例談高中生物學中的“實驗目的”

嚴開銀

(1.浙江省建德市壽昌中學 2.浙江師范大學教師學院)

生物學是實驗科學,許多規律、結論都是通過實驗得出,因此生物學的學習離不開實驗。浙科版普通高中生物學教科書必修1“致同學們”中將實驗定義為“人為地改變某些條件來考察生命現象的變化,以探究生命現象內在的因果關系,認識生命活動的內在規律的方法”。簡單地說,在生物學中,實驗是一種探究生命活動的方法。實驗既是生物學形成和發展的基礎,也是學生獲取生物學知識和習得能力的重要手段,還是學業質量水平考查的內容和方式。在生物學學業水平考試和等級性考試中,與實驗相關的考查內容通常高于30%,考查內容涉及實驗目的、原理、思路或步驟、結果及結論等方面。學生在解答實驗類問題時,往往出現偏題、跑題等答非所問的現象,究其原因主要為實驗目的不清晰。

一、實驗目的在實驗中的價值

實驗目的是實驗內容的重要組成部分,是實驗活動的目標和指南,實驗方案設計等通常圍繞著實驗目的進行。下面主要從實驗目的對實驗材料、實驗方向與實驗預期及結論三個方面的影響來闡述。

1.實驗目的決定實驗材料的選擇

實驗成功與否,離不開合適的實驗材料。實驗材料的選擇需要考慮多種因素,但實驗目的決定了實驗材料需具備的基本條件。例如,在“檢測生物組織中的糖類”實驗的中“檢測還原糖”實驗,選擇了梨和白蘿卜作為實驗材料而未選用甘蔗汁,其原因為實驗目的“檢測還原糖”要求實驗材料中含有還原糖,而甘蔗中的糖主要為蔗糖(非還原糖),通常不用甘蔗汁作為實驗材料。基于實驗目的又問為什么不選用葡萄這樣富含葡萄糖的水果作為實驗材料?其原因為多數葡萄為有色葡萄,而還原糖鑒定是通過使用本尼迪特試劑水浴加熱下產生紅黃色沉淀進行鑒定,有色水果本身的顏色會對實驗結果造成干擾。所以,用于檢測還原糖的實驗材料應為無色但富含還原糖的水果或蔬菜。

再例如,在探究溫度對酶活性的影響實驗中,為什么不使用過氧化氫酶作為實驗材料?因過氧化氫酶的底物為過氧化氫,受熱易分解,溫度除對酶產生影響外,對過氧化氫本身也有影響,所以不使用過氧化氫酶作為實驗材料。

“噬菌體侵染細菌實驗”證明了DNA是遺傳物質,該實驗成功的關鍵原因是T2噬菌體的成分簡單,僅由DNA和蛋白質組成,且增殖時間短,適于通過觀察生殖過程中DNA或蛋白質的變化來研究“誰是遺傳物質”。

2.實驗目的決定實驗方向

實驗目的也就是待解決的研究問題,決定了實驗研究方向。如在“植物的礦質代謝”中,實驗目的為“驗證某種礦質元素是否為植物的必需礦質元素”時,就要使用實驗的減法原理進行自變量設計。從邏輯學原理看,如果A可以推出B,就稱A是B的充分條件;同時,非A推出非B則稱A是B的必要條件。因此,為證明“某種礦質元素是植物正常生長的必要條件”,實驗設計采用反證法。具體實驗設計為“以缺乏某元素的完全營養液一組為實驗組,而以完全營養液一組為對照組”。

在“證明唾液淀粉酶具有專一性”實驗中,則需要在蔗糖溶液和淀粉溶液均加入等量且適量的淀粉酶溶液,以此證明唾液淀粉酶對淀粉有催化作用,對蔗糖沒有催化作用。在這里使用A是B的充分條件,實驗變量設計采用加法原理。

