高三課堂教學(xué)中探究性實驗設(shè)計的探索

李秀麗

在高中生物學(xué)習(xí)中，探究性實驗設(shè)計與裝置分析是一個難點。為將這樣的實驗進(jìn)行一個梳理與變式分析，讓學(xué)生更好地理解其中的原理，掌握實驗研究的一般方法，以高中生物學(xué)中的一種常見的研究光合作用與呼吸作用的實驗裝置（液滴移動）為例，進(jìn)行相關(guān)的實驗設(shè)計與研究。

設(shè)計思想：在高三復(fù)習(xí)課的實驗教學(xué)中，嘗試拋開傳統(tǒng)實驗設(shè)計課的直接呈現(xiàn)與啟發(fā)式的課堂模式，即在教師的限定思維下局部思考實驗的細(xì)枝末節(jié)，而是課前對學(xué)生進(jìn)行分組編號，課件展示課堂教學(xué)任務(wù)即本節(jié)課要達(dá)成的目標(biāo)以及學(xué)生關(guān)于本實驗設(shè)計的相關(guān)問題，要求學(xué)生先獨立思考在合作交流5～8 min，然后抽簽分別展示，并解讀各組設(shè)計思路，5 min展示完畢，并分別由各組代表解讀設(shè)計思路，其他組認(rèn)真傾聽，并隨時就設(shè)計者展示內(nèi)容作質(zhì)疑或補(bǔ)充，從而提升學(xué)生設(shè)身處地分析和嚴(yán)密性邏輯推理能力。

1 測定植物的呼吸熵

呼吸熵（RQ）表示生物通過呼吸作用釋放的CO2體積/消耗的O2體積。如果以葡萄糖為有氧呼吸消耗的有機(jī)物，有氧呼吸的呼吸熵為1;如果是脂類為有氧呼吸消耗的有機(jī)物，有氧呼吸的呼吸熵<1。在設(shè)計中用呼吸熵來研究有氧呼吸消耗的是否是葡萄糖，或者研究是否只進(jìn)行有氧呼吸等。實驗裝置如圖1所示。

案例1（以下參考案例均為學(xué)生課后整理）。

（1） 取圖1所示的2個同樣裝置，分別編號甲、乙。

（2） 實驗組甲裝置燒杯內(nèi)放適量的NaOH溶液，對照組放等量的清水，其他條件完全一樣，放在黑暗、適溫的環(huán)境下一段時間。

（3） 觀察紅色液滴移動的方向，甲向左移動xcm，乙移動距離為ycm。

（4） 結(jié)果與結(jié)論：若y為向右移動的距離，則該植物的呼吸熵表示為（x+y）/x.即該呼吸熵值大于1;若y為向左移動的距離，則該植物的呼吸熵表示為（x-y）/x.即該呼吸熵值小于1，說明該植物呼吸底物不只為葡萄糖;若y值為0，即紅色不移動，則該植物的呼吸熵表示為x/x=1，說明該植物只進(jìn)行有氧呼吸，且底物為葡萄糖。

特別說明：植物的呼吸熵即可以反映呼吸的方式，也可以反映呼吸底物的類型。要注意的是本實驗材料為植株，則應(yīng)避光且密閉實驗;若實驗材料為萌發(fā)的種子則不需要避光。但是如果考慮環(huán)境因素對實驗的干擾，則需另設(shè)一對照組丙，且把植物換為同種等量的死植株;若排除生物因素對實驗的干擾，則要考慮對整個裝置進(jìn)行滅菌以及對植株進(jìn)行消毒處理。

[典例剖析1]為測定該植物的呼吸熵，關(guān)閉開關(guān)A，在25℃下經(jīng)20 min讀出刻度管中紅液滴移動距離。甲裝置（D中為NaOH溶液）和乙裝置（D中為H2O）的液滴分別向左移動x mm和y mm。

① 若測得x=180 mm、y=50 mm，則該植物的呼吸熵是 ? ?（保留兩位小數(shù)）。假設(shè)植物完全進(jìn)行有氧呼吸，根據(jù)呼吸熵數(shù)值可以推測有氧呼吸分解的有機(jī)物中除了 ? ? 外，還有其他的有機(jī)物。

② 為使測得的x和y值更精確，還應(yīng)再設(shè)置兩對照裝置，與甲對照裝置的容器和D中分別放入等量的 ? ?植物和 ? ?，與乙對照裝置的容器和D中分別放入等量的 ? ?植物和 ? ，設(shè)置對照裝置的目的是 ? ? ? ? ?。

③ 假設(shè)植物呼吸消耗的有機(jī)物全部為葡萄糖，在25℃下經(jīng)20 min讀出刻度管中紅液滴移動距離，x=300 mm，y=-100 mm（裝置乙液滴向右移動100 mm），則可推測有氧呼吸消耗葡萄糖與無氧呼吸消耗葡萄糖的比值是 ? ? ? 。

