第一节 生物学实验及其心理学基础
生物学实验是生物学课程一个不可分割的重要组成部分，生物学实验具有不同类型，不同类型的实验具有不同的教学功能。生物学的观察和实验在发展学生的感知能力和认知水平以及培养学生的积极情感态度等方面具有重要作用。
一、中国的中学生物学实验简况
著名英国学者罗吉尔·培根（Roger Bacon，1214—1294）是倡导科学实验的先驱之一，早在文艺复兴时期前的13世纪，他就提出“应当通过实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天上地下的事情”，认为只有实验方法才能给科学以确实性，经验、实验和证明是科学的三条路径。17世纪到19世纪末，科学上的一系列重大进展几乎都与实验方法的运用密不可分，包括生物科学领域中解剖学、细胞学、微生物学、分子生物学的创立。特别是从20世纪50年代起，生物科学经历了重大突破，比如遗传学、生物化学、细胞生物学和分子生物学，解决了不少19世纪中叶提出的问题，这与生物学实验的广泛运用是分不开的。目前，实验方法已成为现代生物学各个分支领域中获得研究成果的基本方法。
科学实验也是学生学习生物学的重要方法，是培养生物学学习兴趣最好的老师。正如法国解剖学家居维里（Georges Leopold Cuvier，1769—1832）所说，“观察者听命于自然界，而实验者则质问自然界，并且迫使自然界去袒露它的奥秘。”我们认为，不能将课程中的科学实验简单地技术化，实验教学应集知识、技能与情意教育于一体，注意将科学与人文、技术与社会融会起来，要让学生在掌握基本科学知识和实验技能的基础上，真正体悟到实验于科学之重要和科学家们开展原创实验的艰辛，真正培养起实证的思想和创新的精神。
从课程发展史来看，中国中学生物学开设实验课至今已有100多年的历史。1904年初由张之洞主编的《奏定学堂章程》颁布并得以实施，当时中学1～4年级开设的博物课程，是我国近代教育制度下中学生物学课程的开始。虽没有实验的要求，但提出“凡教博物者，在据实物标本得真确之知识”等建议，也就是强调实物的观察。首次提出开设实验课要求的，是1912年国民政府教育部颁布的《普通教育暂行课程标准》，其中专门提出了“博物宜授以重要植物、动物、矿物、人身生理卫生之大要，兼课实验”。建国后，我国中学生物课程中的实验逐步受到重视，特别是第八次基础教育课程改革后，中学生物学实验的数量增加了很多，实验类型也更加多样，学校的实验条件更是大为改善。
生物学实验的教育功能是什么？早在1975年，克洛普弗（Klopfer）就指出，中学理科实验的教育目标主要包括：①获得知识和培养理解能力；②训练动作技能；③参与科学探究的过程，包括观察、测量、分析数据、提出问题和解决问题的方法；④了解科学家的工作方法；⑤培养对科学知识的兴趣和科学态度；⑥提高对科学知识及方法的应用能力。此说颇为全面和精准，也正是我国生物学实验教学一直秉承的宗旨。
课程实施与课程设计并不总是一致的，大多数情况下教师的实际教学会落后于课程改革。由于教学评价改革一时难以到位等原因，中学生物学实验更多地停留在课程标准和教材的文本层面，实验的实际开出率和教学效果与课程设计的要求相去甚远，实验教学仍属可有可无。管理者常将这一问题归因于教师理念的落后，其实不然。中学生物学教师的教学理念已经大为提升，主要问题还在于教学的管理和评价没有跟上来。面对这样一些非教学因素的问题，我们的教师和研究者们常常有一种无力感。
