例談高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)原則

◆李發(fā)軍

(甘肅省酒泉市金塔縣中學(xué))

在高中生物教材中，以“探索淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的作用”來驗(yàn)證酶具有專一性的實(shí)驗(yàn)，設(shè)置了一道討論題：“在已知淀粉酶能催化淀粉水解的情況下，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置1號(hào)試管還有沒有必要？”在此討論題的教學(xué)中，筆者突然悟到：若由此問題的討論來引入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“單因子變量原則、對(duì)照原則、等量性原則”的教學(xué)，則能成功典范地突破實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，將抽象的教學(xué)突然變得通俗易懂，教學(xué)不再有難度障礙，教學(xué)效果明顯放大了。

一、實(shí)驗(yàn)情景

“探索淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的作用”的實(shí)驗(yàn)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(yīng)，而不能催化其他任何物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。其思路應(yīng)是在適宜條件下將淀粉酶分別加入淀粉和其他各種物質(zhì)(如蔗糖溶液)中，再觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果只有淀粉發(fā)生了反應(yīng)，其他各種物質(zhì)均不能發(fā)生反應(yīng)，則只能說明淀粉酶具有專一性。課本在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)設(shè)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(shí)驗(yàn)設(shè)置1號(hào)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(duì)比后，答案是肯定的：有必要(作為對(duì)照)。但許多同學(xué)并不能理解：“在已知淀粉酶能催化淀粉水解的情況下，本實(shí)驗(yàn)為什么還有必要設(shè)置1號(hào)試管作對(duì)照實(shí)驗(yàn)？”即為什么需要這樣的對(duì)照？為了讓問題變得更容易理解，我們可以將上述實(shí)驗(yàn)變形一下，把“1號(hào)試管”的內(nèi)容全部空白，然后引導(dǎo)學(xué)生設(shè)想一下：如果沒有將淀粉酶加入淀粉溶液的對(duì)照組，只做將淀粉酶加入蔗糖溶液的實(shí)驗(yàn)組，將來即使出現(xiàn)淀粉酶沒有催化蔗糖水解的現(xiàn)象，是否就一定能說明淀粉酶不能催化蔗糖水解呢？不能！因?yàn)檫@里蔗糖沒有被水解的原因，我們可以猜想成是無關(guān)變量：淀粉酶濃度不夠或淀粉酶本身已經(jīng)失活，或加熱時(shí)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(dá)到酶活性的適宜條件所致。但如果設(shè)置了將淀粉酶加入淀粉溶液的對(duì)照組，并且對(duì)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(shí)驗(yàn)必須要有對(duì)照實(shí)驗(yàn)，遵循“對(duì)照原則”。這樣，就順利地引入了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則的教學(xué)，教師的講解也變得通俗易懂了。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則的教學(xué)引入

1.“對(duì)照原則”的引入。在上述實(shí)驗(yàn)中，干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的因素，不僅有實(shí)驗(yàn)變量，也有無關(guān)變量，甚至還有額外變量。為消除無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，首先必須要保證無關(guān)變量適宜，但無關(guān)變量是多方面的，甚至是不可預(yù)知的，有時(shí)還經(jīng)常受到實(shí)驗(yàn)者以至我們?nèi)祟悓?duì)生命活動(dòng)規(guī)律認(rèn)知水平的限制。那么怎樣保證無關(guān)變量適宜呢？最簡(jiǎn)單有效的方法就是設(shè)置對(duì)照組，對(duì)照組只有在出現(xiàn)預(yù)期結(jié)果時(shí)，才能說明無關(guān)變量是適宜的。通常對(duì)照方法有“還原糖鑒定實(shí)驗(yàn)”中的自身對(duì)照，“比較H2O2酶和Fe3+的催化效率”實(shí)驗(yàn)中Fe3+催化的條件對(duì)照，“探究溫度或PH對(duì)酶活性影響”實(shí)驗(yàn)中的相互對(duì)照，“蛋白質(zhì)鑒定”實(shí)驗(yàn)中的空白對(duì)照。這樣，正確理解對(duì)照實(shí)驗(yàn)的作用和設(shè)置，有利于我們?cè)隍?yàn)證和探究問題時(shí)設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力。

2.“單因子變量原則”的引入。在利用原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)照原則的講解后，進(jìn)一步提出問題，讓學(xué)生思考：“1號(hào)和2號(hào)試管中實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，與實(shí)驗(yàn)中的哪一項(xiàng)因子之間存在著因果關(guān)系？”學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)：與實(shí)驗(yàn)變量(淀粉、蔗糖)有關(guān)。進(jìn)而合情推理出實(shí)驗(yàn)變量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同之間存在的因果關(guān)系，獲得“酶具有專一性”這個(gè)正確結(jié)論。也就是實(shí)驗(yàn)中控制無關(guān)變量不變，只改變實(shí)驗(yàn)變量，更容易讓實(shí)驗(yàn)獲得正確結(jié)論，實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)遵循“單因子變量原則”。

3.“等量性原則”的引入。在利用原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)原則的教學(xué)后，可以設(shè)置第三個(gè)疑問：對(duì)比“探索淀粉酶對(duì)淀粉和蔗糖的作用”實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，我們發(fā)現(xiàn)：原實(shí)驗(yàn)中1號(hào)和2號(hào)試管中除了實(shí)驗(yàn)變量(淀粉、蔗糖)以外，其它整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟都在同等條件下進(jìn)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(xué)生思考后很快答出：為了消除無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾和影響！也就是實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)遵循的第三個(gè)原則“等量性原則”，無關(guān)變量在適宜條件和常態(tài)下保持等量。

三、教學(xué)體會(huì)

由對(duì)“實(shí)驗(yàn)討論”的思考，順手牽羊式地引入了“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則”的教學(xué)，這樣的引入有如鬼斧神工、一氣呵成的感覺：一是使本節(jié)課過渡自然巧妙、合情合理，抓住了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)的最佳時(shí)機(jī)，讓課堂教學(xué)思路更加清晰；二是讓學(xué)生站在更高的高度上認(rèn)識(shí)了科學(xué)探究的思路和方法，增強(qiáng)了教學(xué)效果；三是體現(xiàn)了對(duì)科學(xué)探究思路和方法的教學(xué)重在逐步滲透的教學(xué)理念，化解了教學(xué)難點(diǎn)。