《生物學實驗教學研究（第二版）》是為適應高等師范院校生物教育專業(yè)及中學生物學教學改革需要而編寫。《生物學實驗教學研究（第二版）》以研究當今中學生物學教師所需要的實驗教學理論、方法和能力為基本任務，以理論系統(tǒng)、方法新穎、語言簡練、內(nèi)容豐富，又便于自學為基本要求。《生物學實驗教學研究（第二版）》內(nèi)容共8章，主要對生物學實驗教學研究進行了概述，重點介紹了生物學實驗教學目標、類型，生物學實驗教學過程及優(yōu)化，生物學實驗設計和生物學實驗教學評價，還介紹了生物學實驗材料的采集與制作、生物學實驗教學主要場所等。
生物學是一門以實驗為基礎的科學。生物學實驗教學是中學生物學教學的重要組成部分，是達成中學生物學教學目標的基本途徑。搞好生物學實驗教學研究，對于培養(yǎng)合格的中學生物學教師，推進基礎生物學教育教學改革，貫徹素質(zhì)教育的要求有重要意義。基于這一初衷，2004年我們編寫了《生物學實驗教學研究》，該教材出版發(fā)行以來得到了廣大讀者的厚愛和好評。為適應課程改革深入發(fā)展的要求，修訂出版以來廣大讀者在閱讀中發(fā)現(xiàn)的問題，吸收一些有益建議，我們決定再版。
根據(jù)生物學實驗教學的特點，在再版過程中注意理論聯(lián)系實際，既探討生物學實驗教學的理論，更重視生物學實驗教學的實踐性和操作性。本教材既是編者教學和科研的總結(jié)，又吸收了國內(nèi)外最新的科研成果，力求理論新穎，與時代同步，有助于當前中學生物學教學改革。
本書由陳繼貞教授、燕艷副教授編寫提綱，徐宜蘭老師、尹苗副教授參與了修訂。編寫分工如下：徐宜蘭（第1章）、劉坤（第2章）、王秋華（第3章）、燕艷（第4章）、尹苗和張峰（第5章）、卜慶梅（第6章）、周續(xù)蓮（第7章）、楊珺和賀建東（第8章）。最后由陳繼貞教授、張祥沛審閱定稿。
本書的出版得到了曲阜師范大學生命科學學院、山東師范大學生命科學學院、科學出版社的大力支持和幫助。參閱了同行、專家的著作、論文，在此我們表示衷心的感謝。
目錄
第1章生物學實驗教學研究概述1
1.1生物學實驗2
1.2生物學實驗教學5
1.3生物學實驗教學研究的主要任務11
1.4生物學實驗教學研究方法與步驟15
1.5生物學實驗教學研究展望19
第2章生物學實驗教學目標22
2.1生物學實驗教學目標確立的依據(jù)22
2.2生物學實驗教學的總目標25
2.3生物學實驗教學的認知目標25
2.4生物學實驗教學的操作目標29
2.5生物學實驗教學的情感目標39
第3章生物學實驗教學類型46
3.1演示實驗46
3.2學生實驗50
3.3課外實驗55
3.4研究性課題58
3.5探究性實驗與驗證性實驗64
3.6模擬實驗與虛擬實驗70
第4章生物學實驗教學過程74
4.1實驗教學過程的主要環(huán)節(jié)74
4.2實驗教學過程中的因素75
4.3實驗教學過程的優(yōu)化86
第5章生物學實驗設計90
5.1生物學實驗設計的作用90
5.2生物學實驗設計的原則91
5.3生物學實驗設計中的假說、預期和變量93
5.4生物學實驗設計的方法步驟95
5.5實驗設計示例98
第6章生物學實驗教學的評價103
6.1生物學實驗教學評價的作用103
6.2生物學實驗教學評價的內(nèi)容及形式104
6.3生物學實驗教學評價的實施108
6.4生物學實驗考核118
第7章生物學實驗教學材料的采集制作123
7.1生物學實驗教學材料的采集123
7.2生物學實驗教學材料的培養(yǎng)132
7.3生物學實驗標本的制作138