一些研究者的调研数据能够印证上面的判断。徐敏等（2012）对武汉市四所有代表性的高中共计100名教师和400名学生进行了问卷调查，同时对近20名教师代表进行了访谈。[2]四所学校实验开出率分别为78.4%、57%、54%和49%。该统计是以2003年部颁《普通高中生物课程标准》中3个必修模块的活动建议总数作为分母、学校实际开设实验课时数作为分子进行计算的。张青等（2013）对长春市部分初中进行了生物学实验教学情况的调查，结果发现生物学实验教学存在实验开出率不高、实验设备不足、教师实验技能欠缺、对探究实验关注不够等诸多问题。[3]武汉、长春等省会城市尚且如此，一些欠发达地区的情况就更不容乐观。
二、科学实验与科学观察的比较
什么是生物学实验？科学实验与科学观察之间是何种关系？我们在2012—2014年间曾对部分生物学骨干教师进行过访谈，发现87%的受访者把握不准科学实验的本质特征，82%的受访者不太明白实验与观察之间的关系。这里将从科学方法论和课程教学论的角度，给出不同的解释。
（一）关于科学实验
科学实验是人们根据一定的研究目的，运用一定的物质手段，在人为控制或模拟自然现象的条件下，使自然过程以纯粹的、典型的形式表现出来，暴露它们在自然发生的条件下无法暴露的特性，以便通过观察和研究来探索自然界的本质和规律。
科学实验包括三大基本要素：一是实验者，即那些从事实验设计、操作和数据处理等的专业人员，是实验中的主体。实验者的素质要求：具有坚实的专业基础知识和操作仪器的技能；具有勇于开拓创新的精神；具有实事求是、坚韧不拔的工作态度。二是实验对象，具有客观性、可控性和复杂性，包括自然客体与人工客体（用模型代替原型进行实验）。三是实验仪器，是作用于实验对象的一切物质的总和，其作用表现在两个方面：其一是把人的作用传递到研究对象上去，以纯化和简化自然现象，强化和再现自然过程，延缓或加速自然过程；其二是把研究对象的信息传递到实验者的感官上来，克服人感觉器官、效应器官和思维器官的局限性，比如放大镜可以观察水蚤，光学显微镜可以观察细胞，电子显微镜则可以观察到DNA分子。
实验是在人为控制条件下，对实验对象进行干预以探寻现象背后的本质和规律，是依据假设对实验变量（自变量）的变化和结果进行捕获和解释的科学方法，所以科学实验需要遵循一些基本的科学原则（图1-1，引自网络资料）。这里的五要素、五原则是相互联系的，是进行实验设计和开展实验研究的理论依据。
图1-1 科学实验设计方法概念图
（二）关于科学观察
科学观察是指人们有目的、有计划地感知和描述客观事物的一种科学认识方法。包括自然观察与实验观察、感官观察与工具观察等。观察的心理学基础是知觉过程，需要多种因素共同参与，包括注意过程、记忆过程、想象过程、思维过程、情感过程、意志过程等。随着学生年龄的增加，参与观察的心理因素也会逐步增多。
观察与实验常常被混为一谈，其实两者既有联系也有区别。由于两者之间联系密切，观察是实验的基础，而实验又是一种有控制的观察活动，以致实验与观察常常被合并使用。关于区别，俄国生理学家巴甫洛夫（Pavlov，1849—1936）对此有过十分精辟的论述：“观察是收集自然界所提供的东西，而实验则是从自然现象中提取人们所期望的东西。”法国解剖学家居维里（Georges Leopold，1769—1832）则将它更加形象地描述为：“观察者听命于自然界，实验者则质问自然界，并迫使自然界去袒露它的奥秘。”举例来说，达尔文生物进化论的创立主要运用科学观察，而孟德尔遗传规律的发现则主要运用了科学实验。
（三）关于学科实验
那么，在生物学课程中我们所说的实验都是科学实验吗？按照前面有关科学实验的定义，生物学课程中某些观察、实习、调查、技能训练等实践活动，还算不上真正意义上的科学实验。所以，课程教学论中需要引入一个“教学实验”的概念。