再如:在“艾弗里證明DNA是遺傳物質”實驗中,既通過提純的S型菌DNA、蛋白質、莢膜多糖分別與R型菌混合培養,只有S型菌DNA混合培養組獲得S型菌,直接證明“DNA是細菌轉化的充分條件”;也通過S型菌DNA中添加DNA酶后與R型菌混合培養不能獲得S型菌,反證“DNA是R型菌轉化為S型菌的必要條件”,即沒有DNA時不能發生轉化,該實驗依據實驗目的,同時運用了實驗變量設計的“加法原理”和“減法原理”,證明了DNA是細菌轉化的充分必要條件。從以上實驗可知,當實驗目的為探求結果時,使用實驗的加法原理設計實驗;當實驗目的為追蹤溯源時,使用實驗的減法原理設計實驗。

3.實驗目的指明實驗預期及結論

實驗結論是對研究問題的回答,直接具體地反映出實驗目的。例如“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中,實驗目的是解答酵母菌細胞呼吸的方式是什么。實驗在有氧與無氧條件下,通過對細胞呼吸產物的鑒定,進而證明酵母菌存在兩種不同的細胞呼吸方式。但多數教師和學生誤將該實驗結論總結為“酒精是酵母菌進行厭氧呼吸的產物” “需氧呼吸不產生酒精” “需氧呼吸比厭氧呼吸產生的CO2多”等,這樣的結論并未對研究問題作出回答,沒有真正回應實驗目的。結合實驗結果并參照實驗目的得出的實驗結論應為“酵母菌的細胞呼吸方式有需氧呼吸與厭氧呼吸兩種,其厭氧呼吸產生二氧化碳和酒精”。

同時,由于探究性實驗和驗證性實驗中目的含義不一樣,所以兩類實驗的預期結果也存在差異。具體說來,驗證性實驗的結果和結論是確定的,依據自變量與因變量的關系,可用逆推法(由結論推出相應的結果),得出唯一的結果與結論;但在探究性實驗中,實驗結果有多種可能,因而結論是不確定的,在探究性實驗中一般先將自變量與因變量所對應的多種可能關系全部考慮,再用逆推法推理出各種可能對應的結果,因此結果與結論不唯一。例如“驗證某種子發芽過程中能進行產酒精的厭氧呼吸”實驗只需要設計如圖裝置,并出現實驗結果“裝置一著色液滴不動,裝置二著色液滴右移”即能證明。而“探究某種子發芽可進行的呼吸方式”實驗,利用如圖裝置進行探究,則可能出現表1中展示的多種實驗結果,進而得出不同結論。

表1 探究某種子發芽時細胞呼吸方式結果及結論記錄表

裝置一

裝置二圖 驗證或探究某種子發芽時細胞呼吸裝置

二、實驗目的的概念辨析

實驗是一種科學研究方法,也是解決或解答某一具體問題而進行的探究或驗證過程。因此,實驗目的要回答“要探究或驗證的某一事實”或“做了某實驗后,要解決什么問題”。籠統來看,實驗目的可分為兩類,一類是驗證已有的結論,另一類是通過合理的實驗設計及實施,證實假設合理并得出相應結論。依據以上兩類實驗目可將實驗分為兩類,即驗證性實驗與探究性實驗。在具體實驗中,通常是研究一種因素改變對另一種因素的影響,所以實驗目的書寫與表達通常為“探究(或驗證)自變量對(研究對象)因變量的影響”,其中包含了實驗的類型、研究對象、因變量和自變量。

從實驗目的定義看,實驗目的中包含了實驗研究的問題和假設。例如“探究影響酶催化功能的因素——pH對過氧化氫酶的影響”,實驗目的“探究pH對過氧化氫”中隱含了實驗研究問題“過氧化氫酶的最適pH是多少”以及實驗假設“不同pH下酶的活性不同”。從中可以看出實驗目的連接著實驗研究問題,直接反映出實驗假設,為實驗設計指明方向,為實驗結論提供參考標準。因此,實驗目的與實驗研究問題、研究假設不同,但又相互關聯。

