例谈高中生物实验教学设计原则

◆李发军

(甘肃省酒泉市金塔县中学)

在高中生物教材中，以“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”来验证酶具有专一性的实验，设置了一道讨论题：“在已知淀粉酶能催化淀粉水解的情况下，本实验设置1号试管还有没有必要？”在此讨论题的教学中，笔者突然悟到：若由此问题的讨论来引入实验设计应遵循“单因子变量原则、对照原则、等量性原则”的教学，则能成功典范地突破实验设计原则这个教学难点，将抽象的教学突然变得通俗易懂，教学不再有难度障碍，教学效果明显放大了。

一、实验情景

“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”的实验原理是：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应，而不能催化其他任何物质的化学反应。其思路应是在适宜条件下将淀粉酶分别加入淀粉和其他各种物质(如蔗糖溶液)中，再观察实验结果，如果只有淀粉发生了反应，其他各种物质均不能发生反应，则只能说明淀粉酶具有专一性。课本在实验结束时设置了讨论题：“在已知淀粉酶能够催化淀粉水解的情况下，本实验设置1号试管(将淀粉酶加入淀粉溶液)还有没有必要？”

正常情况下，通过对比后，答案是肯定的：有必要(作为对照)。但许多同学并不能理解：“在已知淀粉酶能催化淀粉水解的情况下，本实验为什么还有必要设置1号试管作对照实验？”即为什么需要这样的对照？为了让问题变得更容易理解，我们可以将上述实验变形一下，把“1号试管”的内容全部空白，然后引导学生设想一下：如果没有将淀粉酶加入淀粉溶液的对照组，只做将淀粉酶加入蔗糖溶液的实验组，将来即使出现淀粉酶没有催化蔗糖水解的现象，是否就一定能说明淀粉酶不能催化蔗糖水解呢？不能！因为这里蔗糖没有被水解的原因，我们可以猜想成是无关变量：淀粉酶浓度不够或淀粉酶本身已经失活，或加热时间不合适、或斐林试剂不是新制的等等，甚至于是额外变量(温度、PH等)没有达到酶活性的适宜条件所致。但如果设置了将淀粉酶加入淀粉溶液的对照组，并且对照组的淀粉被水解了，则不可能是上述原因，只能是淀粉酶不能催化蔗糖水解的解释了。这样问题一下就变得容易理解，也就是实验必须要有对照实验，遵循“对照原则”。这样，就顺利地引入了实验设计原则的教学，教师的讲解也变得通俗易懂了。

二、实验设计原则的教学引入

1.“对照原则”的引入。在上述实验中，干扰实验结果出现的因素，不仅有实验变量，也有无关变量，甚至还有额外变量。为消除无关变量对实验结果的干扰，首先必须要保证无关变量适宜，但无关变量是多方面的，甚至是不可预知的，有时还经常受到实验者以至我们人类对生命活动规律认知水平的限制。那么怎样保证无关变量适宜呢？最简单有效的方法就是设置对照组，对照组只有在出现预期结果时，才能说明无关变量是适宜的。通常对照方法有“还原糖鉴定实验”中的自身对照，“比较H2O2酶和Fe3+的催化效率”实验中Fe3+催化的条件对照，“探究温度或PH对酶活性影响”实验中的相互对照，“蛋白质鉴定”实验中的空白对照。这样，正确理解对照实验的作用和设置，有利于我们在验证和探究问题时设计科学的实验方法，使实验结果更具有说服力。

2.“单因子变量原则”的引入。在利用原实验进行了对照原则的讲解后，进一步提出问题，让学生思考：“1号和2号试管中实验结果不同，与实验中的哪一项因子之间存在着因果关系？”学生不难发现：与实验变量(淀粉、蔗糖)有关。进而合情推理出实验变量与实验结果不同之间存在的因果关系，获得“酶具有专一性”这个正确结论。也就是实验中控制无关变量不变，只改变实验变量，更容易让实验获得正确结论，实验应当遵循“单因子变量原则”。

3.“等量性原则”的引入。在利用原实验进行了前两个实验原则的教学后，可以设置第三个疑问：对比“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”实验的整个过程，我们发现：原实验中1号和2号试管中除了实验变量(淀粉、蔗糖)以外，其它整个实验步骤都在同等条件下进行，两支试管加入液体的量要相等，操作上保持了同步性，这样做的目的是什么？学生思考后很快答出：为了消除无关变量对实验结果的干扰和影响！也就是实验应当遵循的第三个原则“等量性原则”，无关变量在适宜条件和常态下保持等量。

三、教学体会

由对“实验讨论”的思考，顺手牵羊式地引入了“实验设计原则”的教学，这样的引入有如鬼斧神工、一气呵成的感觉：一是使本节课过渡自然巧妙、合情合理，抓住了实验设计教学的最佳时机，让课堂教学思路更加清晰；二是让学生站在更高的高度上认识了科学探究的思路和方法，增强了教学效果；三是体现了对科学探究思路和方法的教学重在逐步渗透的教学理念，化解了教学难点。