教学实验是“教学活动实验”的简称，指在实验室或自然现场利用仪器设备进行的各种实践活动。[4]它既包括科学方法论意义上的实验，也包括单纯的观察、技能训练之类的操作活动，以及实习、制作、调查等实践活动。所以，教学实验特指在生物学教学活动中基于学生学习需要而开展的广义的实验，是学科教学论意义上的实验，涵盖的范围要比科学方法论意义上的实验大得多。与科学方法论意义上的实验相比，两者在实验目的、内容、过程和手段等方面存在明显的不同。当然，“教学实验”一说并未得到学界的广泛认同，知之者甚少。
我们认为，教学实验容易引起歧义，因为容易理解为“对教学的一种实验研究”。建议将“教学实验”改称“学科实验”，“学科实验”正好可以与“科学实验”形成对照。学科实验是包含科学实验在内的一种广义实验。
三、生物学实验的主要类型
生物学课程中的实验甚为庞杂，对于一些较为庞杂的对象，进行科学分类是一个好的处理方式。按照实验的操作技能来划分，生物学实验可以分为探索研究型实验、解剖观察型实验、检测分析型实验、搜集调查型实验、技能制作型实验，等等。欧美国家一些学者倾向于按照探究水平来划分，将科学实验分为表1-1所示的五个等级。
表1-1 基于探究性水平的实验分级
下文介绍的是本书采纳的一种生物学实验分类体系，是一种更有教学价值和心理学意义的分类方法。
（一）技能型实验与观察型实验
技能型实验侧重于实验技能的训练，重视实验的过程和操作的规范性。如初中的“练习使用显微镜”和“临时装片的制作”，高中的“体验制备细胞膜的方法”和“使用显微镜观察多种多样的细胞”等。观察型实验侧重于通过观察认识生物学对象，重视观察的结果。例如初中的“观察花的结构”和“观察种子的结构”等，高中的“观察减数分裂固定装片”和“观察叶绿体和线粒体”等。当然这种划分是相对的，更多的实验是观察性与技能性兼而有之。
（二）验证性实验与探究性实验
验证性实验侧重于通过实验证明已有结论或检验某项原理，实验的过程和结果并重。例如《观察细胞的质壁分离和复原》和《检测生物组织中的有机物》等，教材已经将实验的原理、器材、操作过程和要验证的结论等告知学生。探究性实验侧重于通过实验发现新知识和进行科学方法的训练，侧重的是探究的过程和自主获得结论。例如“探究环境对鼠妇生活的影响”“探究花生果实大小的变异”和“探究不同条件下普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗涤效果”等。
（三）定性实验与定量实验
定性实验用于判断某对象实体是否存在、其成分和结构如何或各因素之间具有何种内在联结，等等。初中“绿叶在光下制造淀粉”要证明的，是在不同条件下植物叶片中是否有淀粉的形成，高中“检测生物组织中的有机物”要检测的，是组织样液中是否存在还原糖、脂肪或蛋白质等有机物，故属于典型的定性实验。人教版《高中教材·必修一》中的实验“探索影响酶活性的条件”则具有一定迷惑性，虽然设置了三个温度梯度，但不足以揭示数量关系，所以仍然属于定性实验。
那么何为定量实验？定量实验用于揭示各因素间的数量关系，常用到测量的方法。比如通过科学仪器来测量对象的数量关系、刻画对象的数量特征，能精确地描述、解释研究对象。初中“探究酒精对水蚤心率的影响”，除了以清水作为对照外，还设置了1%、3%、5%、8%、10%、15%、20%等多个酒精浓度梯度，实验的结果能建立一个完整的曲线图。此外，高中的“测定植物细胞液的浓度”和“探究不同条件下普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗涤效果”等，也属于典型的定量实验。
一般而言，定性实验是定量实验的基础，只有确定了某些因素是否存在、各因素间是否有关联，才能进一步安排定量实验。
（四）对照实验与对比实验