同時,還要注意實驗目的不同于實驗教學目的。實驗目的是基于解決具體科學問題,而實驗教學目的是基于學生學習或發展需求。“實驗教學目的”是在實驗目的完成的基礎上,再附加上學生需要發展的核心素養。例如“細胞通過分裂增殖”一節中,活動“制作和觀察根尖細胞有絲分裂臨時裝片,或觀察其永久裝片”中,“目的要求”為制備植物根尖的臨時裝片和觀察根尖分生區中有絲分裂不同時期的細胞。該活動的“目的要求”其實質是“實驗教學目的”,是指在實驗目的“驗證植物根尖分生區細胞進行有絲分裂”基礎上,附加“制備根尖臨時裝片” “觀察臨時裝片”等科學探究素養提升的教學目的。因此,“實驗目的”與“實驗教學目的”之間既有聯系又有區別。教師在實驗教學時需注意區分“實驗目的”與“實驗教學目的”,避免教學迷失方向。

三、實驗目的的教學方法

實驗目的如此重要,但在具體實驗類試題中,題干信息并不直接將實驗目的呈現出來,通常需要學生思考后才能發現問題背后的實驗目的,作為教師可通過引導學生在“讀”實驗、“做”實驗、“練”實驗、“設”實驗中養成重視實驗目的意識,進而提升實驗探究能力。

1.學科學史,“讀”實驗目的

“讀”實驗,指教師引導學生解讀教材中各種科學史過程,選擇其中具體科學探究過程并分析實驗目的、原理、方法、過程、結果及結論。《課程標準》中強調大概念教學,大概念形成基于重要概念形成,重要概念形成又基于次位概念,次位概念建立在生物學有關事實和現象的基礎上。因此,在生物學教材中既明確展示了大量的實驗活動要求和生物學科學史實驗,同時還有隱含在知識結論、旁欄資料及課后練習中的隱性實驗。在科學史中有相當豐富的實驗探究歷程,這些內容為實驗目的的教學提供了很好的材料,作為教師應該善于使用這些科學史素材進行實驗目的教學。例如:在學習光合作用的發現歷程中,涉及“1648—1653年比利時醫生海爾蒙特柳苗栽培實驗” “1771年英國化學家普利斯特利實驗” “1779年英格豪斯實驗” “1864年德國科學家薩克斯” “1880年德國科學家恩吉爾曼實驗” “20世紀40年代美國科學家魯賓和卡門實驗”等。在展示以上實驗過程和結果后,可引導學生分析自變量、因變量、因變量檢測指標,并結合實驗結果推出實驗結論后,理解實驗目的與實驗材料選擇、方向和結論的關系。同理,在酶、遺傳物質、生長素等物質的發現歷程的科學史中,也存在著上述教學問題鏈,同樣可以用于實驗目的的教學。

2.在活動中,“做”實驗目的

“做”實驗,指在理解實驗目的的基礎上,動手進行具體的實驗操作,熟悉實驗儀器、相關試劑的作用及相關操作步驟,進行實驗方法和技能的運用。但在具體的學生實驗教學中,多數“學生實驗”并沒有充分達成實驗目的。站在學生角度分析原因時可以看到,學生對生物學實驗充滿興趣,做起實驗也非常積極,但往往缺少目的性。例如:“模擬孟德爾雜交實驗”中,其實驗教學目的是“通過模擬實驗,認識和理解等位基因分離和配子隨機結合與性狀間的數量關系”。但在該模擬實驗操作中,常常僅關注子代基因型及性狀表現,卻忽略了實驗目的——對等位基因分離的研究,即關注雌雄個體各自產生的配子種類及比例。因此,教師在實驗教學中應注意三點:一是在實驗前,注意到實驗用品準備和實驗步驟設計的同時,應對實驗目的進行問題設計;二是在實驗中,注重實驗操作細節要求的同時,應注意實驗目的對具體實驗操作的指導作用;三是在實驗后,強調實驗結果、器材整理的同時,應對照實驗目的得出實驗結論并進行討論。在具體實驗教學中,可以在實驗前用5～8分鐘進行討論,明確實驗目的、設計和理解操作過程;實驗中用25～30分鐘進行實驗操作;實驗后用3～5分鐘圍繞實驗目的進行總結。最終,通過具體實驗操作,引導學生理解實驗目的在實驗中的核心位置。

