由一道實驗討論題引入實驗設計原則的教學

◆李發軍

(甘肅省酒泉市金塔縣中學)

一、實驗情景

“探索淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用”的實驗原理是：淀粉酶能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解。即淀粉酶只能催化淀粉水解反應，而不能催化其他任何物質的化學反應。其思路應是在適宜條件下將淀粉酶分別加入淀粉和其他各種物質(如蔗糖溶液)中，再觀察實驗結果，如果只有淀粉發生了反應，其他各種物質均不能發生反應，則只能說明淀粉酶具有專一性。課本在實驗結束時設置了討論題：“在已知淀粉酶能夠催化淀粉水解的情況下，本實驗設置1號試管(將淀粉酶加入淀粉溶液)還有沒有必要？”

正常情況下，通過對比后，答案是肯定的：有必要(作為對照)。但許多同學并不能理解：“在已知淀粉酶能催化淀粉水解的情況下，本實驗為什么還有必要設置1號試管作對照實驗？”即為什么需要這樣的對照？為了讓問題變得更容易理解，我們可以將上述實驗變形一下，把“1號試管”的內容全部空白，然后引導學生設想一下：如果沒有將淀粉酶加入淀粉溶液的對照組，只做將淀粉酶加入蔗糖溶液的實驗組，將來即使出現淀粉酶沒有催化蔗糖水解的現象，是否就一定能說明淀粉酶不能催化蔗糖水解呢？不能！因為這里蔗糖沒有被水解的原因，我們可以猜想成是無關變量：淀粉酶濃度不夠或淀粉酶本身已經失活，或加熱時間不合適、或斐林試劑不是新制的等等，甚至于是額外變量(溫度、PH等)沒有達到酶活性的適宜條件所致。但如果設置了將淀粉酶加入淀粉溶液的對照組，并且對照組的淀粉被水解了，則不可能是上述原因，只能是淀粉酶不能催化蔗糖水解的解釋了。這樣問題一下就變得容易理解，也就是實驗必須要有對照實驗，遵循“對照原則”。這樣，就順利地引入了實驗設計原則的教學，教師的講解也變得通俗易懂了。

二、實驗設計原則的教學引入

1.“對照原則”的引入。在上述實驗中，干擾實驗結果出現的因素，不僅有實驗變量，也有無關變量,甚至還有額外變量。為消除無關變量對實驗結果的干擾，首先必須要保證無關變量適宜，但無關變量是多方面的，甚至是不可預知的，有時還經常受到實驗者以至我們人類對生命活動規律認知水平的限制。那么怎樣保證無關變量適宜呢？最簡單有效的方法就是設置對照組，對照組只有在出現預期結果時，才能說明無關變量是適宜的。通常對照方法有“還原糖鑒定實驗”中的自身對照，“比較H2O2酶和Fe3+的催化效率”實驗中Fe3+催化的條件對照，“探究溫度或PH對酶活性影響”實驗中的相互對照，“蛋白質鑒定”實驗中的空白對照。這樣，正確理解對照實驗的作用和設置，有利于我們在驗證和探究問題時設計科學的實驗方法，使實驗結果更具有說服力。

2.“單因子變量原則”的引入。在利用“表一”進行了對照原則的講解后，進一步提出問題，讓學生思考：“1號和2號試管中實驗結果不同，與實驗中的哪一項因子之間存在著因果關系？”學生不難發現：與實驗變量(淀粉、蔗糖)有關。進而合情推理出實驗變量與實驗結果不同之間存在的因果關系，獲得“酶具有專一性”這個正確結論。也就是實驗中控制無關變量不變，只改變實驗變量，更容易讓實驗獲得正確結論，實驗應當遵循“單因子變量原則”。

3.“等量性原則”的引入。在利用“表1”進行了前兩個實驗原則的教學后，可以設置第三個疑問：對比“探索淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用”實驗的整個過程，我們發現：“表1”中1號和2號試管中除了實驗變量(淀粉、蔗糖)以外，其它整個實驗步驟都在同等條件下進行，兩支試管加入液體的量要相等，操作上保持了同步性，這樣做的目的是什么？學生思考后很快答出：為了消除無關變量對實驗結果的干擾和影響！也就是實驗應當遵循的第三個原則“等量性原則”，無關變量在適宜條件和常態下保持等量。

三、教學體會

由對“實驗討論”的思考，順手牽羊式地引入了“實驗設計原則”的教學，這樣的引入有如鬼斧神工、一氣呵成的感覺：一是使本節課過渡自然巧妙、合情合理，抓住了實驗設計教學的最佳時機，讓課堂教學思路更加清晰；二是讓學生站在更高的高度上認識了科學探究的思路和方法，增強了教學效果；三是體現了對科學探究思路和方法的教學重在逐步滲透的教學理念，化解了教學難點。