第8章生物學實驗教學的主要場所160
8.1生物實驗室160
8.2培養(yǎng)室167
8.3實驗園地170
參考文獻174
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第1章 生物學實驗教學研究概述
內(nèi)容提要：①生物學實驗教學的概念、地位與作用； ②生物學實驗的概念與特點；③生物學實驗教學的主要任務； ④生物學實驗教學研究方法與步驟；⑤生物學實驗教學的展望。理解生物學實驗教學的概念，掌握生物學實驗教學研究的方法與步驟，清楚生物學實驗教學的發(fā)展趨勢。
生物學是一門集實驗性、實踐性及科學性于一身的自然科學，隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展，它越來越顯示出其作為 21世紀領先學科的獨特魅力。實驗教學是生物教學不可分割的重要組成部分，它是幫助學生實現(xiàn)由感性認識到理性認識，由具體思維到抽象思維飛躍的一個重要環(huán)節(jié)，應當引起廣大生物教師的高度重視。因此，各國在中學生物教學中都極為重視實驗教學。搞好生物學實驗教學研究，對于培養(yǎng)合格的中學生物學教師，推進基礎生物學教育教學改革，貫徹落實素質(zhì)教育有重要意義。
根據(jù)生物課程標準規(guī)定的培養(yǎng)目標，中學生物學教學內(nèi)容增加了實驗的數(shù)量和類型，變化較大。從實驗的類型上看，既有驗證性實驗（如觀察細胞的有絲分裂等），又有探索性實驗（如酶的高效性和專一性等），有些實驗既可以是探索性實驗，又可以是驗證性實驗（如植物細胞的質(zhì)壁分離與復原等）；既有訓練基本技能的實驗（如高倍鏡的使用和觀察葉綠體的裝片），又有幫助學生學習科學研究的一般方法、發(fā)展科學探索技能的實驗（如植物向性運動的實驗設計和觀察等）；既有定性分析實驗（如生物組織中可溶性還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)的鑒定等），又有定量分析實驗（如幾種果蔬中維生素 C含量的測定）。
回顧傳統(tǒng)的生物實驗教學，雖然也有知識、操作及各種能力的要求，但其核心仍停留在基礎知識的學習和基本技能的培養(yǎng)上，追求反復記憶和重復訓練，結(jié)果只能培養(yǎng)大量模仿型或熟練操作型的“實驗操作工”，這顯然已經(jīng)不能完全適應當今以培養(yǎng)學生實驗創(chuàng)新能力為核心的素質(zhì)教育的需要。且由于種種原因，目前生物實驗教學沒有引起足夠的重視，缺乏有效的規(guī)范管理。
隨著生物學課程改革進一步深入開展，生物學實驗教學越來越引起人們的重視，反觀生物學實驗教學現(xiàn)狀，深感實驗教學的滯后，將嚴重影響和制約新課改的實施。加強生物實驗教學改革，使之與現(xiàn)代素質(zhì)教育的要求相一致，這不僅是教育觀念的轉(zhuǎn)變，也是每個生物教師面臨的全新實驗研究課題。生物學實驗教學如何適應現(xiàn)代生物科學技術(shù)的發(fā)展水平，以滿足社會主義現(xiàn)代化建設對科技人才的需求，這是當前生物教學改革的重要課題之一。
1.1 生物學實驗
1.1.1 生物學實驗的概念
生物學是一門以實驗為基礎的自然學科，幾乎所有的生物學規(guī)律都源于生物學實驗。生物學實驗是有一定的研究對象，并根據(jù)研究目的，運用一定手段（儀器、設備等）主動控制、干預研究對象，或控制條件，即創(chuàng)造一種典型環(huán)境或特殊條件等，并在其中進行的探索生命現(xiàn)象及其運動規(guī)律的實踐活動。
