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生物实验设计题作为一种考查学生能力的综合性题型而言,不仅能体现试题的开放性这一特点,而且对学生思维能力和拓宽学生的知识面都是一种比较可行的测试题,因此也就常常成为高考中对人才选拔的一种常用题型,由于这一题型的灵活度较高,因而考生在这一类型的测试题中丢分较为严重,究其原因主要在于学生对生物实验设计题的设计思路把握不好。
关键词:
实验设计题;生物;思路;学生
生物学是一门实验性科学,对于高中学生来说,不仅要能够具有对常见实验仪器、器具、药品的使用能力,还要具有对实验程序的理解能力,对实验结果的分析处理能力,这里我仅对生物实验设计题的设计思路进行一个抛砖引玉的说明。
一、对实验目的和实验原理需要做到精准地把握
在生物实验设计题中,确立好一个精准的实验目的乃是整个实验能否收到事半功倍的关键所在,因此学生在进行实验设计前首先要弄清实验的目的,以及该题需要对什么样的生物事进行验证或探究。也就是说,实验目的设置一般可以按照需要验证什么?证明什么?探究(或探索)什么?研究的对象是什么?这样的步骤去展开。当然有些实验目的则需对上述问题进行提炼和整理。生物实验设计的理论依据主要来源于对相关实验原理的精准把握,这就需要对实验中所涉及的相关学科的知识、仪器的使用方法,特别是生物学中所涉及到的理论知识有一个全方位的掌握,这乃是完成实验设计题目的关键所在。
二、正确地理解设计要求
对某一个结论要进行证实,虽然可通过多种多样的实验来加以证明,但我们所需要使用的设计方案,则只能根据题目的具体要求来加以确定,所以在实验目的确定之后,接下来至为关键的就在于要细心地去弄清题目的设计要求。否则不管实验设计得如何完美,但若不符合题意,就只能是事倍功半,而且还会造成得分率不高的现象。
三、找准实验变量,确定观察指标
实验变量,亦称自变量,指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。实验变量一般隐含于实验目的中,如“探索温度对酶活性的影响”实验中的“低温、适温、高温”就是实验变量。观察指标是能够说明实验变量作用效果的一种实验现象或实验结果。观察指标的确定是否合理,直接影响实验的效果。如要证明光合作用产生O2,就需找到一种检测O2的方法。要证明甲状腺激素促进代谢,就得找到能体现代谢强度变化的方法,而要证明甲状腺激素具有促进动物个体发育的作用.则需找到能体现发育速度的材料进行观察等等。实验方法的策划是整个实验设计的核心,而实验变量、观察指标的准确确定则是实验设计的关键所在。
四、正确安排、书写实验步骤
实验步骤的安排直接体现了学生实验设计的能力,而很多学生因对此规律没有掌握而失分较多,对照实验的实验步骤书写一般程序如下:1.等量分组编号:在这一步骤中,一般都根据实验的要求选择适宜的器材和材料。选材应遵循条件相同的原则,也就是说要体现等量原则,如:年龄相同、体重相近的同一特种。这样的实验可以简分为两组,比如实验组和对照组;也可以根据实验的需要分为若干组,但不管如何分组,都必须对每组进行明确的标记,标记的符号可以使用1、2、3、或一、二、三、当然也可以用甲、乙、丙或A、B、C等符号进行标,其目的只要能让分组的标示让人一目了然既可,这样做的目的就是要让我们实验便于观察、统计、比较和叙述。2.单一变量处理:根据实验的要求分别对实验组和对照组施加单一变量。除实验变量外,对实验组和对照组的培养、饲养等条件也要相同,即控制无关变量(符合等量原则),书写为“其他条件适宜且相同”。3.观察记录结果:若是植物、动物、微生物的培养实验,因实验结果不会立即呈现,所以应书写为“经过一段时间,观察对比,记录结果”。实验步骤的书写一般分为三步,若题目要求两步或四步,则需进行相应的合并或拆分,但这三步的内容不能有遗漏。
五、实验结果、结论的合理预测及分析
实验结果是实验所得到的直观现象,有些可用肉眼观察,有些不能用肉眼直接进行观察的则需加入指示剂,借助颜色变化对实验的结果进行观察。当然也可以借助于某些现代化的仪器来进行辅助观察。我们在实验的过程中如果实验对象在颜色、气味、形态、生理等方面呈现出其特殊性,因对其进行详实的叙述,以便形成实验结论。当然叙述的方法可以是多种多样的,一般采用的方法有文字描述法、表格展示法、坐标曲线标示法和实物形态呈现法等等。无论采用哪种方法,其基本的要求是对实验结果的描述一定要精准,如对测交结果预测,除了“全黑”“有黑有白”外还有“全白”;加碘后,“不变蓝”不等于“无色”或“无颜色变化”;另外,“不变”也不能说成“无现象”。实验结论虽说是根据实验结果而做出的一种推论,但实验结论往往就是一个正确的实验设计应该达到的实验目的,换句话说,即得出的实验结论就是实验目的。我们还要注意的一点在于,这样提出的实验结论其目是为“验证”服务还是为“探究”服务的,要不然就很难达到我们实验设计题的根本要求。
如果是验证型的实验,通过实验我们都可以对试题中需要验证什么?证明什么?的实验目得出一致的结果,才能说这样的实验是成功的。再联系实验的目的得出结论。我们得出的结论应当是合理的、科学的、肯定的。当然有不少的结论并不会很平铺的展现在我们的眼前,我们还需要在实验要验证的内容中,通过理论与实际相联系去仔细的寻找。不管怎么样,此一般只会有一个结果和相应的结论,而且结论与实验目的是相互对应的。若是探究实验,应该先预测可能的结论,再由结论反推其应该对应的结果,这样不至于漏掉某种可能的实验结果,实验结论的预测一般有三种可能,变量对结果有影响(分为促进作用、抑制作用)和无影响,再由预测的结论反推其对应的实验结果。
参考文献:
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[3]郭建超.高中生物实验教学之实验设计题的解题思路[J].2008年12期.