解析：甲裝置液滴向左移動的x距離為有氧呼吸消耗的O2量，乙裝置液滴向左移動y距離是消耗的O2量與產(chǎn)生的CO2的差值，本實驗植物呼吸產(chǎn)生的CO2量是x-y。呼吸熵是（x-y）/x=（180-50）/180≈0.72，這個數(shù)值小于1，表示完全有氧呼吸的情況下，除了分解葡萄糖外，還有其他有機(jī)物。為排除溫度、氣壓等的影響，需要設(shè)置空白對照。設(shè)置時注意等量原則，植物是死的植物。假設(shè)植物呼吸消耗的全部是葡萄糖，裝置乙液滴向右移動為100 mm，則推測無氧呼吸產(chǎn)生的CO2量是100 mm，有氧呼吸消耗的O2量為300 mm，有氧呼吸與無氧呼吸消耗的葡萄糖比值是300/6∶100/2=1∶1。

參考答案：① 0.72 葡萄糖 ② 死的 NaOH溶液 死的 H2O 用于校正甲裝置與乙裝置內(nèi)因物理因素（或非生物因素）引起的容積變化 ③ 1∶1

解題規(guī)律：測呼吸熵需要測出植物呼吸產(chǎn)生的CO2與消耗的O2量，消耗的O2量通過甲裝置可測，而呼吸產(chǎn)生的CO2量不易直接測定，可通過乙裝置來測出兩者的差值，再計算出呼吸產(chǎn)生的CO2量。乙裝置與甲裝置相比，液滴可向左移，在甲裝置液滴的右側(cè);或不移動，還在起始點E點;或液滴向右移，在E點右側(cè)，分別代表呼吸產(chǎn)生的CO2量小于、等于、大于消耗的O2量。如果只有有氧呼吸的情況下，乙裝置的液滴不在起始點E點，可知消耗的有機(jī)物除了葡萄糖以外，還有其他有機(jī)物。

2 研究呼吸作用方式

案例2：

（1） 設(shè)置圖1所示的實驗裝置，甲裝置的D中放入NaOH溶液，乙裝置的D中放入等量的清水。

（2） 將甲、乙放在黑暗處（遮光）處理，保持其他條件相同且適宜。

（3） 實驗開始時，關(guān)閉開關(guān)A，連續(xù)記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度。

（4） 記錄結(jié)果與分析結(jié)論。

說明：此類題目為研究生物進(jìn)行有氧呼吸，還是無氧呼吸，以及兩種呼吸方式是否同時進(jìn)行。通過對比實驗中的氣體體積變化，判斷呼吸方式。

[典例剖析2]為研究植物在某種氧氣濃度下呼吸作用方式，以植物呼吸只消耗葡萄糖為例。設(shè)置如圖1的裝置，方法步驟是：

① 甲裝置的D中放入NaOH溶液，乙裝置的D中放入 ? ? ? ?。

② 將甲、乙兩裝置 ? ? 處理，放在條件相同且適宜的環(huán)境中。

③實驗開始時，關(guān)閉開關(guān)A，連續(xù)記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度。

實驗結(jié)果見表1。

請回答下列問題：

④ 甲裝置中使用NaOH溶液的目的是

⑤ 甲裝置中紅液滴移動的距離x表示 ? ;乙裝置中紅液滴移動的距離y表示 ? ? ?。

⑥ 請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)分析：乙裝置中1 h的植物呼吸方式是 ? ，3 h后的植物呼吸方式是 ? 。

⑦ 當(dāng)實驗進(jìn)行到2 h時，植物有氧呼吸消耗葡萄糖的速率是無氧呼吸速率的 ? 倍。

解析：研究植物在某種氧氣濃度下的呼吸方式，為避免光合作用對數(shù)據(jù)的影響，需要都放在黑暗的環(huán)境下實驗。甲裝置中放入NaOH溶液，為了吸收植物呼吸放出的CO2氣體，乙裝置中放入H2O，其中氣體體積的變化是植物呼吸吸收的O2量與放出的CO2的差值。考慮到有氧呼吸中消耗葡萄糖，吸收的O2與放出的CO2量一樣，乙裝置中向右移動的距離為無氧呼吸放出的CO2量。1 h時，甲裝置向左移動，而乙裝置液滴不動，說明此時只進(jìn)行有氧呼吸。3 h后，甲裝置液滴不動，說明不進(jìn)行有氧呼吸，只進(jìn)行無氧呼吸。2 h時，無氧呼吸產(chǎn)生CO2量可用6 mm表示，有氧呼吸消耗O2量可用30 mm表示。有氧呼吸速率與無氧呼吸速率之比是（30/6）÷（6/2）=5/3。

參考答案：① H2O ② 放在黑暗處（遮光） ?④ 吸收植物產(chǎn)生的CO2 ⑤ 植物有氧呼吸消耗的O2量 植物進(jìn)行呼吸產(chǎn)生的CO2與消耗的O2量的差值 ⑥ 只進(jìn)行有氧呼吸 只進(jìn)行無氧呼吸 ⑦ 5/3

