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视频标签：生物科学实验,设计与实施
所属栏目：高中生物优质课视频
视频课题：苏教版高中生物选修一“生物科学实验的设计与实施”江西省 - 宜春
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“生物科学实验的设计与实施”的教学设计与案例
一、教材分析
《生物科学实验的设计与实施》是苏教版(普通高中课程标准实验教科书)生物选修1《生物技术实践》附录5的内容。生物是一门基于实验的自然科学，选修1是生物技术实践专题，该书绪论开门见山就强调：实验开启生物科学王国的大门，在学习完附录1《生物科学实验规则》后再来学习《生物科学实验的设计与实施》，不仅知识衔接上水到渠成，而且是对整个高中阶段生物科学实验的完美总结和技能提升。
此内容编入高中生物选修教材，对教师和学生来说都比较陌生，而且专业性比较强，三本必修和一本选修课本中的生物实验零星分布，在实验教学中只是具体问题具体分析，没有专门对生物科学实验如何进行科学设计与实施作为一个课题进行系统学习，本节课内容中实验设计应考虑的三要素和应遵循的四个原则就属于专业性强的知识，要让高中生真正掌握和科学运用不是容易的事，所以在高考中，生物科学实验的设计与实施一直是高频考点，可以检验一个学生的生物科学素养和综合能力，这部分知识的传授对教师来说是具有挑战性的。
《生物科学实验的设计与实施》包括三部分的内容：设计实验、实验设计的要素和原则、实施实验。科学设计实验的前提是要掌握实验设计的要素和原则，实施实验中保证实验成功的关键仍然是严格控制实验条件和排除各种干扰，所以我把课本编排的这三部分内容的顺序调整，先引导学生分析掌握生物科学实验设计应考虑的三要素和应遵循的四个原则，然后顺理成章的引导学用灵活运用“三要素和四原则”进行实验设计及实施实验，本堂课为第2课时。
二、教学目标 （一）知识目标
1．简述实验设计“三要素”中实验对象、实验因素、实验效应的定义及各因素在实验设计和实施中的影响。
2．说出实验设计的“四原则”及各原则在实验设计中的目的和作用。
3．能从实验设计“三要素”和“四原则”角度来深度分析高中生物中的一些经典生物科学实验。
（二）能力目标
1．在分析探讨人吃抗生素后饮酒易猝死问题中学会运用专业的生物术语、培养学生交流表达能力和合作学习能力。
2．在小组交流过程中，认同并掌握实验设计“三要素”和“四原则”，能独立构建生物实验设计科学的思维模型，培养学生的科学探究能力。
（三）情感、态度和价值观目标
1．认识生物科学实验的设计原理，理解社会、科学、技术之间的关系，认同尊重生命、热爱生命，培养学生全面的生物科学素养。
2．通过吃抗生素后饮酒易猝死实验的探讨学习，培养学生乐观的生活态度和健康的生活方式，还培养学生追求真理严肃认真、实事求是的科学态度和科学精神。
三、教学难点与重点
本课时的教学内容是生物科学实验设计应考虑的三要素和应遵循的四个原则。高中生物的每一册教材中都学习了相关内容的经典成功的生物实验。对生物科学实验设计“三要素”中实验对象、实验因素、实验效应有一定的知识基础，
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但在具体的生物实验课题的研究中，往往对“三要素”和“四原则”难以做到全面考虑和准确运用，所以将生物科学实验设计的三要素和四个原则的运用确定为教学难点和重点。
四、教学策略
提高每个高中学生的生物科学素养是高中生物课程标准实施中的核心任务，构建生物实验设计科学的思维模型是生物科学素养的一种重要表现。本课时生物术语多、专业性强，对生物科学实验设计的三要素和四个原则的科学运用是本课时的重点与难点。为了实现专业知识大众化，化难为易，突破教学难点与重点，使学生乐于学习且易于掌握，我准备实施以下教学策略：
1．通过人吃抗生素后饮酒易猝死生物实验课题、以分组讨论、合作学习的方式引入本节课主题---生物科学实验设计的三要素和四原则，结合自己身边的生活现象引起学生的思考，可激发学生的学习兴趣。
2．通过播放小白鼠吃抗生素后饮酒的实验过程短视频引入新课，唤起学生对已学的实验设计知识的记忆，为后面专业化实验设计的三要素和四原则作铺垫，符合学生从已知到未知、从简单到复杂，从个别到普遍的认知规律；另一方面，CAI课件展示了小白鼠吃抗生素后饮酒致死现象，形象生动，贴进生活，激发学生进一步探究自己身边的科学的学习热情，明白生活处处皆科学的道理，理解社会、科学、技术之间的关系，认同尊重生命、热爱生命。