一、自变量的确定
自变量是实验中由实验者操纵的因素或条件,是实验要研究的因素。一个实验题首先要确定自变量,实验分组数就取决于自变量的处理情况。一般自变量可从实验目的、假设、原理、材料、步骤或结果等中加以确定。
二、自变量的设置
自变量一旦确定即可设置自变量。自变量的设置就是指设法给研究对象施加干扰,造成实验对象的变化,从而使研究对象在扰状态中反映出某种现象和属性。常见的自变量操纵方法有:自变量加法、自变量减法和自变量替换法。
1.自变量加法:是指在常态的基础上,人为增加某种影响因素的方法。比如“验证重金属污染液能影响种子的萌发”的实验中,自变量为重金属污染液,我们一般设计两组,一组将种子置于蒸馏水中,另一组将种子置于重金属污染液中。其中前一组就属于保持常态,而后一组就是在常态的基础上施加自变量因素的影响。
2.自变量减法:是指在常态的基础上,人为去除某种影响因素的方法。如“验证CO2是植物光合作用的必需条件”的实验中,自变量为CO2,我们可以设计一组保持常态,另一组采用自变量减法,利用NaOH溶液除去容器中的CO2。
3.自变量替换法:是在常态的基础上,人为替换影响因素的取值大小或施加程度。比如“验证温度对酶活性的影响”实验中,自变量为温度,温度这个因素是无法施加或去除的,所以只能采用替换温度的取值。
那么在实验设计中自变量具体采用哪种设置方法,关键是看常态中有没有这个自变量。如果常态下没有该自变量,则可采用自变量加法;如果常态下有这个自变量,则可采用自变量减法;如果常态下有这个自变量,但该自变量没办法施加或去除,则采用自变量替换法。
三、自变量设置中的特殊情况
一般情况下实验设计就是在常态的基础上做简单的加法、减法或者替换,但是也不乏一些特殊的情况。下面笔者就呈现几种特殊的情况。
1.设置自变量时,带来了某种干扰因素
【对策】如采用自变量减法时可先设法减掉自变量然后再直接加自变量。
例如:(2000浙江高考)血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用,缺乏它血液不能凝固;草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应,形成草酸钙沉淀,起抗凝作用。请根据所提供的实验材料和用具,简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果,验证钙离子在血液凝固中的作用,并回答问题。
实验材料和用具:家兔,生理盐水,70%的酒精棉,适宜浓度的草酸钾溶液,适宜浓度的氯化钙溶液,试管,注射器(针头、针管)。
实验步骤和实验结果:第一步:在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水。
分析:本实验的自变量是钙离子,常态下血液中有钙离子,所以可采取自变量减法,即利用草酸钾溶液沉淀钙离子。基于此思路,本实验可如题中第一步所述在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水,然后在两试管中分别加入等量的兔血,结果一段时间后,A管中血液不凝固,B管中血液凝固。这样的设计看似验证了本实验目的,但还不严谨的。因为A管血液不凝固的结果到底是因为去除钙离子导致的还是外加的草酸钾导致的不是非常明确。即在使用自变量减法时带来另一个干扰因素草酸钾,使得实验不够严谨,所以需要在此基础上重新给A管加入自变量钙离子,以反证刚才的结果确实是因有无自变量钙离子引起的。
2.自变量的性质不属于定性而是定量具有梯度性
【对策】关于自变量的实验组多设置几组。
例如:(2005广东高考)研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液l000mL。利用以下实验材料和器材设计实验, 探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。
实验材料和器材:水稻种子;试管;培养皿;纱布;尺子(l00mm);蒸馏水;恒温光照培养箱,温度设定为28℃,光强度为2000 Lux);(实验材料和器材的数量不限)
根据给出的实验材料和器材。请设计实验方法和步骤。 分析:本实验的自变量是不同浓度的重金属污染液,常态下没有该自变量,故在操纵自变量时可以采取自变量加法。但本实验的自变量为定量,它具有一定的梯度性,所以不能简单的在常态的基础上加一下就可以的,需要在常态的基础上多设置几组具浓度梯度的实验组,浓度梯度需实验前稀释配制。
3.实验中具有多个相关自变量,可看做多个实验的组合
【对策】先拆开考虑再根据题干信息合起来。
例如:(2009浙江高考)给正常成年实验兔注射甲药物后,使其患了高血压病,注射乙药物可使高血压症状缓解。为了验证甲、乙两种药物的上述作用,请您根据以下提供的实验材料与用具,设计实验步骤。
材料与用具:一组正常成年实验兔、血压测定仪、适宜浓度的甲药物、适宜浓度的乙药物、注射器等。
一、突出演示实验的目的性
演示实验的主要目的之一是帮助学生更加直观地理解知识。因此,我们设计演示实验时一定要结合教材内容,突显教学任务。不仅如此,我们还要明确演示实验对解决教学重难点的重要作用,更有针对性地进行实验的设计。例如,在讲解《绿色植物与生物圈的碳-氧平衡》这一章节的内容时,教学目的的不同会导致演示实验的差别。如果演示实验的目的是为了探究影响氧气形成的因素,我们就要控制实验时所用的金鱼藻叶子的大小、太阳的光照等,我们要观察的则是气泡产生的大小;而如果演示实验的目的是为了验证光合作用所产生的气体的种类时,则需要着重进行气体的验证,通过蜡烛的燃烧情况判断产生气体的种类。因此,在设计演示实验时应突出实验的目的性。
二、注重演示实验的严谨性
初中生物是一门极具严谨性的学科。因此,我们在设计演示实验的同时,也要注重实验的严谨性。通常情况下,严谨性是保证实验顺利进行的最基本元素。例如,我们在教学生使用显微镜时,就要对显微镜各部分的组成进行精准教学,严格按照显微镜的使用方法进行操作,并将显微镜的使用注意点告诉学生,进而引导学生对显微镜有一个准确的认知。
三、注重实验操作的简洁性
设计演示实验的目的是将枯燥、抽象的教材知识变成直观、容易理解的实验展示在学生的面前。由此可见,我们所设计的演示实验的操作要具有一定的简洁性,降低学生对实验的理解难度。不仅如此,简洁的演示实验还能够节省一定的课堂教学时间,降低教师的备课难度。例如,在讲解《生态系统与生物圈》这一章节的内容时,相较于复杂的生态系统环境的创造,我们可以采用简洁的生物瓶进行替换。如在教材内容的讲解之前,我们可以准备一个玻璃瓶,里面放上一定的水草、田螺以及金鱼等,然后要求学生仔细观察这个简易的生态瓶中的生态平衡,让学生直观感知生态系统,提高整个教学效果。
四、提高演示实验的趣味性
随着课程改革的不断深入,我们教师在进行演示实验的过程中也要加强自身与学生的良性互动,增强整个实验的趣味性。提高演示实验的趣味性不仅仅是迎合课程改革的必然要求,也是提高学生注意力,增强学生学习兴趣的必然手段。因此,作为初中生物教师,我们在设计演示实验时,要突出学生的主体地位,增强实验的趣味性以及与学生的互动性。例如,在讲解《人体的物质与能量来源于食物》这一章节的内容时,我们可以设计一个与自制饮料相关的演示实验。我们所需准备的材料有红糖、柠檬汁、白糖、新鲜水果、蜂蜜等,然后在学生面前进行饮料的制作。在制作完成之后,再邀请学生模仿饮料的调制。这种富有趣味性的演示实验不仅能够提高学生对食物的重视,还能够活跃整个课堂氛围,有利于和谐课堂的构建。
五、提高演示实验的探究性
在现行的生物教材中,包含了大量的实验设计,仔细分析这些书本上的实验方法、步骤和原理,有利于帮助学生克服对实验设计畏难、害怕的心理,帮助学生树立信心,有利于激发学生对实验设计的兴趣,有利于学生了解、掌握和运用实验设计的理论知识.
