大学生物开放性和设计性实验教学探讨

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摘　要：生命科学既是21世纪的前沿学科，又是医学农业发展十分迅速的重要基础学科。实践证明，生物学实验教学是培养学生观察能力和实验能力的重要环节。如果在教学活动中，教师有效地、适宜地和合理地安排生物学开放性实验和设计实验，能够很好地培养学生的综合能力和科学的探索精神，更好地适应社会发展的需要。

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

细胞而言，可以是血液来源的悬浮生长细胞或是肿瘤组织来源的贴壁癌细胞，此时药物成为不变因素；反之，细胞也可以变成不变因素，只用一种肿瘤细胞为实验材料，而药物是可变因素，几种抗癌药物作用于同一种癌细胞，观察其变化。再有细胞和药物均可以作为不变因素，只是药物的作用时间和使用浓度加以改变，从而验证抗癌药物抑制肿瘤细胞生长的机理和作用特点。

2．选择实验材料

选择适合的实验材料是保证实验成功的一个关键因素，因此在教学过程中应让学生充分挖掘实验材料，分析和比较不同实验材料的特点和用途并选择最佳。如在生理实验中，需要确定何种实验动物能很好的验证循环系统在生命活动中的重要作用：在遗传实验中何种材料能很好地说明伴性遗传：而在细胞生物学实验中对细胞的选择非常重要。有时需要在哺乳类动物细胞和两栖类动物细胞之间进行选择，或者在同种动物的不同器官或组织来源的细胞之间进行选择等。以此培养学生对科学实验设计的总体把握能力。

3．设计适合的实验方案和程序

在实验方案的设计过程中需要注意以下几点：

(1)设计实验的首要问题。具有较强的科学性和实用价值是设计适合的实验方案和程序的首要问题，应特别注意让学生了解所设计的实验目的、组成、性质和用途，使学生有的放矢。如在细胞生物学实验中，是解决药物对细胞作用之后，观其形态结构发生改变还是DNA含量上发生了变化。

(2)开展设计性实验的目的。通过实验技能的培养，培养学生的观察能力、实验能力、思维能力和运用已学习的知识来解决实际问题的能力。如在一个学生的创新实验中，学生自己设计用农药处理两栖类动物中华大蟾蜍的受精卵并观察其发育状态，发现随农药的浓度和作用时间的不同，中华大蟾蜍的幼体产生了不同的畸形。从而对农药对动物发育的副作用有了新的认识。

(3)设计实验的主体。在实验课程教学中渗透教为主导、以学生为主体的教学原则，运用启发与讨论、实验等教学法，贯彻科学素质教育、能力培养的宗旨。在开放性和设计性实验阶段同样要以学生为主体进行。

(4)设计实验的效果。在使学生主动获取知识的同时，培养了学生的创新意识，提高了实验操作、观察、逻辑推理以及分析综合能力，并逐渐养成严谨的科学态度。如在细胞生物学实验中，当学生完成药物对细胞增殖的影响实验之后，他们以ppt报告的形式，汇报各自的实验结果并展开组与组之间的讨论。在这样一个过程中我们感到，学生的设计实验和分析能力等各方面确实得到了提高。

4．完善设计实验和开放实验结果的终结性评价

(1)检查学生对基础知识和实验技能的掌握程度。评价过程应是检查学生综合应用知识和动手能力的一种教学方法。对学生的开放性实验和设计性实验的评价，其目的之一是检验学生对基础知识和技能的掌握程度。如学生在验证无机纳米离子对细胞生长的影响实验中，掌握的实验背景材料和利用所学知识与技术进行相关实验，是实验能顺利进行的第一步。

(2)考察学生对实验结果的分析、归纳、整理能力。在学生已经取得实验结果后，如何运用已学过的知识对实验结果进行正确合理的资料采集、整理、分析和归纳，也是学生综合能力的体现。在植物群落内生态因子的测定试验中，在取得了不同类型植物群落内的光照强度、温度和大气湿度生态因子等资料后，如何通过自己的整理和分析，认识到不同植物群落内部生态因子以及植物群落与落地间生态因子的差异。

(3)检验学生引用相关文献的使用能力。学生在设计性实验及开放性实验过程中是否有合适的文献引入，并正确解读文献，作为学生是否真正掌握开放性实验的原理指标之一，也是体现学生吸纳新鲜知识能力的重要方面。

(4)评判学生正确合理的实验结论的产生。正确的合理的实验结论的产生，是学生综合能力的体现。通过开放性实验和设计性实验而得出关于某一蛋白质的组成、性质和用途的结论，可以反映出学生所学知识的许多方面和融会贯通能力。由此实验结果的评价，可以对学生的理论、实践、分析、综合等一系列方面进行考察。

四、设立开放性实验和设计性实验的效果

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，是我们近年来改革生物学实验教学的尝试。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。并且在使学生主动获取知识的同时，学生的创新意识，实验操作能力、观察能力、推理和综合分析能力都得到了明显提高，逐渐养成了严谨的科学态度。如在细胞生物学实验中有一项药物对细胞增殖的影响的实验，当学生完成实验、取得数据并进行分析总结后，他们以ppt报告的形式，汇报各自的实验结果并展开组与组之间积极的讨论。在这样一个过程中我们感到，学生各方面的能力确实得到了提高。

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。这在客观上提高了学生的自主意识、综合能力、探索精神和成就感。为他们将来在科学道路上继续奋斗打下基础。大学生物学开放性实验和设计性实验这种集知识教育、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。

参考文献：

[1]马光远．实验设计教学与学生思维能力培养[J]．生物学教学，2004(10)．

[2]王红珍．在实验设计中体现“创新”[J]．生物学教学，2004(8)．

彭　安，北京师范大学生命科学学院实验教学中心高级实验师；向本琼，北京师范大学生命科学学院副院长，教授级高级工程师；张根发，北京师范大学生命科学学院遗传与发育生物系系主任教授；金美娜，北京师范大学生命科学学院生物学学科教学论硕士生；方瑾，北京师范大学教务处副处长，研究员。