在每一個實驗過程中，從實驗意念的產(chǎn)生到實驗方案的設計，從實驗結(jié)果的分析到實驗報告的完成，每一步都是思維的結(jié)果。
1.1.2 生物學實驗的特殊性
物理學、化學等自然科學都是實驗學科，這些學科的創(chuàng)立和發(fā)展，也都離不開科學實驗。同物理學、化學實驗相比，生物學實驗有以下幾個獨特之處。
1．實驗場所靈活多樣
生物學面向廣闊的自然界，自然界內(nèi)的大小生命系統(tǒng)都可以成為生物學實驗的對象；不同的動植物生命活動都可以用來達到同樣的教學目的。由此可見，生物學實驗比起物理、化學實驗，條件顯得更為優(yōu)越。除了充分利用生物實驗室外，校內(nèi)的生物角、生物園，校外的農(nóng)田、山林、江河湖海、動物園、植物園、自然博物館等，都可以用來做生物學實踐活動活的實驗室。在目前我國中學實驗條件缺乏的情況下，更應發(fā)揮生物學實驗的這一優(yōu)勢。
2．實驗周期較長
生物的生命活動，一般都要持續(xù)一段較長的時間。因此，生物學實驗的周期往往較長。如繁殖極快的果蠅，繁殖一代也需用十幾天時間。雜交育種實驗從制種到育成新品種，在正常情況下至少也要經(jīng)過兩三年的努力。根據(jù)這一特點，中學生物學實驗應注意周密計劃，統(tǒng)籌安排，尤其要注意實驗材料用具的使用和供應問題。
3．實驗材料多為有生命的個體
實驗材料大多是活的生物。例如，探究光對鼠婦生活的影響，組織學生捉鼠婦；觀察草履蟲，需要教師提前半個月培養(yǎng)草履蟲；為了做光合作用實驗，需要培育多盆天竺葵；觀察小魚尾鰭內(nèi)血液的流動，探究魚鰭在游泳中的作用，都要用到活小魚等。這些實驗材料的準備都費時、費力又費錢，而且不能重復使用，每年都要重新準備，這也是生物實驗課開課情況不好的一個主要原因。
4．實驗內(nèi)容受季節(jié)影響較大
生物的生命活動受溫度、光照等條件的影響很大，在目前中學實驗室現(xiàn)有條件下，實驗材料的獲取或培養(yǎng)也要受季節(jié)影響。例如，觀察花的結(jié)構(gòu)，在 12月份很難采到花；觀察蚯蚓、草履蟲的培養(yǎng)，種子萌發(fā)，光合作用等都受到季節(jié)的影響。
5．綜合性實驗多
生命運動是比物理、化學等運動形式更高級的物質(zhì)運動形式。這種物質(zhì)運動形式的復雜精細的過程，既呈現(xiàn)出生命的本質(zhì)特征，又受非生命變量的影響和制約。因此生物學實驗大都是綜合性的，既要突出生命性，又必須運用物理、化學等學科的判斷標準。例如，初中生物中的活體解剖青蛙及脊蛙反射實驗，都要借助特定的化學藥品和一定的物理條件。又如，在高中生物中所列舉的孟德爾豌豆雜交實驗里，除考慮豌豆種子的質(zhì)量以外，還必須顧及土質(zhì)、肥料、溫度、雜交技術(shù)等非生命因素。生物學實驗的綜合性，為培養(yǎng)學生的準確操作能力、綜合觀察能力及多學科的思辨能力，提供了機會。
1.1.3 生物學實驗的發(fā)展歷程
1．古代生物學實驗
從某種意義上講，生物學是和人類及其實踐活動一起誕生的，生物學實驗也是源于人類的各種實踐和嘗試。人類真正有意識地認識生物，是從原始社會人的采集和狩獵開始的。沒有原始人的各種實踐和嘗試，今天的“實驗”也就成為無源之水、無本之木。
進入文明社會以后，人們開始有目的地對各種生物的形態(tài)、習性進行探索。傳說在大約公元前 2000年的中國夏代，人們就已經(jīng)知道釀酒了，有文字記載的是公元前 1600年的殷代，人們用曲糵制酒。釀酒業(yè)可以說是古人比較系統(tǒng)地進行“生物學實驗”操作的典型代表。公元前 1000年，中國的《詩經(jīng)》就有了大量關于動物、植物知識的記載，都是人們觀察自然后進行的描述。