二、分析经典例题的实验设计,巩固学生对实验设计的实际操作和理解
由于实验设计不但要求学生具有一定的实验设计基础知识,更需要学生有一定的创造能力,因此,只依靠书本的实验设计,已经不能满足实验设计对学生知识和能力所需的要求.在教学过程中,教师需要选取一些经典的例题,尤其是近几年的高考试卷中的实验设计作为例题,精讲细说,让学生从这些丰富的材料背景中,巩固对实验设计的实际操作和理解.让学生掌握常见的对照实验有相互对照,空白对照,还有自身对照等,进一步让学生分析该实验的自变量,因变量和无关变量.通过设计实验步骤各环节,来训练学生如何设置对照实验.通过这样的例题分析,使学生对实验设计有了较为系统全面的理解,为学生独立完成实验设计打好基础.
三、强化实验设计训练,培养学生实验设计的能力
学生掌握了实验设计的基本方法以后,再通过必需的实验设计的训练,是培养学生实验设计能力的必经之路.由于实验设计不仅需要扎实的生物学基础知识支撑,还要求学生具有一定的运用知识的能力及创造能力,所以学生普遍对实验设计存在畏难甚至是惧怕的心理,教师在训练学生实验设计时,可先设计专题训练,对实验设计试题进行分类训练,由浅入深,循序渐进来培养学生的逻辑推理能力,信息的处理及语言表达能力,提高学生实验设计的科学性、严密性和准确性.例如,为证实“二氧化碳是光合作用合成有机物必需的原料”,某同学制订了下列实验方案:该实验方案有几项明显错误,请指出错误并改正.(1)实验目的(略);(2)实验材料和用具(略)(3)实验方法和步骤:①用一适当大小的玻璃罩罩住一株生长正常的盆栽绿色植物和一杯NaOH溶液,密封不漏气.②将上述植物及装置放在暗室中饥饿,消耗掉叶片内贮藏的有机物.暗室内装有红色安全灯.③饥饿一定时间后,自暗室中取出,照光若干小时,使其充分进行光合作用.④取一叶片,放入盛有酒精的烧杯中,水浴加热,使叶绿素溶于酒精中.⑤将已脱绿的叶片取出,平铺在一个培养皿内,用碘-碘化钾溶液,检测有无葡萄糖的特异颜色反应出现.这类实验设计的考查,难度相对较低,要求学生在对实验的原理、目的、步骤和现象都比较熟悉的情况下,找出其中错误或者不足的地方.其他专题训练如根据实验现象,分析实验过程,解释原因,得出结论;分析实验数据、图表,得出实验结论等类型,最后训练学生的综合实验设计能力,使学生掌握一定的实验设计的方法和技巧,培养学生对实验的预测分析和判断能力,最终提高学生实验设计的解题能力.
四、结语
关键词:生物实验;实验设计;解题思路
中图分类号:G633.91 文献标识码:A 文章编号:1992-7711(2014)09-0103
高考实验题的设计,正在由验证性实验向探究性实验的方向发展。那么,学生如何才能答好生物实验设计题,取得满意的分数呢?这就要求学生了解完整的实验方案的设计,掌握实验设计的基本思路和技巧,在理科综合实验能力测试中做到有据可依、有法可循、总体考虑、综合分析,从而达到事半功倍、获得高分的效果。笔者结合自己近几年的教学实践,谈谈生物实验设计题的基本解题方法和思路。
一、实验设计的内涵
实验设计是要求学生设计实验原理、选择实验器材、安排实验步骤、设计数据处理的方法及分析实验的现象等。在高中理科卷中由于受时间和卷面的限制,实验设计能力考查无法面面俱到,往往呈现出的是考查实验步骤的设计、续写或修改,或者是实验现象的观察和分析,或者是实验数据的加工和实验结果的分析,或者是考查实验结果的预期与讨论,或者是实验装置的检验或改进等。
二、实验设计的基本内容
一个较完整的实验方案一般应包括:明确实验目的确定实验变量分析实验原理提出实验假设设计实验步骤预测实验结果得出实验结论。
三、实验设计的基本解题思路
1. 明确实验目的,分清实验类型
明确实验目的就是要弄清“做什么”的问题,即探究或者验证生物学的现象或原理。明确实验目的才能明确运用哪一原理进行实验设计,才能明白实验设计中哪些因素是实验变量。例如在“设计实验验证烟草花叶病毒的遗传物质是RNA而不是蛋白质”时,此实验的原理或实验思路与教材中“肺炎双球菌转化实验”、“噬菌体侵染细菌实验”的实验原理相同。因此,学生可采用与教材中相似的实验设计思想:将烟草花叶病毒的RNA和蛋白质分开,单独观察它们的作用。再如在“探索温度对酶活性影响的实验”中,探讨的问题是温度与酶活性之间的关系,那么在实验设计中,“温度”这一因素就是实验变量。
实验设计一般有两种类型:验证性实验设计和探究性实验设计。验证性实验具有明确的结果,通过实验加以验证;而探究性实验的现象和结果是未知的或不确定的,应针对多种可能分别加以考虑和分析,得到相关的结论。如2012年高考全国大纲卷第33题“探究PH值对人唾液淀粉酶活性的影响”就属于探究性实验设计。
2. 找出两类变量
确定对照类型找出两类变量。在实验过程中,变量是指可纵的特定因素或条件。跟据其在实验中的作用,可分为两类:
第一类是自变量和因变量。自变量指实验中由实验者操纵的因素或条件。因变量指实验中由于实验变量引起的变化和结果。通常自变量是原因,因变量是结果,两者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如在“唾液淀粉酶水解实验”中,所给定的低温、适温和高温是自变量,而由于低温、适温和高温条件的变化,唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化,这就是因变量,该实验可解释温度变化与酶的活性的因果关系。
