例析生物高考中的探究性實驗設(shè)計

王元軍

摘 要：探究性實驗設(shè)計重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，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)的一個重要方面。文章結(jié)合實例，分析生物高考中的探究性實驗設(shè)計相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：探究性實驗 實驗設(shè)計 常見題型 基本原則

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

1.探究性實驗設(shè)計的常見題型

1.1根據(jù)實驗原理，確定實驗步驟。

[例]請根據(jù)下述條件設(shè)計一個實驗，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實驗步驟并分析結(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。

（1）實驗步驟：

（2）結(jié)果分析：

[解析]本題考查的是學(xué)生運用已有知識解決實際問題的能力。通過設(shè)計實驗，考查學(xué)生運用知識解決問題能力及創(chuàng)新能力是當(dāng)今高考命題的趨勢之一。根據(jù)細(xì)胞滲透吸水（及失水）原理，就能設(shè)計科學(xué)正確方案，將兩種濃度不同的溶液鑒別出來。

答案：實驗步驟：（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)實驗原理，完善實驗過程。

[例]為驗證“鎂是植物生活的必需元素”，三位同學(xué)進行了實驗設(shè)計，下列是實驗的基本思路。請分別指出三個實驗思路能否達到實驗?zāi)康模瑸槭裁矗繉懗瞿愕膶嶒炘O(shè)計思路。

（1）實驗一：取生長狀況一致的大豆苗，用符合實驗要求的容器培養(yǎng)。對照組容器內(nèi)只盛有蒸餾水，實驗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)，并對溶液通氣，觀察比較兩組植物的生長發(fā)育情況。

（2）實驗二：取生長狀況一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均勻，容器符合實驗要求），對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發(fā)育情況。

（3）實驗三：取生長狀況一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均勻，容器符合實驗要求），對照組澆以含有植物必需的各種元素的完全營養(yǎng)液，實驗組澆以不含鎂離子的完全營養(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發(fā)育情況。

（4）下面由你進行實驗設(shè)計，請寫出你的設(shè)計思路。

[解析]本題通過實驗分析及實驗設(shè)計，體現(xiàn)出課程新標(biāo)準(zhǔn)中“使用恰當(dāng)?shù)姆椒炞C簡單的生物學(xué)事實，并對結(jié)果進行解釋和分析”，著重考查學(xué)生科學(xué)思維能力。在題目給出的3個實驗設(shè)計中：（1）因為蒸餾水和鎂鹽溶液均缺乏植物必需礦質(zhì)元素，所以兩組植物生長均不正常。（2）和（3）因為兩組容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子，實驗設(shè)計都存在缺陷。

答案：（1）不能。因為蒸餾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均不正常。（2）不能。因為兩組容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子。（3）不能。因為兩組容器內(nèi)的砂性土壤中都可能含有鎂離子。（4）取生長狀況一致的大豆苗，用符合實驗要求的容器，對照組盛有含有植物必需的各種元素的完全營養(yǎng)液，實驗組盛有不含鎂離子的完全營養(yǎng)液。兩組置于相同的適宜條件下培養(yǎng)，并對溶液通氣，觀察比較兩組植物的生長發(fā)育情況。

1.3根據(jù)實驗原理，分析實驗結(jié)果。

[例]為驗證pH對唾液淀粉酶活性的影響，實驗如下：

（1）在1～5號試管中加入相應(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號試管中加入0.5%唾液1ml，然后進行37℃恒溫水浴。

（4）反應(yīng)過程中，每隔1min從第3號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，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：

請回答：

A.實驗過程中為何要選擇37℃恒溫？

B.3號試管加碘液后出現(xiàn)橙黃色，說明什么？

C.如果反應(yīng)速度過快，那么應(yīng)當(dāng)對唾液做如何調(diào)整？

D.該實驗得出的結(jié)論是什么？

[解析]本題要求對“驗證pH對唾液淀粉酶活性的影響”的實驗現(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驗原理和方法。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。溫度過高或過低，都會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.在該實驗中，只有在恒溫的條件下，才能排除溫度因素對結(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時酶活性逐漸降低。

2.探究性實驗設(shè)計的基本原則

2.1科學(xué)性原則

科學(xué)研究活動是科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實事求是的活動。實驗設(shè)計時必須有充分的科學(xué)依據(jù)，否則所做的實驗和所得到的結(jié)果都失去了依托。所以實驗選題、實驗過程和實驗結(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

探究性實驗的選題要具有可操作性。首先探究的課題范圍要小，實驗過程不宜十分復(fù)雜。其次要能選擇一個適當(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)、知識特點和能力特點的要求。再次是實驗選題要符合實際情況：如設(shè)備條件是否滿足；材料有無來源；學(xué)生有沒有足夠的時間和精力。總之，選題要做到因時、因人、因地制宜。

2.3嚴(yán)謹(jǐn)性原則

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

2.4可重復(fù)性原則

重復(fù)、隨機和對照是保證實驗結(jié)果正確性的三大原則。實驗設(shè)計中必須注意實驗的可重復(fù)性，只有足夠的實驗次數(shù)才能更準(zhǔn)確地判斷實驗結(jié)果的可靠性。

本文系江蘇省中小學(xué)實驗教學(xué)研究第二期立項課題《高中理化生新教材中創(chuàng)新實驗的設(shè)計與應(yīng)用研究》成果之一。