对比实验也称为相对比较实验，是在两组或两组以上相似样组之间进行比较，以确定样组之间某种特性上的异同或优劣。例如初中的各生物之间形态结构或生理功能比较观察实验，高中的“探究酵母菌的呼吸方式”等，没有固定的实验组与对照组之分。对照实验也称为对照比较实验，是在两个相似样组中进行，其中一组结果已知（对照组），不加干预；另一组结果未知，需要研究（实验组）。比如研究某种新的抗生素时用青霉素作为对照，为一种阳性对照实验；用小白鼠研究某抗癌药物，将等量生理盐水与溶解于生理盐水的抗癌药物进行对照，为一种空白对照实验。
（五）真实实验与假虚实验
假虚实验主要包括模拟实验和虚拟实验。是在无法进行真实实验的情况下进行的，主要用于一些难以直接控制或干预的研究对象，如周期长、范围大、难观察或者有危险的对象。
模拟实验是按照真实实验的原理，利用不相干的替代材料所做的实验，是根据相似性原理用模型代替研究对象（原型）。比如生命的起源问题、生物的遗传变异过程、自然选择过程、某些人体实验等，像高中的“细胞模型制作”“性状分离比模拟实验”“制作DNA分子结构模型”，以及初中的“模拟保护色的形成过程”“制作小肠壁模型”等，均属于此类实验。
虚拟实验也称为干实验（Dry experiment），是借助计算机软件等虚拟技术和虚拟平台，在虚拟的实验环境中进行的实验，学生可以像在真实环境中那样操作和观察。是借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造部分替代甚至全部替代真实实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者通过鼠标、键盘、显示器以及力矩球、数据手套、数据眼镜等输入输出设备操作虚拟环境汇总的实验仪器。“虚拟青蛙解剖”是世界上第一个在虚拟现实基础上建立的青蛙解剖软件，由美国布法罗大学虚拟现实实验室研制成功，学生可以在电脑上完成青蛙解剖的全部实验过程。“利用计算机辅助教学软件模拟人体某方面稳态的维持”是我国高中生物学课程标准（2003年版）中的一项“活动建议”，也属于虚拟实验。
（六）单因子实验与多因子实验
这里的因子是指自变量。单因子实验有两种情况，一种是该实验只有一个自变量，例如初中的“绿叶在光下制造淀粉”；另一种是实验虽然涉及多个自变量，但只是分别研究多个变量的独立影响，例如高中的“研究光照、二氧化碳分别对光合作用效率的影响”（表1-2）。
表1-2“研究光照、二氧化碳分别对光合作用效率的影响”的实验设计
多因子实验是指一个实验同时研究多个变量的协同影响，例如高中的“果胶酶在果汁生产中的作用”，其实验设计见表1-3。
表1-3“果胶酶在果汁生产中的作用”的实验设计
从以上的分析可以看出，不同的实验类型反映的是不同的心理过程，进而具有不同的心理学意义。
四、不同类型实验的教学分析
生物学实验最重要的教学价值是什么？刘艳红（2012）曾对广州市150所学校的初中生物学教师进行过问卷调查，[5]结果依次为：帮助学生形成科学的态度和价值观（33%）、培养科学的思维习惯（32%）、掌握实验技能（27%）、获得知识（7%）。下面分别就科学观察以及验证型、模拟型和探究型三类生物学实验的教学作进一步解析。
（一）科学观察活动的教学分析
观察是一种比较持久并伴有积极思维的知觉，观察需要理论的指导和思维的加工。但观察具有易错性，由于观察者个人主观意志的介入或观察仪器的局限，科学研究中可能存在错误的观察。所以重复的观察是必要的，这也是减少出错的最好方法之一。
在进行生物学观察活动的教学中，应注意以下几个问题：观察目的要明确；一次观察活动只针对一个科学问题，所观察对象的变量要少（一般不超过2个）；观察一定要配合记录与描述；应强调观察的客观性和准确性；观察教学与思维活动要结合起来；努力发展学生的观察品质，包括细心、耐心、恒心，以及观察的准确性、广度、精确性、持久性。有关观察能力及其培养问题，本书将在第七章继续展开讨论。