第二类是无关变量。无关变量指实验中除自变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。如:唾液淀粉酶水解实验中除自变量以外,试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、可溶性淀粉的浓度和纯度、试剂溶液的剂量、实验操作程序、温度处理的时间长短等,都属于无关变量。如果无关变量的任何一个或几个因素或条件,对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定,则会对实验结果造成干扰,产生误差。在实验设计和操作中,教师应尽量减少无关变量,而且在不同的实验组中,无关变量应完全相同。这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性,便于清晰地研究自变量与因变量的关系。实验中的无关变量很多,教师必须严格控制,平衡与消除无关变量对实验结果的影响,对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。
3. 确定对照类型
通过设置对照实验,既可排除无关变量的干扰,又增强了对实验结果的可信度和说服力。在一个对照实验中,可包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组,对照组是不接受自变量处理的对象组,一般是随机决定的。如在“探究光对种子萌发的影响”中,接受光处理的种子是实验组,不接受光处理的种子为对照组。设置对照通常有以下四种方法:
(1)空白对照:设计一个不加任何实验处理的对照组。即不给对照组做任何处理因素。
(2)自身对照:指实验组与对照组都在同一研究对象上进行,即不另设对照组。如“植物细胞质壁分离和复原的实验”是典型的自身对照实验,这种对照实验的关键是比较实验前后的变化。
(3)条件对照:给实验组某种处理,给对照组另一条件的处理。如在“验证甲状腺激素促进幼小动物的个体发育”的实验中,存在以下实验组和对照组:
甲组:饲喂甲状腺激素(实验组)
乙组:饲喂甲状腺素抑制剂(条件对照组)
丙组:对蝌蚪不做任何处理(空白对照组)
(4)相互对照:指不另设置对照组,而是利用几个实验组相互对照。如在“证明植物根向地生长实验”中不同方向放置的玉米种子之间的对照。
根据实验要求,凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中,一般都需要设计对照实验。了解常用对照的类型,有利于学生在实验设计时针对不同的情况加以设置。
4. 理解实验原理
实验原理决定着实验中主要实验步骤的设计及相应实验试剂的选择。如在“验证唾液淀粉酶是蛋白质”的实验中,这一实验的原理同教材中常规实验“生物组织中蛋白质的鉴定”实验原理相同。因此,学生可用双缩脲试剂与唾液呈紫色的反应来验证这一问题,明确了这一原理之后,也就明确了其主要的实验步骤与“蛋白质成分的鉴定”的实验步骤类似。
5. 选取恰当的实验材料
如孟德尔选择豌豆作为实验材料是其遗传实验成功的原因之一(豌豆是自花闭花传粉,自然情况下都是纯合子)。所以正确的选材决定着实验的成败。实验的选材是受实验原理、实验目的制约的。如“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验目的是鉴定组织中存在可溶性还原糖,因而,取材应注意含糖量要高并且能与斐林试剂产生着色反应,选择甘蔗做这个实验的材料效果就不甚理想(甘蔗虽然无色,含糖量也很高,但蔗糖不能和斐林试剂发生颜色反应)。鉴定的原理是“还原性糖与斐林试剂呈砖红色反应”,为使砖红色反应易于观察,所选材料最好无色透明,避免材料本身色素的影响。又如“叶绿体中色素的种类及颜色”实验,所选材料应当是色素含量高的材料(新鲜菠菜);“植物细胞质壁分离与复原实验”的选材应注意三点:一是所选材料必须有大液泡存在(成熟的植物细胞);二是为了便于观察,所选材料的细胞液最好有颜色;三是一定要保证所用的细胞是活的。
6. 合理设计实验步骤
实验步骤有一定的顺序,学生要注意实验步骤的关联性和实验操作的程序性。实验步骤的前后顺序一般不能颠倒,特别是关键环节。不同的操作顺序导致的结果不同并会影响实验的严密性。如在“PH值对酶活性的影响”实验中,学生操作时必须先将酶分别置于不同的PH值中,再加入淀粉溶液。又如在“还原性糖鉴定实验”中,应先将斐林试剂甲液和乙液混合以形成Cu(OH)2后,再加入组织样液中。而在“蛋白质的鉴定实验”中,应先加入双缩脲试剂A液(NaOH)以创造碱性环境,再加入B液(CUSO4)。再如利用碘液检测淀粉酶是否将淀粉完全水解,如果操作顺序为:淀粉+碘液+淀粉酶,在水里加热一段时间。这样操作碘与淀粉结合呈蓝色络合物将影响淀粉酶对淀粉的水解,同时碘液会影响酶的活性。即使蓝色褪去也只能说明淀粉酶将络合物水解,无法排除碘对实验的影响,使实验的严密性欠缺。
一、设计对照实验的原则:
(一) 对照性原则
在对照实验中,遵循对照性原则,一般要设计一个对照组,以控制变量对实验结果的影响。
(二)单因子变量原则
实验要控制在同一适宜条件下的单一变量原则,即控制其他因素不变,只改变其中某一变量,观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外,其他实验条件要求做到前后一致。
(三) 随机性原则
实验中选取的材料是随机的,这样的实验结果才具有代表性。
(四)平行可重复性原则
所设计的实验要能在同样的条件下重复,并能得到一致的结果,以避免因偶然性而得到的结果,使结果不具有科学性。
