例析生物高考中的探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王元軍

摘 要：探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，有利于學(xué)生的終身發(fā)展，是研究性學(xué)習(xí)的一個(gè)重要方面。文章結(jié)合實(shí)例，分析生物高考中的探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：探究性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 常見題型 基本原則

探究性實(shí)驗(yàn)重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，是研究性學(xué)習(xí)的一個(gè)重要方面。《全日制普遍高級(jí)中學(xué)生物學(xué)教學(xué)大綱》（實(shí)驗(yàn)修訂版）的課程目標(biāo)的第3條指出：學(xué)生通過(guò)高中生物的學(xué)習(xí)，“初步學(xué)會(huì)生物科學(xué)探究的一般方法，具有較強(qiáng)的生物學(xué)基本操作能力、收集和處理信息的能力、觀察能力、思維能力和解決問(wèn)題的能力”。在近幾年的高考中，有關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、過(guò)程分析和結(jié)果預(yù)測(cè)等內(nèi)容的考試題幾乎是每年的必考題。

1.探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常見題型

1.1根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，確定實(shí)驗(yàn)步驟。

[例]請(qǐng)根據(jù)下述條件設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實(shí)驗(yàn)步驟并分析結(jié)果。

一瓶10%的蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液、250ml燒杯一只、半透膜制成的透析袋一只、刻度玻璃管1支、細(xì)線1根、支架1個(gè)。

（1）實(shí)驗(yàn)步驟：

（2）結(jié)果分析：

[解析]本題考查的是學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，考查學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題能力及創(chuàng)新能力是當(dāng)今高考命題的趨勢(shì)之一。根據(jù)細(xì)胞滲透吸水（及失水）原理，就能設(shè)計(jì)科學(xué)正確方案，將兩種濃度不同的溶液鑒別出來(lái)。

答案：實(shí)驗(yàn)步驟：（1）將一瓶中的溶液倒入燒杯中。（2）將另一瓶中的溶液裝滿透析袋，刻度玻璃管插入袋內(nèi)溶液中，用線將袋口和玻璃管扎緊。（3）將插有刻度玻璃管的透析袋放入有溶液的燒杯中，垂直固定于支架上，記錄玻璃管液面刻度。（4）一段時(shí)間后，觀察玻璃管液面刻度，確定液面是升還是降。結(jié)果分析：如液面升高，則透析袋中的溶液是30%的蔗糖溶液，燒杯中的溶液為10%的蔗糖溶液；反之，可推測(cè)透析袋中是10%的蔗糖溶液，燒杯中的溶液為30%的蔗糖溶液。

1.2根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，完善實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

[例]為驗(yàn)證“鎂是植物生活的必需元素”，三位同學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，下列是實(shí)驗(yàn)的基本思路。請(qǐng)分別指出三個(gè)實(shí)驗(yàn)思路能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑸槭裁矗繉懗瞿愕膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。

（1）實(shí)驗(yàn)一：取生長(zhǎng)狀況一致的大豆苗，用符合實(shí)驗(yàn)要求的容器培養(yǎng)。對(duì)照組容器內(nèi)只盛有蒸餾水，實(shí)驗(yàn)組盛有用蒸餾水配制的鎂鹽溶液。兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，并對(duì)溶液通氣，觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

（2）實(shí)驗(yàn)二：取生長(zhǎng)狀況一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均勻，容器符合實(shí)驗(yàn)要求），對(duì)照組澆以蒸餾水配制的鎂鹽溶液。兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

（3）實(shí)驗(yàn)三：取生長(zhǎng)狀況一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均勻，容器符合實(shí)驗(yàn)要求），對(duì)照組澆以含有植物必需的各種元素的完全營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)驗(yàn)組澆以不含鎂離子的完全營(yíng)養(yǎng)液。兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

（4）下面由你進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，請(qǐng)寫出你的設(shè)計(jì)思路。

[解析]本題通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出課程新標(biāo)準(zhǔn)中“使用恰當(dāng)?shù)姆椒?yàn)證簡(jiǎn)單的生物學(xué)事實(shí)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋和分析”，著重考查學(xué)生科學(xué)思維能力。在題目給出的3個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中：（1）因?yàn)檎麴s水和鎂鹽溶液均缺乏植物必需礦質(zhì)元素，所以兩組植物生長(zhǎng)均不正常。（2）和（3）因?yàn)閮山M容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都存在缺陷。

答案：（1）不能。因?yàn)檎麴s水和鎂鹽溶液均缺乏植物必需的礦質(zhì)元素而使兩組植物生長(zhǎng)均不正常。（2）不能。因?yàn)閮山M容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子。（3）不能。因?yàn)閮山M容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子。（4）取生長(zhǎng)狀況一致的大豆苗，用符合實(shí)驗(yàn)要求的容器，對(duì)照組盛有含有植物必需的各種元素的完全營(yíng)養(yǎng)液，實(shí)驗(yàn)組盛有不含鎂離子的完全營(yíng)養(yǎng)液。兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，并對(duì)溶液通氣，觀察比較兩組植物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

