于帮助学生确定实验目的，明确实验原理，与学生共同分析实验中每一步骤的作用、必要性和可行性；并在此基础上针对不同的地区、不同的材料和不同的实验环境对实验设计做相应的调整、修正，设计出一个更为适合和可行的，效果更为理想的实验流程。
1．调控可变因素和不变因素
设计实验在某种意义上可以说是控制可变因素和不变因素的过程。实验课的过程中，可以通过让学生自行调整可变因素和不变因素，来提高学生的实验设计的能力。例如：在做药物对细胞生长影响的实验中，细胞可以成为可变因素，可选取肿瘤细胞或正常细胞；就肿瘤
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