例谈高中生物学中的“实验目的”

严开银

(1.浙江省建德市寿昌中学 2.浙江师范大学教师学院)

生物学是实验科学,许多规律、结论都是通过实验得出,因此生物学的学习离不开实验。浙科版普通高中生物学教科书必修1“致同学们”中将实验定义为“人为地改变某些条件来考察生命现象的变化,以探究生命现象内在的因果关系,认识生命活动的内在规律的方法”。简单地说,在生物学中,实验是一种探究生命活动的方法。实验既是生物学形成和发展的基础,也是学生获取生物学知识和习得能力的重要手段,还是学业质量水平考查的内容和方式。在生物学学业水平考试和等级性考试中,与实验相关的考查内容通常高于30%,考查内容涉及实验目的、原理、思路或步骤、结果及结论等方面。学生在解答实验类问题时,往往出现偏题、跑题等答非所问的现象,究其原因主要为实验目的不清晰。

一、实验目的在实验中的价值

实验目的是实验内容的重要组成部分,是实验活动的目标和指南,实验方案设计等通常围绕着实验目的进行。下面主要从实验目的对实验材料、实验方向与实验预期及结论三个方面的影响来阐述。

1.实验目的决定实验材料的选择

实验成功与否,离不开合适的实验材料。实验材料的选择需要考虑多种因素,但实验目的决定了实验材料需具备的基本条件。例如,在“检测生物组织中的糖类”实验的中“检测还原糖”实验,选择了梨和白萝卜作为实验材料而未选用甘蔗汁,其原因为实验目的“检测还原糖”要求实验材料中含有还原糖,而甘蔗中的糖主要为蔗糖(非还原糖),通常不用甘蔗汁作为实验材料。基于实验目的又问为什么不选用葡萄这样富含葡萄糖的水果作为实验材料?其原因为多数葡萄为有色葡萄,而还原糖鉴定是通过使用本尼迪特试剂水浴加热下产生红黄色沉淀进行鉴定,有色水果本身的颜色会对实验结果造成干扰。所以,用于检测还原糖的实验材料应为无色但富含还原糖的水果或蔬菜。

再例如,在探究温度对酶活性的影响实验中,为什么不使用过氧化氢酶作为实验材料?因过氧化氢酶的底物为过氧化氢,受热易分解,温度除对酶产生影响外,对过氧化氢本身也有影响,所以不使用过氧化氢酶作为实验材料。

“噬菌体侵染细菌实验”证明了DNA是遗传物质,该实验成功的关键原因是T2噬菌体的成分简单,仅由DNA和蛋白质组成,且增殖时间短,适于通过观察生殖过程中DNA或蛋白质的变化来研究“谁是遗传物质”。

2.实验目的决定实验方向

实验目的也就是待解决的研究问题,决定了实验研究方向。如在“植物的矿质代谢”中,实验目的为“验证某种矿质元素是否为植物的必需矿质元素”时,就要使用实验的减法原理进行自变量设计。从逻辑学原理看,如果A可以推出B,就称A是B的充分条件;同时,非A推出非B则称A是B的必要条件。因此,为证明“某种矿质元素是植物正常生长的必要条件”,实验设计采用反证法。具体实验设计为“以缺乏某元素的完全营养液一组为实验组,而以完全营养液一组为对照组”。

在“证明唾液淀粉酶具有专一性”实验中,则需要在蔗糖溶液和淀粉溶液均加入等量且适量的淀粉酶溶液,以此证明唾液淀粉酶对淀粉有催化作用,对蔗糖没有催化作用。在这里使用A是B的充分条件,实验变量设计采用加法原理。

再如:在“艾弗里证明DNA是遗传物质”实验中,既通过提纯的S型菌DNA、蛋白质、荚膜多糖分别与R型菌混合培养,只有S型菌DNA混合培养组获得S型菌,直接证明“DNA是细菌转化的充分条件”;也通过S型菌DNA中添加DNA酶后与R型菌混合培养不能获得S型菌,反证“DNA是R型菌转化为S型菌的必要条件”,即没有DNA时不能发生转化,该实验依据实验目的,同时运用了实验变量设计的“加法原理”和“减法原理”,证明了DNA是细菌转化的充分必要条件。从以上实验可知,当实验目的为探求结果时,使用实验的加法原理设计实验;当实验目的为追踪溯源时,使用实验的减法原理设计实验。

3.实验目的指明实验预期及结论

实验结论是对研究问题的回答,直接具体地反映出实验目的。例如“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中,实验目的是解答酵母菌细胞呼吸的方式是什么。实验在有氧与无氧条件下,通过对细胞呼吸产物的鉴定,进而证明酵母菌存在两种不同的细胞呼吸方式。但多数教师和学生误将该实验结论总结为“酒精是酵母菌进行厌氧呼吸的产物” “需氧呼吸不产生酒精” “需氧呼吸比厌氧呼吸产生的CO2多”等,这样的结论并未对研究问题作出回答,没有真正回应实验目的。结合实验结果并参照实验目的得出的实验结论应为“酵母菌的细胞呼吸方式有需氧呼吸与厌氧呼吸两种,其厌氧呼吸产生二氧化碳和酒精”。