二、实验设计中经常采用的对照方法
(一) 空白对照:指不做任何实验处理的对照组
例如观察唾液淀粉酶对淀粉的消化作用,两个试管都有等量的浆糊,一个试管放唾液,另外一个试管放清水,那放清水的试管就是一个空白对照。
(二)自身对照:指实验和对照在同一对象上进行,即不另设对照组
例如,在“脉搏与运动的关系”教学中,设计以学生个体在运动前测量的脉搏与运动后测量的脉搏进行对比,将运动前的脉搏作为对照。说明运动对脉搏的影响。
又如,在“探究光对鼠妇的影响”实验中,将鼠妇放在一半明一半暗的条件下,观察鼠妇在不同环境中的分布。实验和对照在同一对象(鼠妇)上进行。
(三)条件对照:给实验组某种处理,给对照组另一条件的处理
例如,在“脉搏与运动关系”活动中,选定的组内两名同学,测量运动前的脉搏,让一名同学处于安静状态,另一名同学作运动(跑、跳、下蹲等),运动后又同时测两名同学的脉搏。
又如,在《生物》(北师大版)七(上)探究植物细胞的吸水活动中,要从生活现象(泡菜和拌菜中出现水)引入新课后,引导学生探究植物在不同浓度的水里的吸水或失水情况。学生设计一杯清水和一杯盐水,将同样的萝卜条放入其中,过一段时间后测量萝卜条的重量变化。也有的学生设计出低浓度与高浓度进行对照。最后通过分析数据得出,植物细胞在浓度低的环境中吸水,在浓度高的环境中失水。
(四)相互对照:指不另设对照组,而是利用几个实验组相互对照
例如,在探究“种子萌发的环境条件”活动中,我们设计这们的实验,在四个同样的培养皿中。都放有能吸水的布和40粒小麦种子,这些条件都相同。不同的是第一个培养皿不加水,第二个和第三个培养皿放适量的水,使里面的布潮湿就可以,第三个与第二个加等量的水,不同的是将第三个放进冰箱。第四个培养皿就灌满水.那么我们就可以从这几个实验组里互相比较得出三个条件(水、温度、空气)都是种子萌发的条件。
三、对照实验的设计的具体举例:
例如:在探究“光是光合作用所需的条件”的活动中,我们可以这样引导学生设计实验。
1、 明确活动目的,学生通过这个活动,理解太阳光是光合作用所需的条件。培养学生的动手能力和实验设计能力。
2、 明白实验原理,如果进行了光合作用,就会产生淀粉,用碘液检验时会变蓝色;没有进行光合作用,不产生淀粉,用碘液检验时不变蓝色。
3 、材料及器材的选择,你选用的材料要较易脱色,可选用天竺葵或白菜幼苗为原料,也可选用其它植物。
4 、对照实验的设计,在这个实验中,探究的条件是光,所以对照组与实验组的唯一区别只能是光,光是唯一的变量,考虑到植物光合作用进行的连续性,实验组和对照组都要先放在黑暗的地方进行暗处理,以消耗植物体内的淀粉,将对照组叶片用不透光的纸遮住,将植物放在阳光下,4H后对实验组叶片和对照组叶片进行处理,用碘液检验淀粉的存在,进而证明光合作用的进行需要光。
关键词:初中生物理;初步实验;设计能力;培养浅议
初中生的初步实验设计能力指的是在探究学习过程中,学生按照一定的实验目的,为自己的实验学习选择最恰当的探究方式和所需的器材工具,采用适当的物理知识和实验技巧,对其进行灵活、综合的运用,并拟定出具备可行性方案的能力。这不仅需要学生具备创新意识,而且还要扎根于厚实的专业基础之上。
1.物理初步实验设计能力培养原则与策略
1.1培养原则
初步实验设计能力培养原则的确立能够为教学效果的实现奠定基础。首先是循序渐进,教学工作中必须遵循知识教学逻辑,要充分考虑到学生自身的心理发展顺序,让学生能够更加有序的、系统完整的接受学科教育,促进身心健康发展。在教学中不可以急于求成,要慢慢的潜移默化,让学生边学边用,体会知识的乐趣,阶段性的解决学术中的难题。第二个是因材施教的原则,从学生的实际情况出发,让教学层面的深广度以及进度都能够符合学生的知识能力水平,充分结合学生的个性特点,让学生的才能品行都能够充分发展。第三为激励性原则,作为一种动力因素的存在,教师要争取能够利用多种方式去激励学生获得前进的动力,逐步形成热爱学习的习惯,挖掘学生潜能,提高教学的实际质量,加快培养人才的步伐。第四为主体性原则,充分强调教师的主导作用,进而引导主体人员——学生,学会充分结合社会环境以及自然环境的有利因素,放心尝试,主动进行探索追求,同时尊重学生在学术思想上的无限追求和创造力,教会其如何去独立思考。最后为反馈内化原则,学生在教师的引导下认识到自身在学习及其它活动中的表现,再通过参与和选择,不断将教师的要求转变为自身的一种自觉行为,获得持续性的发展。
1.2教学策略
实验设计环节是物理实验当中最为高级的层次,同时也是学生探索新知识的最佳途径。教师可以帮助学生创造更多实验设计的机会,体会到设计的重要性所在,认识最基本的原则,掌握具体的设计方法。可以从加强开展实验探究教学开始,充分利用课本中出现的探究性实验案例,不再是一味的跟从教师的思路走,学生可以适当活用自己所掌握的知识,或者将某些属于验证性的实验转化为探究性实验,到处找实验内容。
例如对于二力平衡的条件探索、阿基米德原理等的实验。将验证性变为探究性,不断扩大学生的实践空间、提高思维分析能力。教师也可以主动将一些疑难问题,列为探究性实验的主要内容。在解答某些较难理解的问题时,如果具备探究的条件,可以让学生尝试设计方案来动手进行实践,通过分析归纳最后得到结论,对于学生来说是一种能力上的提高。也可以将生产或者生活的具体素材投放到实验教学中来,物理学科本来就来源于生活,回到生活也是理所应当,让学生在生活中走进物理。不断规范实验设计的思路,教师要充分挖掘教材资源,教授学生分析设计的方法,有意识的将规范性的设计方案交与学生。把握好实验设计的基本原则问题,不仅需要科学的思维能力,还要掌握正确的方法步骤,最后还要用精准的语言来描述现象的发生,记录下所有的一切。