3．在学生合作交流、共同分析并完善“小白鼠吃抗生素后饮酒致死”的实验设计和实施后，采用自主学习、独立思考的方式，让学生自己来构建生物实验设计科学的思维模型，以提高自主学习能力、逻辑思维能力、知识的再创造能力以及科学思维模型构建能力，从中领悟到成功的乐趣，也由此来落实学习重点。
4．在学习了实验设计的三要素及四原则后，引导学生启动发散思维，回顾高中生物教材中的一些成功经典案例，比如恩格尔曼用水绵和好氧细菌研究光合作用就是因实验对象创新并成功获诺贝尔奖的佳作，萨克斯天竺葵实验就是对实验因素及实验效应充分考虑再科学选择的范例，著名生物学家达尔文以金丝雀虉草开展对植物向光性原因的探究就是以最简单易得的实验对象将实验设计的三要素及四原则运用得心应手的典范，这样就将专业性很强的实验设计的三要素及四原则回归到了学生非常熟悉的知识上，通过高起点低落点来实现专业知识大众化，较好的突破本课的难点，掌握重点。
5．最后以2019年高考理科综合全国一卷29题来检验学生对本节核心知识的掌握，采取策略请两位同学手端两盆绿色植物站在讲台前分别模拟干旱和脱落酸两种不同的实验因素，引导学生身临其境设计实验，科学把握和灵活运用生物科学实验设计的三要素和四原则，让高二学生在活动中体验到能够战胜高考成功喜悦，增强学习信心激发兴趣。
五、教学设计流程及设计意图
问题导入：提出人吃抗生素后饮酒易猝死的问题探讨及如何开展这个生物课题的研究实验进行课题导入，进而引出进行生物科学实验应考虑的要素。
引入主题，引起思考，激发学习兴趣。
引出课题：生物科学实验设计的要素。 自然过渡。
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播放小白鼠吃抗生素后饮酒实验视频，引导学生回顾对照实验的设计模型。 对知识进行归纳和再加工，进一步激发学习热情，并学习构建新的知
识结构模型，为后面学习生物科学实验设计的三要素和四原则作铺垫。
组织学生分析问题1：“为什么不用人直接做实验”和“用小白鼠做实验材料的优势”，引导学生归纳科学选择实验对象的重要性和必要性。
理解实验对象的概念，提高合作学习和交流表达能力。
问题探讨2：有哪些实验变量控制合理，有哪些需要改进，如何改进？引导学生分析实验因素对实验结果的影响，以及如何科学的控制实验因素和非实验因素。 通过巧妙设问和分析，引导学生从控制实验变量延伸到新概念--实验因素，即生物科学实验设计三要素中的第二个要素，完成了将原有
知识向生物实验设计三要素的专业知识的迁移。
理解实验因素的概念，与前期已学的单因子变量原则思想相统一，为后面的“对照原则”的学习作准备，提高学生缜密的逻辑思维能力。
问题探讨3：除了观察小白鼠是否死亡做为实验现象，还可以通过监测小白鼠的哪些生命体征反映其生理变化？引导学生分析实验效应的三种类型，以及如何提高实验结果的可信度。 通过巧妙设问和分析，引导学生理解实验效应的概念，即生物科学实验设计三要素中的第三个要素，形成科学实验需要科学技术和仪器材料的支撑思想，为后面的“重复
和经济原则”的学习作准备。
引导学生归纳出实验设计的“三要素” 通过归纳学习，让学生明确任何生
物科学实验都应考虑的“三要素”，知识上升到专业化层次。
知识迁移：组织学生深度分析高中生物中对实验因素及实验效应及对照原则科学运用的经典范例，如恩格尔曼用水绵和好氧细菌研究光合作用、萨克斯的天竺葵实验、达尔文提高自学归纳能力、知识的迁移和再创造能力以及生物实验模型构建能力，通过自主学习突破本课的难点，落实学习重点。
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以金丝雀虉草开展对植物向光性原因的探究，这样就将专业性很强的实验设计的三要素及四原则回归到了学生非常熟悉的知识上，通过高起点低落点将专业知识大众化，较好的突破本课的难点，掌握重点。
技能提升：再回归到本课的开题“小白鼠吃抗生素后饮酒实验”，小组交流讨论，完善实验，总结并运用生物实验设计科学的思维模型解决实际问题，进一步理解实验设计的三要素及四原则。
此环节紧扣生活实际，综合分析实验设计的三要素及四原则，与本节课的开题问题形成一个闭合环，首尾呼应，最终构建出生物实验设计科学的思维模型。
六、教学实施的程序
教师的组织和引导 学生活动 教学意图
提出课题：生物是一门非常注重实验的自然科学，对生物生命活动规律的研究往往离不开生物实验，今天就来学习如何进行生物科学实验的设计与实施。 问题导入：（展示题图实验探究：人在吃抗生素后饮酒会猝死吗？） 附录5 生物科学实验的设计与实施 一、生物科学实验应考虑的三要素 活动策划： 第一步：播放小白鼠吃抗生素后饮酒实验视频，引导学生回顾对照实验的设计模型。 第二步：思考问题：1、为什么不直接用人或与人亲缘 观看视频，独立思考后再分组讨论，由多位同学来回答并不断完善开门见山，直入主题，引入生物科学实验的设
