IBDP与我国高中生物学实验课程比较研究
殷亚妮
摘要：IBDP生物学实验课程和我国高中生物学实验课程都以培养学生解决问题的能力为目标，但IBDP生物学实验课程更重视过程性，强调实验设计方法和数据处理分析的能力，多设置探究性实验;而我国高中生物学实验课程更关注实验操作技能以及对理论知识的验证，多设置验证性实验。以牛津版和人教版教材中“酶”的相关实验为例，从实验相关模块设置、内容安排和体例等方面进行比较，以期为我国高中生物学实验教学和教材编写提供参考。
关键词：IBDP;高中生物学;实验课程;比较研究
本文系江苏省教育科学“十三五”规划2020年中小学教师发展专项立项课题“以‘人人名师’为目标构建教师发展共同体的实践研究”（编号：Jc/2020/05）的阶段性研究成果。一、生物学实验课程目标的比较
（一）IBDP生物学实验课程教学目标
IBDP生物学课程强调实验教学的过程性，关注学生知识的生成过程，旨在培养学生解决问题的能力，全面提高学生的生物学素养。其实验教学方式以培养学生的创新能力为目标，促进学生通过实践来超越认知的局限，通过对问题本身的感受形成价值判断和各种能力。因此，学生在IBDP生物学实验课程中不仅能收获知识，更重要的是掌握学习方法，学会尊重事实而非尊重权威。在实验技能方面，IBDP生物学实验课程尤其重视培养学生的实验设计能力、数据处理和分析能力、结论提出与评估能力，认为这些能力对学生之后阅读文献、撰写科学论文有重要帮助，有很强的实践和应用价值。
（二）我国高中生物学实验课程教学目标
《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（下文称“新课标”）提出，应使学生通过生物学课程的学习“掌握科学探究的思路和方法，形成合作精神，善于从实践的层面探讨或尝试解决现实生活问题”中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：6。
，强调学生应安全、正确地使用实验器具和药品，鼓励学生参与设计实验，建议实验教学中重视定量研究，让学生在量的变化中了解事物的本质刘恩山，曹保义.普通高中生物学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：85。。
二、教材中实验类型及实施的整体比较
（一）IBDP生物学教材（牛津版）中的实验类型及实施
牛津版IBDP生物学教材中的实验类型多样（部分实验见表1），探究性实验远多于验证性实验，且有大量的构建模型类实验活动，比如绘制结构示意图或者用软件进行模拟等。不同实验的侧重点不同，有些实验用于培养学生设计实验的能力;有些实验给出实验设计思想，只培养学生数据收集、分析或结果讨论的能力，而且重视对现代化实验仪器的应用，比如使用传感器检测指标变化并收集数据。笔者了解到，在IBDP生物学实验教学过程中，教师的自由度非常大，在符合课时要求的基础上，可以自由选择实验的内容和类型，教材中的实验只是参考。IBDP生物学实验课程还有对学生实验能力的内部评估，会从方案设计、数据收集和处理、结论和评价、操作技巧、人际技巧等多维度展开，因此，教师会选择合适的实验针对性地培养学生的相关能力。
（二）我国高中生物学教材（人教版）中的实验类型及实施
基于新课标编写的人教版高中生物学必修教材中，共有17个实验（见表2），其中，验证性实验9个、探究性实验6个、构建模型类实验2个。实验类型以验证性实验为主，在实验教学中注重观察能力的培养和操作技能的熟练程度等;探究性实验的教学方法还不完善，探究也仅限于初步阶段，在實验过程中往往自变量和因变量既定，材料、步骤都给出，对学生的要求更多的是能陈述自变量与因变量的关系，了解观察或测量变量的方法，收集和简单处理实验数据，根据实验现象和数据得出结论等;构建模型类实验以模型制作为主，缺少利用现代化数字设备进行的模拟实验。
三、教材中实验相关模块设置、内容安排及体例的具体比较