此外也要培养良好的品质思维,此为核心环节。可以通过一些实验解决新奇现象来激发学生的发散思维,举一反三、一题多变,要逐步培养学生的逻辑缜密与思维收敛。同时,也要不断地规范学生的物理用语,教师最初就要使用规范的语言,而学生也要在潜移默化的条件下,提高答题规范的能力。
2.物理初步实验设计能力培养的实践分析
案例举隅:《欧姆定律》
教学目标:掌握电压电流表测量技术,认识电流、电压以及电阻三者的关系,学会收集数据并对数据进行有效的分析。
教学器材:开关、电流电压表各一个、滑动变阻器、不同规格的电阻器各一个、干电池若干、导线若干、多媒体PPT课件、投影仪。
教学设计:从“如何让灯泡发光或者变暗”的问题入手,引导学生主动进行实验探索,激发学生进一步学习的欲望。让学生合理猜想电流、电压以及电阻三者之间的关系。教师提示:针对物理问题,仅靠猜想是不行的,应该勇敢进行实验、进行验证,教会学生采用控制变量法来进行实验。此后进行实验设计环节,询问学生需要准备什么实验的器具,保持什么要素不变,如何改变电阻两端的电压。利用投影显示出滑动变阻器的作用,画出起先准备好的电路图。继续围绕该电路的形式,探讨能否进行电流与电阻的探究,根据学生各自设计的方案,表格填写完整,将所有数据如实记录。接着是交流讨论的时间,教师通过投影展示学生们的实验数据以及图像,分析实验结果。实验应用表格如图1、图2所示:
(图1:探究电流与电压的关系)(图2:探究电流与电阻的关系)
最后对课堂实验进行总结,引出欧姆定律的来由和公式,投影介绍欧姆的故事,课后再针对欧姆定律的具体内容布置作业练习,以达到巩固复习的目的。
关键词:生物教学;设计;探究实验;培养能力
中图分类号:G633.91 文献标识码:B 文章编号:1672-1578(2016)01-0397-01
生物是一门实践性极强的自然科学,实验教学是教学的重要组成部分。生物学实验是学生认识生物现象、了解生物概念和规律的基础,因此实验课的设计占有关键作用。经过多年的实践探索,总结生物教学实验课设计的几点做法。
1.设计探究实验,培养创新操作能力
教学设计既是教学的中心环节,又是教学活动的蓝图,成功的教学始于教学设计。生物学是一门实践性很强的自然学科,实验课是生物教学的重要内容,是培养学生形成科学思维方式、掌握科学研究方法的重要途径。欲强化实验课培养学生探究性学习的能力,应将一些模拟性实验、验证性实验重新设计成探究性实验。
对于"观察种子的结构"和"绿叶在光下制造有机物"等实验课,若按传统的教学方法进行:教师将实验步骤向学生演示一遍,学生再动手操作,让学生被动接受知识,激发不了学生学习的积极性和主动性。教师应指导学生对实验教学系统地设计,用探究方法从不同角度形成实验思路,采用自学――分析――讨论――实验――结论等步骤组织教学。在实验过程中,及时发现学生的不足和错误,并帮助学生分析其产生原因。引导学生调整设计思路和探究方法,必要时甚至可以重新设计探究方案,协助学生解决疑难问题,监督进度,注意发现异常,抓住机遇;检查记录是否完整、正确;设计一系列问题,让学生根据实验现象和结论去分析、讨论。这样的实验设计,既具有探究性和启发性,又锻炼了学生的实验操作能力,激发学生的探究心理,启发活跃思维,为培养学生的创新能力提供条件。
2.设计课堂探究与家庭实验相结合,培养学生的自主意识
自主意识是创新的前提,是求实的基础,是社会主义经济条件下人才的基本素质。培养学生的自主意识,有利于造就开拓进取、勇于创新的人才。教学中要尊重学生的人格,遇事多和学生商量,保护和引导学生的好奇心,鼓励他们质疑问题,勇于发表自己的见解;重视扶植和培养有不同爱好和特点的学生,让他们有施展才华的机会,增强自主意识。
新教材中安排了较多的"探究"和"进一步探究"活动,有一些探究活动无法在课堂教学中完成,教师应根据生物特有的生长发育时间,提前1-2周,将一些周期性长的实验与生活实际联系密切的课堂探究实验相结合,如将"种子萌发的外界条件"和"测定种子的发芽率"等设计成与家庭实验相结合的实验。既培养学生的自主探究意识,又使实验结果与教学进度保持一致,而且充分发挥学生的主观能动性、独立性和创造性,真正体现探究性学习的真谛。学生接到任务后情绪高涨,很快自由结合成一个个活动小组,各自准备实验材料和实验仪器。有的学生准备大豆、绿豆、玉米、小麦种子等;有的准备罐头瓶、标签、小勺、胶水等。在制定计划和实施计划时,有的小组是自己设计的;有的小组是按教材设计的。在学生探究活动中,教师要经常关心学生的实验情况,定期由学生汇报,教师及时进行检查和指导,督促学生认真观察、记录实验数据。在探究活动中培养学生持之以恒、一丝不苟的科学态度,提高学生自主探究的意识。
3.设计生物探究实验活动,全面提高课内实验指导
3.1 重基础。实验开始,利用3~5min简明扼要讲清实验目的要求、关键步骤、注意事项等,让出更多的时间给学生实验。学生独立操作时教师要来回巡视,发现共性问题及时向全体学生补充说明,发现学生操作有错误或观察不正确,及时指导学生纠正,使学生必做的实验部分能规范化地操作。对个别学生进行实验有困难,应给予帮助,但不能包办代替。对学生中出现的实验方法创新或改进给予鼓励、支持和引导。