3.改編練習,“練”實驗目的

“練”實驗,是指在平時的生物學學習中,適時精選實驗類習題進行改編或重組并用于練習,以加深對實驗基礎知識的理解和掌握。通過實驗類練習創造情境,指導學生進行材料選擇、儀器運用和實驗方案設計等,達到提升生物學核心素養的目的,實現知識和能力的遷移。在“練”實驗中,包括實驗目的類問題的改編練習,即在改編練習中發掘問題用于實驗目的教學,為學習生物學打下堅實基礎。

例(2021年1月,浙江選考卷,第30題改編):1897年德國科學家畢希納發現,利用無細胞的酵母汁可以進行乙醇發酵;還有研究發現,乙醇發酵的酶發揮催化作用需要小分子和離子輔助。某研究小組為驗證上述結論,利用下列材料和試劑進行了實驗。

材料和試劑:酵母菌、酵母汁、A溶液(含有酵母汁中的各類生物大分子)、B溶液(含有酵母汁中的各類小分子和離子)、葡萄糖溶液、無菌水。

實驗共分6組,其實驗處理和結果如表2。

表2

回答下列問題:

(1)該實驗的目的是什么?(驗證小分子和離子輔助對乙醇發酵的酶催化作用發揮的影響或驗證乙醇發酵的酶發揮催化作用需要小分子和離子輔助)

(2)表中第①、②組實驗進行對照的實驗目的是什么?(證明酵母菌能利用葡萄糖溶液進行乙醇發酵)

(3)表中第①、②、⑤組實驗進行對照的實驗目的是什么?(證明無細胞酵母汁能利用葡萄糖溶液進行乙醇發酵)

(4)表中第①、②、③、④、⑤、⑥組實驗進行對照的實驗目的是什么?(證明完整的酵母汁才能利用葡萄糖溶液進行乙醇發酵)

(5)若表中再增加一組實驗⑦“葡萄糖溶液+A溶液+去除了離子M的B溶液”,且該實驗“無乙醇生成”,請問實驗⑦與其他實驗進行對照的實驗目的是什么?(證明B溶液中離子M是乙醇發酵的必需條件)

4.聯系生活,“設”實驗目的

“設”實驗,是指在“讀” “做” “練”的基礎上,引導學生對現實生活中的生命活動現象進行分析,設計(或假設)其中的實驗目的、原理、步驟、預期結果和結論,并討論交流設計實驗過程中存在的問題及解決的方法。例如:生活中為了催熟柿子等水果,人們往往會在柿子中放入熟透的香蕉或蘋果并密封。若將該操作視為一個實驗,則這個實驗的目的是什么?多數同學會回答“證明乙烯具有催熟水果的作用”。但在思考后學生就會發現缺少對照實驗。在加設一組未成熟香蕉的對照實驗之后,又可以提出新問題,通過有無香蕉的對照實驗能夠達成“證明乙烯具有催熟水果的作用”的實驗目的嗎?學生經思考后又會發現,該實驗只能證明“熟透的香蕉對未成熟的水果有催熟效果或作用”。但該實驗中水果含有多種物質,并不能證明乙烯作為單一變量起到了催熟水果的作用。借此,學生學會在明確實驗目的基礎上重新設計實驗,提升科學思維水平。

實驗是生物學教學的重點和難點,明確實驗目的,向上可以追問實驗研究問題和假設,從而明確實驗方向;向下可以指導實驗原理運用、實驗方案設計,明確實驗預期與結論。總之,實驗目的是實驗設計、實驗分析、實驗評價的基礎,在高中生物學課程中應充分重視。