人教版高中生物学必修1（2019年第1版）第五章《细胞的能量供应和利用》第一节、牛津版IBDP生物学教材（2014年第1版）第二章molecular biology第七节，均是有关“酶”的内容，包含多个关于酶特性的实验活动。两版教材都依托本章节教学内容系统讲解了科学探究过程中设计以及实施实验的方法和注意事项，极具对比性。下面，以“酶”的相关实验为例，具体比较两版教材中实验相关模块设置、内容安排及体例。
（一）实验相关模块设置的比较
人教版教材与实验相关的模块有“探索·实践”和“科学方法”，其中“探究·实践”介绍具体的实验内容，“科学方法”则总结与同章节实验内容密切相关的科学研究方法，比如提出假说、构建模型、控制变量、设计对照实验等。牛津版教材中，有“技能主题”“实验数据分析”和“科学本质”三个与实验相关的模块。三个模块侧重点不同，前两个模块以具体的实验为依托，“技能主题”模块在于培养学生设计实验的能力和实验操作技能，“实验数据分析”模块会介绍一些研究数据，强化学生收集、处理、呈现和分析实验数据的能力;而“科学本质”模块则是对实验设计规律的总结。两版教材中实验模块设置上的共性是通过具体的实验活动总结普遍的实验探究规律和实验设计原则，但相较而言，牛津版教材更注重培养学生分析和处理数据的能力。
（二）实验内容安排的比较
人教版教材安排了3个“酶”的相关实验，分别为：比较过氧化氢在不同条件下的分解、淀粉酶对淀粉和蔗糖的水解作用、影响酶活性的条件。前2个为验证性实验，分别验证酶的高效性和专一性;第3个是探究性实验，探究温度、pH对酶活性的影响。牛津版教材的3个实验分别为：水解凝胶块（不同pH条件下）、验证底物浓度对酶反应速率的影响、探究温度对脂肪酶活性的影响。从内容上看，牛津版教材只是探究了环境因素对酶活性和酶促反应的影响，人教版教材则更胜一筹：实验涉及酶的高效性、专一性及环境条件的影响，帮助学生充分地理解酶的特性，促进理论知识的学习。
此外，人教版教材中实验活动安排在相关理论教学之前，让学生通过实验来理解酶的特性，只需掌握自变量和因变量之间的关联性质即可，因此为定性实验。而牛津版教材中实验安排在理论教学之后，是对已经掌握的理论知识的验证，且要在此基础上寻找具体规律，是定量实验。
（三）实验体例的比较
两版教材中，“酶”相关的实验均只涉及探究性实验和验证性实验两种，故下文将比较两版教材在编写这两种实验类型时的体例差异。
1.验证性实验的比较
人教版教材中，验证性实验明确分为目的要求、材料用具、方法步骤、讨论、结论五部分，给出了详细的实验方案，学生只需按照步骤实施。而步骤中关于实验结果的要求多为“仔细观察并记录实验结果”“观察两支试管内的溶液颜色变化”，是对现象的观察描述，无须测量和分析数据。讨论环节会针对实验方案和现象进行分析并提出问题，促进学生对实验的理解，同时也会建议学生交流合作，比如 “你对本实验的过程有什么疑问吗？如果有，请提出来与本小组同学讨论”。
牛津版教材中，验证性实验无条目划分，只包括背景知识介绍和思考题两部分。在背景知识中说明实验目的、材料仪器，并通过实验装置图提示实验方法，但不提供具体的操作步骤，而是借思考题启发学生思考如何控制无关变量（列举出两个酶浓度以外的无关变量），设定并改变自变量（若将初始底物浓度增加或减少02 mol/L，请预估酶活性变化），减少实验系统误差（为何在取样前需要彻底搅拌酵母菌培养液？称量所有凝胶块的总重量和分别称量每一块的重量，哪种操作更好？），测量因变量（下述方法能否测定蛋白质的水解速率？）等问题，引导学生完善实验方案。这有利于培养学生设计实验的能力，为学生独立进行科学探究做准备。此外，通过分析实验误差（讨论表中的结果是否可靠，说明为何使用第二次提取的蛋白酶会影响实验结果），学生质疑实验操作中的不足，促使学生找到减少误差的改进方法，培养学生严谨的求知态度。同时，牛津版教材特别重视实验数据的分析、处理和展示（将表中的数据用曲线图表示出来），要求学生用数学方法去处理和表示数据，并据此寻找自变量和因变量之间的关系，得出结论。
两版教材中，验证性实验的侧重点不同：人教版教材更强调学生依据教材的方案和步骤亲自实施，重视学生之间的交流合作;牛津版教材则要求学生思考实验方案的可行性、操作细节的合理性，更注重实验方案的设计和实验数据的分析。
2.探究性实验的比较