3.2 重能力。实验过程中,教师结合实验内容设计一些问题,要求学生边动手操作,边动脑思考。学生在进行选做实验部分时,以教师的一系列的启发性问题为线索进行探究。①探究实验材料:提供洋葱、花生种子、爬山虎、彩叶草等7~8种生物材料,让学生思考植物细胞都能发生质壁分离吗?能发生质壁分离的细胞都适合本实验吗?选择做本实验的生物材料最好具有哪些特点等。②探究实验试剂:提供质量浓度为0.1mol/L、0.3g/mL、0.5g/mL蔗糖溶液,1 mol/L氯化钠溶液,1 mol/L硝酸钾溶液,思考题有:不同浓度的蔗糖溶液对细胞影响怎样?不同种试剂,形成的质壁分离形式是否相同?做质壁分离实验是不是溶液浓度越高越好,为什么?假如试剂浓度与细胞液浓度相当,会出现什么现象?当动物细胞(如红细胞)膜两侧溶液具有浓度差,会发生什么现象?等。③探究实验方法:除教材介绍的方法外,有没有其它简便、有效的方法?洋葱表皮细胞有几种取法?怎样快速制作质壁分离细胞装片?本实验可怎样改进?等。④其它方面:探究自己感兴趣的其它方面,有没有新发现?新结论?新感受?为了寻找所要探究问题的答案,需要合理地进行实验。教师要引导学生积极思维、积极主动地参与实验设计和实验过程。
3.3 重过程。实验过程中教师要督促学生作好记录,特别是实验过程中测出的数据、出现的现象,认真进行科学分析、比较,从而得出实验结论。笔者在实验报告的设计中,增加了实验记录和实验探究栏目。实验记录,一要求学生将选用的实验材料、试剂名称、用量、实验现象等填写在规定的表格内;二要求学生将自己观察到的正常植物细胞、质壁分离的细胞画在指定的方框中,并标上各部分名称。实验探究,要求学生写明对本实验作了哪些方面探究以及探究一得。
3.4 重提高。实验结束时,学生既完成第一部分必做的实验,又选做了第二部分的一些探究实验,及时完成了实验报告以及实验桌面的整洁工作。教师对整堂课花3~5min作认真小结,对学生实验态度、实验方法、实验结果简要评价。可以采用谈话、讨论等形式与学生共同回顾实验过程,熟悉实验内容,对探索的结论归纳总结,形成完整的知识结构。还可以联系生活实际,如:为什么给庄稼一次施肥过多会"烧苗"?为什么糖渍或盐腌制的食品不易变质?给病人输液的盐水或葡萄糖液浓度过高行吗?为什么?让学生经历一个再认识的深化过程,学会迁移、形成能力,提高对新知识的理解与灵活掌握程度。
总之,在实施新教材的教学实践过程中,笔者通过对多种实验课教学方式的研究,探索,总结出一条切实可行的教学思路,充分发挥学生的主体作用,培养学生的探究精神,注重以生物课程标准为依据,全面提高学生的生物科学素养,将科学实验的过程设计成学生积极参与科学探究活动的过程。学生在科学实验的过程中学会了自主学习。
实践证明:实验课的探究,开阔了学生的视野,丰富了学生的经验,开发了学生的智力和潜能,培养了学生的思维能力和自主学习能力,提高学习效率,全面落实素质教育打下了牢固的基础。
参考文献:
关键词:生物教学、实验设计、能力培养
实验设计是指正式实验之前 ,实验者根据一定的实验目的和要求 ,运用有关的科学知识和原理 ,对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定。这在新的课程改革和考试与评价改革中 ,越来越受到重视。本文拟结合初中生物教学谈谈对学生实验设计能力的培养。
1. 培养实验设计能力的意义
由于新教材的实验以探究为主,着重培养自主学习能力。培养学生的生物设计实验能力,是中学生物新课标明确提出的培养学生观察能力、思维能力、实验能力和自学能力等四种能力之一。生物实验设计能力既是实验能力的重要内容,也是实验能力的最高层次,其本身具有较强的综合性、创造性和灵活性等特点。在生物实验中,其基本思想就是“对照”,大多数生物实验以对照性原则进行设计的,在实验设计中,通过设置对照组,可排除无关变量的影响,减少实验误差。笔者在教学视导中发现,学生通过对新教材的学习,在实验设计能力上有了质的飞跃,在设计实验时都能自觉设置对照实验,但是对于什么是实验组,什么是对照组概念模糊,经常张冠李戴。如初二上册P85技能训练“评价实验方案”中找出每个方案的实验组和对照组,大部分学生就非常模糊,思维混乱。学生思维能力发展的方向及质量,体现在教师的教学思路和方法上,因此要求教师在教学过程中必须自身首先明确概念,在各探究实验中有意识地进行渗透和指导,使学生在设计能力、思维上得以真正的深化提高。本文对初中教材中出现的探究实验涉及的对照实验略作探讨。
2.关于实验设计的基本类型
课程与教学中的实验设计大体上可以分为两大类 ,即局部型和全程型的实验设计。
2. 1 局部型实验设计 只要求学生设计实验方案中的某一部分或某一个环节 ,可以用于较低年级的学生 ,比较节约时间 ,学生可随堂完成。
2. 1. 1实验目的原理的设计。题目给出实验题目及一些实验情境 ,让学生设计实验的目的和原理。例如 :有人在室外空旷处 ,在不用任何药剂、装置触及幼苗的情况下 ,使幼嫩植株长成如图示 (图略) 形态。请写出该实验的目的 ,并说明实验原理。
2. 1. 2实验器材的设计。教师或教材提供了实验题目、实验目的或实验原理 ,要求学生根据现有条件 (如学校设备和自然资源) 完成实验器材的选择与使用的设计。如“种子萌发的条件”的探究实验 ,可以让学生设计不同方案的实验器材及实验装置。
2. 1. 3实验步骤的设计。根据题目要求给定的器材以及实验提出的目的 ,设计或补全实验步骤。例如, 请参照“光对鼠妇生活的影响”的实验过程,设计一个对照实验,进一步探究“洗衣粉对鼠妇生活的影响”,并写出实验报告。