计与实施专题。
由小白鼠实验
视频和问题引导学生讨论，激发兴趣。
学以致用：引入今年高考理科综合能力测试全国一卷29题，请两位同学手端两盆绿色植物站在讲台前分别模拟干旱和脱落酸两种不同的实验因素，引导学生身临其境设计实验，科学把握和灵活运用生物科学实验设计的三要素和四原则，小组交流，教师引导、肯定学生，补充完善，得出结论。
检验学习效果、突出生物科学实验的设计与实施在生物研究和教学考试中的重要地位，让高二学生在活动中体验到能够战胜高考成功喜悦，增强学习信心激发兴趣。
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关系更近的猩猩做实验？
2、用小白鼠做实验有何优势？
第三步：引导学生归纳出用小白鼠做实验对象的优势： 1、易饲养、繁殖快、数量多、成本低。 2、个体体积小、性情温顺、实验易操作。
3、小白鼠的基因有90%与人类相同，生理及病理反应与人类基本一致。
4、纯系实验白鼠在生理上无个体差异，减小实验误差。 5、伦理感情
第四步：引导学生先独立思考再分组讨论完善以下几个问题：
1、该实验得出人吃抗生素后饮酒可致人猝死的结论是否严谨？为什么？
2、有哪些实验变量控制合理，有哪些需要改进，如何改进？
3、除了观察小白鼠是否死亡做为实验现象，还可以通过监测小白鼠的哪些生命体征反映其生理变化？ 问题的思考方向：
1、不严谨，比如用于实验的小白鼠数量过少，存在偶然性，小白鼠不是人，既便是人也有个体差异，如对青霉素过敏，酒量的大小，还有抗生素的不同种类不同剂量及与饮酒之间的时间间隔等等，所以要通过做大量相关实验才能说明人吃抗生素后饮酒确实有猝死风险。 2、实验变量控制合理的方面有：都用小白鼠、且不同抗生素的剂量、次数、服用时间及与饮酒之间的时间间隔，以用整个实验环境都相同，唯一不同的变量就是抗生素的种类不同，不足的方面：本实验未排除单独的服用抗生素及单独的饮酒是否引起小鼠猝死，以及抗生素和酒的不同剂量对实验的影响等，鼓励学生从多方面多角度分析，通过实验变量的控制分析自然引入本节课的新概念――实验因素，即平缓过渡到生物科学实验设计三要素中第二个要素---实验因素，让生了解并准备判断实验因素中实验药品的种类、浓度、反应条件、反应时间的控制对实验结果的影响，以及一些对实验结果有一定干扰性的非实验因素，体验预备实验在确定实验因素、选择方法中的重要意义。
问题
肯定学生自己发现问题的能力，鼓励学生自己提出合理的解释。
思考讨论 回答问题，每个问题都不容易答全，但思维可直达生物实验设计的原则，课堂氛围非常活跃。
通过CAI课件视频的展示帮助学生对生物实验的常规要点进行回顾，引导学生归纳科学选择实验对象的重要性和必要性。
通过三个层层递进的问题，不知不觉中已经引导学生过渡到生物科学实验设计三要素中第二个和第三个要素---实验因素和实验效应，通过巧妙的设问和分析，完成了将原有知识向生物实验设计三要素的专业知识的迁移。
这几个问题的设置是为后面的模型构建作铺垫，使学生不会无从下手，以此来分散难点。
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3、能客观反映小白鼠吃抗生素后饮酒引起的生命体征的变化常有：心率、呼吸、血压等，但是要监测这些生命体征需要专门的仪器设备，顺理成章引入生物科学实验设计三要素中第三个要素---实验效应，进一步了解实验效应的三类指标即客观性指标、半客观性指标和主观性指标。
第五步：引导学生归纳出实验设计的“三要素”
第六步：组织学生深度分析高中生物教材中对实验因素及实验效应及对照原则科学运用的经典范例， 如恩格尔曼用水绵和好氧细菌研究光合作用、萨克斯实验等，引导学生认同并做到1、能对实验对象进行创新，2、实验效应指标的分类及判断，3、实验效应指标的科学选择。
二、生物科学实验应遵循的四原则
第七步：提出问题：在生物科学实验中，实验对象的选择涉及到实验的创新和实施难度，实验效应的指标需要仪器和材料的允许，而实验因素的控制则要非常严谨，这就需要遵循实验设计的原则，具体有哪些呢？
在学生归纳出实验设计的“四原则”后，还要求学生对“四个原则”进一步依次思考：为什么要遵循这个原则，如何遵循这个原则？
1、随机原则：即抽取样本时，要做到随机取样，以减少各种因素对实验结果的干扰。