關于雜交實驗最早的記載，是公元 121年我國東漢時期的許慎所著《說文解字》中提到的“鴁，驢父馬母者也；駃騠，馬父驘子也。”大約公元前 600年，古希臘生理學家阿爾克邁翁即對人和動物的尸體進行了解剖。被西方稱為“生物學始祖”和“動物學之父”的古希臘哲學家、動物學家亞里士多德（公元前 384～公元前 322）曾對 540種動物進行了分類，對其中 50多種動物進行了活體解剖觀察，并做了詳細記錄。在我國古代就曾有神農(nóng)嘗百草，“一日而遇七十毒”的傳說。古人為了認識自然現(xiàn)象而自覺地通過簡陋的手段專門進行一些觀察和比較，可以看作科學實驗的先驅(qū)。
由于古人探索實驗手段簡單、工具簡陋和方法局限，古代生物學實驗的特點表現(xiàn)為：①以觀察為主的手段和以描述事實為主的結(jié)論；②還沒有從以經(jīng)驗為主的勞動實踐中分化出來，其實驗的目的和內(nèi)容是直接獲取人類所需要的物質(zhì)，其技術(shù)手段是生產(chǎn)實踐中的經(jīng)驗積累；③還沒有完全擺脫原始的思辨，即還沒有完全從自然哲學中分化出來。
2．近代生物學實驗
生物學實驗在走向科學的道路上經(jīng)歷了艱難和曲折。維薩里、塞爾維特等作為科學實驗的先驅(qū)，為探索生命的本質(zhì)而獻身，而他們最初的探索，還是沒有完全擺脫以“考察事實”為主的解剖實驗。真正開創(chuàng)以科學研究為主的生物學實驗的是英國生理學家、醫(yī)生威廉 哈維（ W. Harvey，1578～1657）。他應用了正確的研究方法——在觀察事實的基礎上提出假設，并通過實驗來證實假設。哈維之后，生物學實驗開始在生理學、微生物學、細胞學、遺傳學等領域迅速發(fā)展起來，同時推動了這些領域的發(fā)展。
近代工業(yè)技術(shù)的巨大發(fā)展，使得許多先進的儀器設備進入科學實驗，如顯微鏡的出現(xiàn)和改進。物理學、化學、醫(yī)藥學的方法、手段等引入生物學實驗，對生物學的一些問題做出了科學的解釋。 1821年，由法國生理學家馬真迪（ F. Magendi，1783～1855）創(chuàng)辦的《實驗生理學雜志》正式創(chuàng)刊，這是生物學史上第一本以實驗研究為內(nèi)容的雜志。它的誕生，促進了實驗生理學的發(fā)展及實驗方法在生物學研究中的應用。19世紀，科學實驗在生物學領域呈現(xiàn)出全面繁榮的局面。
近代生物學實驗從古代的生產(chǎn)實踐中分化出來，走上了科學的道路，有如下特點：①生物學實驗不再是對自然現(xiàn)象的觀察和描述，而是有目的地對生命本質(zhì)的探索；②生物學實驗從原始的生產(chǎn)實踐中分化出來；③建立了生物學實驗的方法和手段。
3．現(xiàn)代生物學實驗
19世紀末，自然科學開始了全面的、革命性的發(fā)展，生物學實驗也進入了現(xiàn)代發(fā)展階段，現(xiàn)代生物學實驗的內(nèi)容更為深入和廣泛，設備、方法和手段更為完善和先進。1895年，德國物理學家倫琴（ W. K. Rontgen，1845～1923）發(fā)現(xiàn) X射線。1951年，英國生物物理學家威爾金斯（ M. Wilkins，1916～2004）將 X射線衍射技術(shù)應用到對 DNA結(jié)構(gòu)的研究中，獲得了突破性進展。美國遺傳學家沃森（J. Watson，1928～）和英國物理學家克里克（ F. H. C. Crick，1916～2004），在此基礎上于 1953年提出了 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。放射性的發(fā)現(xiàn)及同位素示蹤技術(shù)，開辟了現(xiàn)代生物學實驗的新途徑。