1.3根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

[例]為驗(yàn)證pH對(duì)唾液淀粉酶活性的影響，實(shí)驗(yàn)如下：

（1）在1～5號(hào)試管中加入相應(yīng)的緩沖液2ml。

（2）加完淀粉液后，向各試管中加入相應(yīng)的緩沖液3.00ml，使各試管中反應(yīng)液pH依次在5.00、6.20、6.80、7.40、8.00。

（3）分別向1～5號(hào)試管中加入0.5%唾液1ml，然后進(jìn)行37℃恒溫水浴。

（4）反應(yīng)過(guò)程中，每隔1min從第3號(hào)試管中取出一滴反應(yīng)液，滴在比色板上，加一滴碘液顯色，待呈黃色時(shí)，立即取出5支試管，加碘液顯色并比色，記錄結(jié)果。

（5）結(jié)果如下：

請(qǐng)回答：

A.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為何要選擇37℃恒溫？

B.3號(hào)試管加碘液后出現(xiàn)橙黃色，說(shuō)明什么？

C.如果反應(yīng)速度過(guò)快，那么應(yīng)當(dāng)對(duì)唾液做如何調(diào)整？

D.該實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是什么？

[解析]本題要求對(duì)“驗(yàn)證pH對(duì)唾液淀粉酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、原理、結(jié)論等作出分析，考查酶的作用、酶的特性和影響酶催化作用的因素等實(shí)驗(yàn)原理和方法。學(xué)生需要知道遇碘變藍(lán)是淀粉的特性，淀粉液只有在淀粉酶的催化下才能被分解，唾液中含有唾液淀粉酶，但唾液淀粉酶的催化作用受到溫度和酸堿度的影響。在溫度為37℃，pH=7的環(huán)境中，唾液淀粉酶的活性最強(qiáng)。溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)使酶的催化能力降低，同樣唾液淀粉酶在酸性或堿性環(huán)境中，都不能發(fā)揮催化能力。酶具有高效性，其催化能力除與這一特性有關(guān)外，還與酶的數(shù)量有關(guān)系，酶的量大，催化能力就大，酶的量少，催化能力就小。另外，酶還與專一性，唾液淀粉酶只能催化淀粉水解為麥芽糖，不能再水解麥芽糖為葡萄糖。

答案：A.在該實(shí)驗(yàn)中，只有在恒溫的條件下，才能排除溫度因素對(duì)結(jié)果的干擾。37℃是唾液淀粉酶起催化作用的適宜溫度。B.淀粉已完全水解為麥芽糖。C.提高淀粉的稀釋倍數(shù)。D.唾液淀粉酶的最適pH是6.8，高于或低于此pH時(shí)酶活性逐漸降低。

2.探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則

2.1科學(xué)性原則

科學(xué)研究活動(dòng)是科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)必須有充分的科學(xué)依據(jù)，否則所做的實(shí)驗(yàn)和所得到的結(jié)果都失去了依托。所以實(shí)驗(yàn)選題、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理都要符合科學(xué)的概念，不能憑空設(shè)想。

2.2可行性原則

探究性實(shí)驗(yàn)的選題要具有可操作性。首先探究的課題范圍要小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不宜十分復(fù)雜。其次要能選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)耐黄瓶冢≈幸姶螅《粶\。這樣才符合中學(xué)生特定的年齡結(jié)構(gòu)、知識(shí)特點(diǎn)和能力特點(diǎn)的要求。再次是實(shí)驗(yàn)選題要符合實(shí)際情況：如設(shè)備條件是否滿足；材料有無(wú)來(lái)源；學(xué)生有沒有足夠的時(shí)間和精力。總之，選題要做到因時(shí)、因人、因地制宜。

2.3嚴(yán)謹(jǐn)性原則

要使探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)完整、無(wú)漏洞，必須注意嚴(yán)謹(jǐn)性。這一原則在實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程中尤為重要。如在某些探究性實(shí)驗(yàn)中要設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，這樣便于實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行對(duì)比或組間對(duì)比，以便得出明確的結(jié)論。常用的對(duì)照方法主要有以下幾種：①空白對(duì)照：不給對(duì)照組以任何處理因素。②條件對(duì)照：雖然給對(duì)照組施以部分實(shí)驗(yàn)因素，但不是所要研究的處理因素。③自身對(duì)照：對(duì)照和實(shí)驗(yàn)都在同一研究對(duì)象上進(jìn)行。④相互對(duì)照：不單設(shè)對(duì)照組，而是幾個(gè)試驗(yàn)組相互對(duì)照。此外，在實(shí)驗(yàn)中要注意“變量”的控制，一般只確認(rèn)一個(gè)變量（也稱實(shí)驗(yàn)因子），而其他實(shí)驗(yàn)條件保持前后一致。例如在“探究溫度對(duì)酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)中，這里的溫度條件即為變量，其余的如pH、物質(zhì)的量等實(shí)驗(yàn)條件必須保持高度一致。

2.4可重復(fù)性原則

重復(fù)、隨機(jī)和對(duì)照是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確性的三大原則。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須注意實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，只有足夠的實(shí)驗(yàn)次數(shù)才能更準(zhǔn)確地判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

本文系江蘇省中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究第二期立項(xiàng)課題《高中理化生新教材中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究》成果之一。