此外，要注意科学观察有不同于艺术观察的地方。科学家的观察只有对与错，比如沃森和克里克对DNA分子双螺旋结构的观察，具有客观性；艺术家的观察则分好与坏，例如散文家朱自清的“荷塘月色”，诗人的“最美不过夕阳红”，画家的“蒙娜丽莎的微笑”，带有明显的情绪性和主观性。
（二）验证性实验的教学分析
验证性实验的一般教学结构可以表述为：组织教学→指导性谈话→学生实验操作→检查实验效果→小结和清理。其教学通常有三种模式：一是先讲后做型，实验前先让学生明确实验目的、原理、步骤，再让学生按实验步骤进行操作，最终得出预期的结论；二是先做后讲型，先进行实验，再讲解实验目的和原理；三是边讲边做型，属于一种小步子训练，适合于较难的实验和低年级的学生。
验证性实验的教学应注意以下几个问题：
实验教学同样包含三个维度的教学目标，只是技能目标更加突出，应注意技能目标的细化。比如《显微镜的使用》，其技能目标可以具体化为：能准确说出显微镜各部分的名称和作用、能熟练完成显微镜的操作过程、能使用显微镜顺利找到要观察的目标、能正确控制视野中目标的移动。
如何帮助学生理解和把握实验原理、方法和操作要求？这是一个值得重视的问题。以初中《绿叶在光下制造淀粉》实验为例，理解实验原理和操作步骤是重点之一，可以采用上述的先讲后做型教学模式。但这里的“先讲”如何操作？一种方式是教师先系统讲解和演示，然后让学生独立操作；另一种是让学生自主提出预习中出现的疑难问题并让其他同学尝试解答，然后教师进行评价和补充，最后才让学生独立操作，其教学流程为“学生预习→学生自主提出问题和解决问题→教师补充和强化→学生独立完成操作”。显然第二种方式更为有效，更有利于学生进行深度学习。
教师在学生实验过程中进行检查和指导必不可少。通常的做法是教师在各小组之间进行巡视，发现问题个别指导，共性的问题则在全班做进一步的讲解和演示。也可以采用“小老师制”：课前每个小组遴选一名小组长充当“小老师”，并对其进行必要的训练和指导，实验过程中由“小老师”负责组内的指导和检查。此外，注意教师的操作示范要有良好的可视性。
正确的选材决定着实验的成败，正如孟德尔选择闭花授粉的豌豆做杂交实验，普鲁斯特利选择一株生长旺盛的植物做光合作用实验。实验的选材受到实验原理、实验目的制约，“叶在光下制造淀粉”的实验目的是鉴定绿叶在光下制造淀粉，所以取材应注意叶片含淀粉量要高，不能选择幼叶和青菜叶；同时鉴定淀粉存在的原理是“淀粉与碘相遇变蓝色”，为使呈色易于观察，所选材料最好深绿色，如新鲜甘薯叶、天竺葵叶等。
同时，实验材料尽量要有结构性。结构性材料是旨在追求最佳实验效果而精心设计的典型材料的组合，这种组合既要揭示与教学内容有关的一系列现象，体现科学性；又要符合学生的年龄特征和认知规律，贴近学生的“最近发展区”。例如，1864年德国植物学家萨克斯（J.Von Sachs，1832—1897）为了说明光合作物的产物除氧气外还有淀粉，把绿叶先在暗处放置几小时，然后将叶片一半用不透光的黑纸片遮起来。过一段时间后再用碘蒸气处理该片叶，结果曝光的一半呈深蓝色，遮光的一半则没有颜色变化。再如，1773年普利斯特利（J.Priestley，1733—1804）把一只小白鼠和一盆植物一起放到一个玻璃罩（周边用凡士林密封）中，发现植物和小白鼠都能正常生活，同时用一支点燃的蜡烛代替小白鼠，并进行空白对照（图1-2）。这样的实验材料具有结构性，适合引入生物学实验的教材和课堂。
图1-2 普利斯特利实验[6]