人教版教材中，探究性实验在结构上分为背景知识、提出问题、作出假设、材料用具、设计实验、进行实验、分析结果、结论和应用、表达和交流、进一步探索十个部分。首先，要求学生根据给定的背景知识提出想探究的问题，并作出合理假设;设计实验环节，通过一系列的提问，学生思考实验相关变量的确定（本实验的自变量是什么？因变量是什么？如何控制自变量？怎样观察或检测因变量？）材料用具的选择（你选择哪一种酶作实验材料？为什么选择这种酶？），实验结果的记录（设计好记录实验数据的表格）等。此外，人教版教材强调交流合作，不仅在设计实验时要“经讨论，形成小组的实验方案”，得出结论后更要“与其他小组交流”“听取其他小组的质询”等。在结论和应用环节，要求学生用实验所得结论去解释现实问题：“你认为在酶制品的储藏、运输和使用过程中，应该注意什么问题？为什么？”最后，在进一步探究环节，建议学生自行设计定量实验，并提示数据呈现的方式，培养学生用数学方法分析实验数据的能力。
牛津版教材中，探究性实验部分设置了很多关于实验变量的思考题：“明确实验自变量以及如何改变自变量;明确测量自变量变化的基本单位;明确合适的自变量变化范围”，“说明怎样精确测量因变量;明确因变量的测量单位;说明为何每个温度至少需要3组重复实验数据”，“列出本实验涉及的无关变量（控制变量），说明其应保持的水平，并解释原因”等。这不仅有利于学生掌握某个具体的实验，更能帮助学生归纳概括出设计探究性实验的方法，培養自主学习的能力和设计实验的逻辑思维能力。此外，牛津版教材关注实验操作的细节：“解释下列操作的原因：温度计要放在装有更多液体的试管中;把底物加入酶中，而非把酶加入底物中。”这能启发学生的思考，有效提高学生的实验操作技能。同时，要求“以温度变化为横坐标（0—80 ℃），指示剂颜色变化所需时间为纵坐标，画出你预计的实验结果图像”，巧妙构建数学模型，并能够通过曲线图形象地解释温度与酶活性的关系，培养学生用合适的方式阐明实验结果的能力。最后，回归生活实际，“判断并解释人胰腺分泌的脂肪酶和萌发的蓖麻种子中的脂肪酶相比，哪一个的最适温度更高”， 让学生运用所学到的生物学知识解释生活中的现象，培养学生解决实际问题的思维习惯和能力。
通过对比得知，两版教材中探究性实验的共同点是重视实验方案的合理性和科学性，强调设置自变量、因变量和对照组以及进行重复实验的必要性，关注所得结论与生活生产实际的联系，让学生体会到科学探究的意义和价值。不同之处在于，牛津版教材更加注重实验操作的细节，强调实验数据的处理和呈现方式;而人教版教材更加关注实验设计的基本要素，如探究性实验的编排结构遵循科学探究的基本过程，有助于学生在课堂中体验真实的科学探究过程张惠惠，韦艳艳.对比中美高中生物实验，探究理性思维——以“温度对酶促反应的影响”实验为例[J].中学生物学，2017（9）：7172。。
四、几点启示
实验活动是培养学生科学探究素养和科学精神的重要学习方式，需要教材为教师和学生提供更多的自主选择权，给学生自主设计实验方案的机会，充分发挥学生的创造性思维。而目前人教版教材中的实验内容和操作步骤较为详尽，一方面，有利于指导学生的实践操作，另一方面，会导致部分学生“依葫芦画瓢”，弱化主动探究和积极创造的驱动力，这就需要教师适当“牵引”。
IBDP生物学课程相对重视过程性教学方法，重视对探究能力和自主设计实验能力的培养，其探究性实验已经相当完善和成熟。我国高中生物学课程相对重视学科知识和实验技能，体现为验证性实验比例高，通过强调结论一致性来识记实验原理，在实验教学中注重观察能力的培养以及操作技能的熟练等。
两种课程都将培养学生的合作精神和沟通交流能力作为重要目标之一，但在教材的实验活动中体现形式不同。人教版教材在实验活动的讨论环节明确提出“与小组成员进行交流”的要求，而牛津版教材则在实验中安排了大量的数据测量、收集和处理任务，以及搭建复杂的实验装置任务，这些是个人无法独立完成的，必须借助小组合作来实现。在教材编写中，怎样通过设置合适的活动任务来促进课程目标的达成，我们需要借鉴牛津版教材。
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