2、对照原则：只有通过对照组的设置，才能清楚地看到实验因素在实验中所起的作用。当某些步骤或操作本身夹杂着重要的非实验因素时，还需设置仅含该非实验因素的实验组加以对照。
3、重复原则：所谓重复原则，就是在相同的实验条件
学生总结归纳新知识实验设计的“三要素”
学生积极参与讨论，各抒己见，理解并认同“三要素”的重要性和必要性
学生回答：随机、对照、重复、经济原则
学生讨论回答实验设计的“四原则”的目的和科学运用。
理解实验设计的“三要素”，为生物实验模型的构建做铺垫
播放课件美图，三幅图片依次直观表达设计的“三要素”的核心内容。 通过归纳学习，让学生明确任何生物科学实验都应考虑的“三要素”，知识上升到专业化层次。
提高自学归纳能力、知识再创造能力，
为下一步生物实验模型的构建做铺垫，突破本课的难点，落实学习重点。
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下必须进行多次独立的重复实验。一般认为重复5次以上的实验才具有较高的可信度。
4、经济原则：不论什么实验，都有它的最优选择方策，包括资金、人力、时间的使用等，可根据相关的实验条件，对实验的预期成果与投入比值加以评估，以确定最优实验方案。
第八步：模型构建
先引导学生回顾熟悉的达尔文金丝雀虉草实验，基本构建出生物实验设计科学的思维模型。
再回归到本课的开题“小白鼠吃抗生素后饮酒实验”，小组交流讨论，教师观察、注意小组讨论情况，及时给予帮助、指导，完善实验，让学生学会运用生物实验设计科学的思维模型，进一步理解实验设计的三要素及四原则。
第九步：学以致用
引入今年高考理科综合能力测试全国一卷29题，题如下：将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸(ABA)含量增高，叶片气孔开度减小，回答下列问题。
（1）经干旱处理后，该植物根细胞的吸水能力_______________________。
（2）与干旱处理前相比，干旱处理后该植物的光合速率会_______________________，出现这种变化的主要原因是_________________。
（3）有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的，请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料，设计实验来验证这一结论，要求简要写出实验思路和预期结果。______
活动策划：
学生积极思考并交流、完善，构建并运用生物实验设计科学的思维模型，概念及思维模型只有在运用中被掌握。
学生审题独立思考后，请两位同学站在讲台前分别模拟干旱和脱落酸两种不同的实验因素，回答并完成该生物实验的设计思路和预期结果。
此环节与本节课的开题问题形成一个闭合环，要求掌握实验设计的三要素及四原则，首尾呼应，最终构建并运用生物实验设计科学的思维模型。
学生完成实验设计思路和预期结果，检验学习效果、强调学生要动脑动手做科学，突出生物科学实验的设计与实施在生物研究和教学考试中的重要地位，让高二学生在活动中体验到能够战胜高考成功喜悦，增强学习信心激发兴趣。
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在独立思考后，请两位同学端两盆绿色植物站在讲台前分别模拟干旱和脱落酸两种不同的实验因素，引导学生身临其境设计实验，科学把握和灵活词运用生物科学实验设计的三要素和四原则，小组交流，教师引导、肯定学生，补充完善，得出结论。 29题标准答案： (1)增强 (2)降低气孔开度减小使供应给光合作用所需的CO2减少
(3)取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度。预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度。预期结果是ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。
七、课堂小结：本节课学习了实验设计的三要素和四原则，分别是实验对象、 实验因素、实验效应以及随机原则、对照原则、重复原则、经济原则，它们为我们进行生物实验提供了的科学模型，为生物实验的设计与实施提供了思路和方向。
八、板书设计：
实验设计的三要素：
1、实验对象 2、实验因素 3、实验效应
实验设计的四原则：
1、随机 2、对照 3、重复 4、经济
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