硬性实验环境指实验中必备的仪器、软件、场所等，这是实验的实施平台，如专门的实验室；软性实验环境指实验中所涉及的专业知识、历史资料、规章制度、行为规范等内容，这是实验成功的基础。例如“光合作用产生氧气”的演示实验，教师取一个无色透明的酒瓶，将生长旺盛的金鱼藻或黑藻放入瓶内，注满质量分数为0.1%的碳酸氢钠溶液，把装有排水玻璃管的木塞塞好，并在瓶口涂上凡士林，防止漏气。将装置放在阳光下，不久就可以看到水草放出一串串的小气泡，气泡聚集在酒瓶的长颈部分，瓶内的水受到氧气的排挤，一滴一滴地从排水管口滴落下来。当气体积累到长颈部分的二分之一至三分之二时，就可以进行气体的检测了。这就是一种真实的实验环境，是在实验室条件下对已学过的原理和知识进行验证，有助于学生的认知建构和情境建构。
要注意引导学生对实验现象和结果进行观察和记录，因为有些实验现象稍纵即逝。例如“绿叶在光下制造淀粉”，从经过阳光照晒、酒精脱色并用碘液处理后的天竺葵叶片上，切下变蓝的一小块做成装片，放在显微镜下观察，隔着表皮就能看到叶肉细胞中的叶绿体变成了蓝色。如果从变成蓝色的天竺葵叶片上，撕下一块表皮做成装片，放在显微镜下观察，可以清楚地看到，气孔的保卫细胞里有变成蓝色的小颗粒，那就是叶绿体。上述几个实验结果都验证了不是叶肉细胞中的任何部分都能形成淀粉，只有其中的叶绿体能够形成淀粉。再如绿叶色素的提取与分离，滤纸条上层析出的色素会因光照而分解，学生必须及时观察和记录。在实验过程中，如果学生不注意观察和记录，实验将失去意义。
重视实验的分享与交流、评价与总结是改变验证性实验学习方式的重要环节。“上课做得热热闹闹，课后忘得干干净净”，这是生物学实验课比较普遍的现象。实验课不能草率收场，应留出适当的时间进行实验讨论和总结。仍以“绿叶在光下制造淀粉”实验为例，某班同学在分组实验中出现了不同的实验结果：第一组的结果是整个叶片均变成蓝色；第二组的叶片只有一部分即黑纸片没有遮住的部分变成蓝色；第三组的实验现象不明显（叶片的颜色基本没有变化）。为什么实验结果差别这么大呢？这时要引导学生寻找原因并做出合理的解释。除了对实验现象和结果的讨论外，对于这样一节实验课，教师还要设计一个对整个实验进行评价与小结的环节，让学生进行自我评价，总结自己在本实验课中学习到了什么。
（三）模拟实验的教学分析
模拟实验的教学应遵循三段式教学结构：基于原型的引入→基于模型的实验→基于原型的阐释。第一步展示原型，由原型引入模型；第二步利用模型进行模拟实验；第三步由模型过渡到原型，利用模型的实验结果对原型进行解释。
“细胞的分裂、生长和分化”是初中生物学的一个教学难点，特别是教材中提出“细胞体积的增大是有限度的”，比较抽象。教师在以往的教学实践中发现，对该知识点的教学可以结合几何图形，让学生计算正方体相对表面积的变化，但这种方法仅有数学计算结果的比较，不够直观。也可以使用含酚酞的琼脂块模拟细胞，采用氢氧化钠溶液等材料，开展“探究细胞大小与物质运输的关系”实验，这种方法效果固然较好，但对于七年级学生而言，没有学习过相关化学知识，理解实验原理难度较大，所需教学时间较长。
基于以上的问题，袁谊（2015）对“探究细胞体积大小与物质交换面积的关系”实验进行了改进，[7]设计了能拆分的正方体模型来模拟细胞，探究细胞体积大小与物质交换面积的关系。该模型制作方法简单，通过课前小组合作自制模型，学生能切身体会正方体体积的大小与相对表面积的关系。由于该模型可以循环使用，符合七年级学生的认知特点，可增加直观性和可操作性，可攻破教学难点提高课堂效率。
【实验材料】：硬纸板、胶水、红墨水、画笔、双面胶。
【实验步骤】：用硬纸板制作8个相同大小的正方体模型，粘合成1个大正方体，并将大正方体表面涂成红色。将大正方体拆分后观察到新增加的没有涂成红色的表面，即在相同的空间里细胞的体积减小会增加细胞膜的表面积。
我们可以进一步运用前述的“三段式教学”对该模拟实验做进一步分析：