2. 2 全程型实验设计 教师教材只给出实验的题目及某些附带的条件 ,实验的目的、假设、器材、步骤和预期的结果等都由学生完成。甚至实验课题的题目有时也可以由学生来选择和设计。这类设计提供的线索比较少 ,因而难度相对比较大 ,多在高中阶段的生物教学中出现。它仍可以分为两大类 ,一类是教科书规定的 ,另一类是教材之外追加的。本文后一部分就是以这种全程型为例来说明实验设计能力的培养问题。
3.分步细说实验设计能力的培养
一个完整的实验方案一般包括 : ①实验题目的确定 ; ②提出假设 ; ③设计具体的实验方法和步骤 ;④预期实验结果 ; ⑤观察和收集数据 ; ⑥分析推理 ;⑦得出结论 ; ⑧讨论与交流。
3. 1 了解实验题目的确立 中学生物实验设计的题目虽然是教材给定的 ,但是让学生了解科学家如何发现问题、提出问题、确立研究课题的过程 ,对激发学生的实验设计的兴趣 ,提高学生实验设计的能力有很大的作用。实验题目的确定大致有两个途径 :一是从普通现象中寻找同一性 ,揭示事物的本质和规律 ;二是在普遍现象中寻找差异性 ,从中发现新问题、提出新观点、确立新的研究方向。
3. 2 明确实验设计的目的和依据的原理 实验目的是实验设计的出发点和归宿 (方向和目标) 。实验原理是实验设计的灵魂 (依据) ,因此在进行实验设计前应要求学生预习 ,通过讨论 ,使学生明确实验设计的目的、主要研究的内容和所依据的原理。
3. 3 引导学生作出假设 假设是实验者对自然界或生物学实验中的可以观察到的现象提出一种推测或猜想。中学生物实验设计的假设一般是依据教材提供的事实和一定的实验原理而提出的 ,因此在指导学生作出假设前 ,应对教材中提供的材料进行归纳分析 ,从中找出共同性、本质性的东西 ,将感性的材料上升为理性的思考 ,从而做出合理的假设。
如何引导做出实验假说根据科学事实提出问题和假说, 这是科学研究的起始步骤。从现行教材提供的材料看, 探究性实验和研究性课题都是有一定目的的引导性探究和发现。一般情况下, 学生做出的假说无对错之分。这一原则旨在鼓励大胆做出假说, 积极参与教学过程; 但作为教师必须明白,学生做出的假说又有好坏之分, 这主要表现为: 一个好的假说总是和做出假说的前提有着高度的一致性、派生性和演绎性。作者曾以人类对于疟疾病因的探究过程为例, 较好地说明了如何在科学过程中有效地建立假说。
19世纪, 疟疾猖獗, 人们根据疟疾分布区的环境得出结论: 低洼多水、气温较高的烟瘴之区易发疟疾。为什么在这样的地带易发生疟疾呢? 人们设想: 污水可能是使人患疟疾的病原, 污水蒸发可能产生毒气使人生病。这是根据经验规律而提出的疟疾病因假说。当污水被清除后, 疟疾果然大大减少。这证明假说是正确的。那么污水是如何引起疟疾的呢? 若污水是直接致病的, 喝了污水就应该发病。 但研究否定了污水直接引起疟疾的假说。人们又发现: ①清除了污水, 蚊子少了, 同时疟疾也少了; ②住在低洼沼泽地、室外露天睡眠的人易患疟疾;③不用蚊帐的人易患疟疾; ④夜间在薰烟的火旁睡眠的人很少患疟疾。联系这些事实, 人们不尽假说: 疟疾是不是蚊子传播的呢?
法国医生拉佛兰在疟疾患者的血液中发现了细长如丝的微生物。他假说微生物可能是疟疾的病原。这一假说和上述蚊子可能传播疟疾的假说联系起来, 使英国军医罗斯推想: 如果上述两个假说是对的, 吸了患者血液的蚊子, 体内就应该带有这种微生物。后来罗斯通过实验证实了这一假说。罗斯还让蚊子吸麻雀的血, 定时解剖蚊胃。他发现这种小生物不但存在于蚊胃中, 并且能够繁殖。他又让感染的蚊子去吸健康麻雀的血液, 原来健康的麻雀发病了。进一步在志愿者身上试验, 直接证明了疟原虫在人体的传播与在鸟类体内的传播一样,都是以蚊子为媒介的。至此, 疟疾是由蚊子传播的假说得到最后的证实, 假说已转化为科学定理或学说了。
同时也从以上材料中总结出: 假说是问题的延伸,同时也是实验设计的基础; 做出假说和提出问题之间的逻辑联系, 在这里, 科学问题、科学实验、科学资料、科学实践、生产实践、人文活动等都可能是做出假说的基础(下图中用“观察”一词来概括); 假说在科学过程中的地位及其承前启后的重要作用。
3. 4 指导学生设计实验过程 实验过程设计是根据实验目的、原理和提出的假设。设计出具体的实验方法和步骤。指导学生设计实验过程应遵循如下原则
:A、单因子变量原则 :控制其他因素不变 ,而只改变其中某一元素 ,观察其对实验结果的影响。单因子变量有两层含义 ,一是确保“单因子变量”的实验观察 ,一个实验一般只设置一个变量 ,做到一个实验因子对应观察一个反应分子。二是确保单因子变量的操作规范 ,尽可能避免无关因子及额外因子的干扰。
B、设立对照原则 :对照是实验控制的手段之一 ,通过设置对照实验 ,可以消除无关因子对实验结果的影响 ,增加实验结果的可信度和说服力。根据实验项目可以采用相互对照、空白对照、自身对照、条件对照等。例如本实验采用的是相互对照。
C、随机性原则 :为了使实验更具代表性 ,消除或减少实验中的系统误差 ,从而避免实验结果的偶然性 ,在选择样本时选择面要广 ,种类、数量要比较多 ,还要注意随机取样。
D、重复性原则 :某一具体实验的结论不一定能概括出同类事物的本质 ,必须进行重复验证。即控制某种因素的变化 ,在同等条件下重复实验 ,观察其对实验结果的影响程度。重复的方法有两种 ,一是扩大实验样本 ,二是将实验结果扩大到同类事物中去。
第三 ,要排除其他因素的干扰。因为生物生长在复杂的环境中 ,受到各种环境因素的影响 ,为消除无关因子对实验结果的干扰 ,增加实验结果的可信度和说服力 ,可以通过设置对照组消除其他无关因素的影响 ,
第四 ,要增加实验的可信度 ,必须进行重复实验
第五 ,要避免实验的偶然性 ,根据随机性原则 ,