解題規(guī)律：此類實驗設(shè)計需要在一個裝置里放NaOH溶液。如果進(jìn)行有氧呼吸，液滴向左移動;如果進(jìn)行無氧呼吸，液滴不移動;但是如果同時進(jìn)行有氧呼吸與無氧呼吸，則液滴也向左移動。并且需要設(shè)置另一對照組——清水組。在清水組中如果只進(jìn)行有氧呼吸，以葡萄糖為消耗有機(jī)物，液滴不移動;如果只進(jìn)行無氧呼吸，液滴向右移動;如果兩種方式同時進(jìn)行，則向右移動。兩個裝置相互對照，就可以判斷是進(jìn)行何種呼吸方式。

3 測植物實際光合作用

案例3：

（1） 取圖1所示的2個同樣裝置，分別編號甲、乙。

（2） 在甲裝置的燒杯內(nèi)放入適量的NaOH溶液，裝置乙的燒杯中放入等量的NaHCO3溶液，并把裝置甲置于黑暗環(huán)境，乙給予適宜光照。一段時間后，觀察紅色液滴移動的距離。

（3） 若甲向左移動距離為x（代表呼吸消耗的O2），乙移動距離為y（代表光合產(chǎn)生O2與呼吸消耗O2差值），則該植物在光照這段時間內(nèi)實際光合作用則表示為x+y。

特別提醒：光照強(qiáng)度不同，Y可能左移、右移也可能不移。

[典例剖析3]某生物興趣小組探究某植物光合強(qiáng)度，設(shè)計了如圖1所示的裝置進(jìn)行實驗。假設(shè)實驗期間均處于適宜且相對穩(wěn)定的環(huán)境條件下。請分析回答有關(guān)問題：

（1） 實驗一：測定植物的凈光合作用強(qiáng)度時，燒杯中加入 ? ?（NaHCO3/NaOH）溶液。將裝置置于

的條件下。1 h后，裝置中紅墨水滴移動的方向是 ? ?，移動刻度為10 cm。

（2） 實驗二：測定植物細(xì)胞呼吸強(qiáng)度時，燒杯中加入 ? （NaHCO3/NaOH）溶液，將裝置置于

的條件下。1 h后，裝置中紅墨水滴向左移動，原因是____________。讀取移動刻度為2 cm。

（3） 根據(jù)上述實驗，假設(shè)紅墨水滴每移動1 cm，植物體內(nèi)的O2增加或減少1 g，且晝夜溫度控制相等，那么該植物的細(xì)胞呼吸速率是 g/h;給予光照12 h，黑暗12 h，則24 h葡萄糖的積累量是 g。

參考答案：（1） NaHCO3 光照充足且密閉 向右 （2） NaOH 遮光（黑暗）且密閉 植物在黑暗條件下進(jìn)行細(xì)胞呼吸，吸收氧氣，釋放CO2，釋放的CO2被NaOH溶液吸收，容器中氣壓減小 （3） 2 90

解題規(guī)律：測量光合作用速率，需要將裝置放置于相應(yīng)的光照條件下，為減少誤差，常設(shè)置空白對照組，即等量、死亡的植物，其他條件為無關(guān)變量。使用CO2緩沖溶液，以保證容器中CO2濃度的不變。這樣O2的量的變化就可以表示光合與呼吸作用對O2的產(chǎn)生與消耗的差值，也就是表觀光合速率。為了進(jìn)一步計算實際光合速率，需將這個裝置放置于黑暗中，測得呼吸作用的速率。這是典型的一種裝置多用的例子。

4 解題探究

（1） 解決此類問題的常規(guī)思路是明確測定指標(biāo)和原理（表2）。

（2） 計算技巧：

① 已知凈光合速率為a，呼吸速率為b，給予光照時間為c，則一晝夜積累的因變量的量為 ? 。

② 若由O2或CO2的量求葡萄糖的量，則需利用它們與葡萄糖分子個數(shù)比為 ? ? ? 的關(guān)系。

參考答案：① ac-b（24-c） ② 6∶1

反思提升：

（1） 若探究光合作用，裝置如何處理？如何移動？代表意義？

（2） 若探究CO2是不是光合作用所需的原料，則對照組如何處理？

（3） 若探究呼吸作用，裝置如何處理？

（4） 若探究呼吸方式，對照組如何處理？

（5） 若排除環(huán)境因素對呼吸實驗的干擾，對照組如何處理？

（6） 若排除生物因素對呼吸實驗的干擾，對照組如何處理？

此外，液滴移動法還可以用于測定影響光合作用、呼吸作用的影響因素等實驗。

課后反思：抱著嘗試的心理去設(shè)計了這堂“實驗設(shè)計”的教學(xué)。本以為學(xué)生在沒有任何參考資料的情況下自主設(shè)計實驗會有一定難度，會思維混亂、步驟無章，以致故此失彼，無嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性可言。事實上，學(xué)生思維能力、表現(xiàn)形式遠(yuǎn)遠(yuǎn)出乎筆者的意料，基本上是在教師很少參與的情況下，學(xué)生完成合作、質(zhì)疑與補(bǔ)充，包括在呼吸作用測定實驗中，學(xué)生對外界環(huán)境因素或內(nèi)部微生物的存在可能帶來的干擾另設(shè)對照組予以排除，也包括液滴移動法測定呼吸熵的對照組和液滴移動法測凈光合作用時液滴移動方向的不確定性都考慮得十分周全。