由教材所述“细胞体积的增大是有限度的”，引出“探究细胞体积大小与物质交换面积的关系”的课题。但是细胞体积很小，无法进行实验和观察。为了能够直接观察和比较，我们采用容易观察到的物理模型进行实验，用自制正方体模型代表细胞。
课前学生分小组制作模型和观察讨论。课内让学生代表到台前介绍课前正方体模型的制作过程。同时进行演示：将大正方体模型分成8个小正方体，依次排开。由于学生们都参与了制作模型的过程，其他学生在倾听的过程中很容易产生共鸣，能够激发兴趣和好奇心。
教师引导学生分析：当大正方体被拆成8个相同的小正方体时，观察到表面积有什么变化？没有涂成红色的表面都是新增加的表面，即增加了小正方体模型的面积。
联系细胞膜的功能，思考细胞体积大小与物质交换面积有什么关系。学生通过分组观察和讨论总结得出：活细胞的细胞膜的主要功能是进行物质交换，在相同的空间里，细胞体积越小，相对细胞膜表面积越大，越有利于进行物质交换。体积较大的细胞与体积较小的细胞相比，需要从外界获取更多的营养物质，排出更多的代谢废物。如果细胞无限增长，较大的细胞的相对表面积相对减少，细胞膜将不能保证从外界环境获取足够多的生活物质。从而为“细胞体积的增大是有限度的”提供合理的解释。
这样的设计，较好地演绎了“基于原型的引入→基于模型的实验→基于原型的阐释”的三段式教学，符合初中学生的学习心理和认知规律。
（四）探究性实验的教学分析
林晓琼等（2016）对CNKI上的529篇高中生物学探究实验教学研究论文进行统计分析，发现实验课题的涉及面不够广，教学策略研究多而实证和创新研究少。[8]探究指一切独立解决问题的活动，是人的一种生活态度和生活方式，也是人的天性。何谓科学探究？美国《国家科学教育标准》认为：科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据作出解释的各种方式。科学探究包括学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动。
乔纳森（Jonassen）把问题分成两类，即良构问题（well-structured problem）和劣构问题（ill-structured problem）。这对生物学科的探究性学习具有极好的指导意义。良构问题也称为定义良好的问题，是由明确的初始状态、已知的目标状态和受限制的一些逻辑因素组成的，往往有唯一的正确答案。我们的中学生物学教科书设计的探究课题基本上属于良构问题，学生只需按照固定的程序展开学习都能达到所需要的结果。
劣构问题也称为定义不良问题，这类问题与我们的日常生活实践密切相关，因而趣味性强，学习者主观能动性大。在解决这类问题的过程中，学习者则需要界定问题，选择有益于形成解决方案的信息和技能。这类问题大量地存在于自然界、现实生活和生产实际中，科研人员的研究课题属于此类，对学生富有挑战性。比如污染河流的治理、猪笼草的人工栽培和蚊子的收集等都属于劣构问题。
乔纳森进一步认为劣构问题具有以下特征：①界定不明确，问题的构成存在未知或某种程度的不可知部分；②目标界定含糊不清，缺少限定；③具有多种解决方法、途径或根本不存在解决方法，即没有公认的解决方法；④具有多种评价解决方法的标准；⑤可操控的参数变量很少；⑥没有原型的案例可供参考，因为案例中各重要因素在不同的情境具有显著差异，且这些因素是相互影响的；⑦不能确定哪些概念、规则和原理对形成解决方案来说是必需的，又如何将它们组织起来；⑧概念、规则和原理三者之间的关系在案例间的应用不一致；⑨对描述或预知大多数案例没有一般性的规则或原理；⑩在确定恰当的行动方面，没有明确的方法；⑪需要学习者表达个人对问题的观点或信念，因而解决问题的过程是一种独特的人际互动过程；⑫需要学习者对问题作出判断，并说明理由。