隨著現(xiàn)代物理學、化學的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被引入現(xiàn)代生物學實驗中。20世紀 40年代以后發(fā)明了核磁共振技術(shù)， 20世紀 60年代激光技術(shù)、超速離心機、層析技術(shù)、電泳技術(shù)等都廣泛應用到生物學領域中，促進了現(xiàn)代生物學實驗的發(fā)展。電子顯微鏡、掃描隧道電子顯微鏡的使用使人類對生物超顯微結(jié)構(gòu)有了更深入的認識。 20世紀 70年代在分子生物學基礎上發(fā)展起來的現(xiàn)代生物技術(shù)——生物工程的產(chǎn)生和發(fā)展，標志著現(xiàn)代生物學實驗已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)模式，而直接將生命科學的理論和發(fā)現(xiàn)應用于生產(chǎn)實踐的探索。電子計算機的應用使生物學實驗的周期大大縮短，而且使實驗的準確度大大提高。數(shù)學模型廣泛應用到高級神經(jīng)活動的生理學、復雜的生物系統(tǒng)、遺傳學、生態(tài)學的研究中是現(xiàn)代生物學實驗革命的另一個標志。
現(xiàn)代生物學實驗從內(nèi)容到手段、方法，乃至實驗模式，都發(fā)生了巨大的變革，有如下特點：①物理學和化學的新成果、新技術(shù)為生物學實驗提供了日益完善和精密的實驗手段；②生物學實驗與生物技術(shù)的關系日益緊密；③生物學實驗傳統(tǒng)模式的變革。總之， 20世紀以來，生物學實驗取得了突破性進展，生物科學也獲得巨大的發(fā)展。21世紀，生物科學將成為整個科學的前沿學科，生物學實驗的作用也將越來越大。
1.2 生物學實驗教學
1.2.1 生物學實驗教學的概念
在生物學教學活動中，以實驗作為重要教學內(nèi)容的教學，都稱為生物學實驗教學，即根據(jù)生物學的教學目的、學生的認識水平、教學條件，有目的地安排、設計一些類似科學實驗的模式、程序，在規(guī)定的較短時間內(nèi)進行實驗操作，以達到實驗目的要求的教學實踐活動。在生物學教學中做的生物學實驗稱為生物學教學實驗。
1.2.2 生物學實驗與生物學教學實驗的區(qū)別與聯(lián)系
1．一致性
（1）實驗的性質(zhì)兩類實驗都有目的性，從認識論的角度來看都具有可知性。
（2）實驗的構(gòu)成從靜態(tài)來看，由實驗者、實驗對象和實驗手段組成；從動態(tài)來看，都要經(jīng)過實驗的準備、實驗的實施和實驗結(jié)果的處理3個基本階段。
（3）實驗的功能從在認識論中的地位來看，都是溝通實驗客體與科學認識或教學認識（學習認識）的中介；從對認識論的作用來看，是認識的來源和動力，是檢驗真理的標準。
（4）實驗的理論指導兩類實驗的設計、實施和結(jié)論的獲得都離不開科學方法的指導，生物學實驗是以實驗方法論為指導，教學實驗要接受實驗方法和教學論方法的共同指導。
2．差異性
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