需要指出的是，劣构问题在我国生物学教学的理论研究与实践探索中几乎是一个空白，值得探讨。有关劣构问题的求解，本书第三章第四节将继续进行讨论。
探究性实验包括全程型探究和局部型探究两大类。全程型探究实验的一般教学过程包括：发现问题→提出问题→作出假设→制订实验方案→实施方案→得出结论→表达交流。只涉及其中一至几个环节的实验就是局部型探究实验。
探究性实验教学应加强探究技能的训练。探究技能也叫过程技能（process skills）。美国科学教育促进会（AAAS）提出13种过程技能，即观察、分类、应用数学、测量、应用空间与时间的关系、交流、预测、推理、下定义、形成假设、解释数据、控制变量、实验。这在我国的生物学课程标准和教科书中已经有所体现。
【教学片段一】如何引导学生提出问题？
问题是学生学习活动发生的根本原因和开展探究性学习的内在动力。探究性实验的问题可以由学生自主发现，也可以在教师的诱导下产生。教师要善于创设问题情境，并以问题为先导组织教学。例如“探究动物细胞吸水原理”的创新性实验，教师可以引导学生产生要探究的问题：
T：从植物细胞吸水的实验可以看出，白菜叶柄的质量变化与外界水溶液的浓度有关，这种变化是由于细胞吸水或失水引起的。如果这个实验用的不是植物细胞，而是动物细胞，那么实验现象有什么不同呢？
S：也会发生相似的现象，即放在清水中的一份质量增加，放在盐水中的一份质量减少。不同的是，在相同的时间内所增加或减少的质量可能与植物细胞不同。
S：不会发生相似的现象，因为动物细胞没有细胞壁和明显的液泡。
T：看来同学们有不同看法。那么接下来你们准备探究什么问题呢？
S：动物细胞是否可以吸水和失水？
S：假若可以，动物细胞的吸水原理是否与植物细胞一样？它们的吸水能力哪个更强？
【教学片段二】如何引导学生作出假设？
假设就是对于可见的现象提出可检验的解释或评价的过程。假设是推论的一种，有可能是不成立的，必须通过收集证据来支持或否定假设。假设不是凭空猜想，必须以已有的知识、经验或证据为依据。下面以某教师“探究叶绿素的形成”实验教学片段为例：
T：（显示几组各种绿色植物图片）绿色为大自然增添了无限的生机与活力，同时绿色也给我们带来了无穷的深思与遐想，这些植物为什么会呈现绿色呢？
S：植物体内含有叶绿素。
T：叶绿素的形成需要一个什么样的条件呢？
第一组：（展示青萝卜）露在外面的部分呈绿色，埋在土中没有见光呈白色，我们小组的观点是叶绿素在阳光下能够形成。
第二组：我们组觉得叶绿素在灯光下也能够形成，比如有的商场窗户都被挡住了，室内用灯光照明，在里面养的花也长的非常茂盛，花的叶也能够呈现绿色，所以我们组认为叶绿素在灯光下也能形成。
第三组：到了秋天，树叶由绿变黄了，我们小组觉得叶绿素的形成需要适宜的温度。
第四组：我们组觉得叶绿素在哪一种光下都能形成，不管是阳光还是灯光，我们组的观点是叶绿素在光下能够形成。
第五组：我们看到的绿色植物都生长在土壤中，我们认为土壤是叶绿素形成的条件。
第六组：（展示白菜、青土豆）白菜最外面的叶接受阳光的照射呈绿色，里面的叶没有受到阳光照射呈白色，青土豆露在外面的部分受到阳光照射呈绿色，埋在土里的部分呈白色，我们组认为叶绿素只有在阳光下才能形成。
在该教学过程中，各组同学依据实物和生活中的一些经验提出了本组的观点，这时假设就产生了。但是有些假设是难以通过现有的实验条件来探究的，这时教师可以对每组的假设给予一些评价并确定可以进行实验探究的假设。
总之，生物学的观察和实验是一种以感知为基础以认知为目的的实践教学活动，具有丰富的心理学基础，包括实践认识论和感知心理学，也包括情境性学习、认知建构和皮亚杰儿童认知发展等认知心理学原理。