同时,由于探究性实验和验证性实验中目的含义不一样,所以两类实验的预期结果也存在差异。具体说来,验证性实验的结果和结论是确定的,依据自变量与因变量的关系,可用逆推法(由结论推出相应的结果),得出唯一的结果与结论;但在探究性实验中,实验结果有多种可能,因而结论是不确定的,在探究性实验中一般先将自变量与因变量所对应的多种可能关系全部考虑,再用逆推法推理出各种可能对应的结果,因此结果与结论不唯一。例如“验证某种子发芽过程中能进行产酒精的厌氧呼吸”实验只需要设计如图装置,并出现实验结果“装置一着色液滴不动,装置二着色液滴右移”即能证明。而“探究某种子发芽可进行的呼吸方式”实验,利用如图装置进行探究,则可能出现表1中展示的多种实验结果,进而得出不同结论。

表1 探究某种子发芽时细胞呼吸方式结果及结论记录表

装置一

装置二图 验证或探究某种子发芽时细胞呼吸装置

二、实验目的的概念辨析

实验是一种科学研究方法,也是解决或解答某一具体问题而进行的探究或验证过程。因此,实验目的要回答“要探究或验证的某一事实”或“做了某实验后,要解决什么问题”。笼统来看,实验目的可分为两类,一类是验证已有的结论,另一类是通过合理的实验设计及实施,证实假设合理并得出相应结论。依据以上两类实验目可将实验分为两类,即验证性实验与探究性实验。在具体实验中,通常是研究一种因素改变对另一种因素的影响,所以实验目的书写与表达通常为“探究(或验证)自变量对(研究对象)因变量的影响”,其中包含了实验的类型、研究对象、因变量和自变量。

从实验目的定义看,实验目的中包含了实验研究的问题和假设。例如“探究影响酶催化功能的因素——pH对过氧化氢酶的影响”,实验目的“探究pH对过氧化氢”中隐含了实验研究问题“过氧化氢酶的最适pH是多少”以及实验假设“不同pH下酶的活性不同”。从中可以看出实验目的连接着实验研究问题,直接反映出实验假设,为实验设计指明方向,为实验结论提供参考标准。因此,实验目的与实验研究问题、研究假设不同,但又相互关联。

同时,还要注意实验目的不同于实验教学目的。实验目的是基于解决具体科学问题,而实验教学目的是基于学生学习或发展需求。“实验教学目的”是在实验目的完成的基础上,再附加上学生需要发展的核心素养。例如“细胞通过分裂增殖”一节中,活动“制作和观察根尖细胞有丝分裂临时装片,或观察其永久装片”中,“目的要求”为制备植物根尖的临时装片和观察根尖分生区中有丝分裂不同时期的细胞。该活动的“目的要求”其实质是“实验教学目的”,是指在实验目的“验证植物根尖分生区细胞进行有丝分裂”基础上,附加“制备根尖临时装片” “观察临时装片”等科学探究素养提升的教学目的。因此,“实验目的”与“实验教学目的”之间既有联系又有区别。教师在实验教学时需注意区分“实验目的”与“实验教学目的”,避免教学迷失方向。

三、实验目的的教学方法

实验目的如此重要,但在具体实验类试题中,题干信息并不直接将实验目的呈现出来,通常需要学生思考后才能发现问题背后的实验目的,作为教师可通过引导学生在“读”实验、“做”实验、“练”实验、“设”实验中养成重视实验目的意识,进而提升实验探究能力。

1.学科学史,“读”实验目的

“读”实验,指教师引导学生解读教材中各种科学史过程,选择其中具体科学探究过程并分析实验目的、原理、方法、过程、结果及结论。《课程标准》中强调大概念教学,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学有关事实和现象的基础上。因此,在生物学教材中既明确展示了大量的实验活动要求和生物学科学史实验,同时还有隐含在知识结论、旁栏资料及课后练习中的隐性实验。在科学史中有相当丰富的实验探究历程,这些内容为实验目的的教学提供了很好的材料,作为教师应该善于使用这些科学史素材进行实验目的教学。例如:在学习光合作用的发现历程中,涉及“1648—1653年比利时医生海尔蒙特柳苗栽培实验” “1771年英国化学家普利斯特利实验” “1779年英格豪斯实验” “1864年德国科学家萨克斯” “1880年德国科学家恩吉尔曼实验” “20世纪40年代美国科学家鲁宾和卡门实验”等。在展示以上实验过程和结果后,可引导学生分析自变量、因变量、因变量检测指标,并结合实验结果推出实验结论后,理解实验目的与实验材料选择、方向和结论的关系。同理,在酶、遗传物质、生长素等物质的发现历程的科学史中,也存在着上述教学问题链,同样可以用于实验目的的教学。

2.在活动中,“做”实验目的

“做”实验,指在理解实验目的的基础上,动手进行具体的实验操作,熟悉实验仪器、相关试剂的作用及相关操作步骤,进行实验方法和技能的运用。但在具体的学生实验教学中,多数“学生实验”并没有充分达成实验目的。站在学生角度分析原因时可以看到,学生对生物学实验充满兴趣,做起实验也非常积极,但往往缺少目的性。例如:“模拟孟德尔杂交实验”中,其实验教学目的是“通过模拟实验,认识和理解等位基因分离和配子随机结合与性状间的数量关系”。但在该模拟实验操作中,常常仅关注子代基因型及性状表现,却忽略了实验目的——对等位基因分离的研究,即关注雌雄个体各自产生的配子种类及比例。因此,教师在实验教学中应注意三点:一是在实验前,注意到实验用品准备和实验步骤设计的同时,应对实验目的进行问题设计;二是在实验中,注重实验操作细节要求的同时,应注意实验目的对具体实验操作的指导作用;三是在实验后,强调实验结果、器材整理的同时,应对照实验目的得出实验结论并进行讨论。在具体实验教学中,可以在实验前用5～8分钟进行讨论,明确实验目的、设计和理解操作过程;实验中用25～30分钟进行实验操作;实验后用3～5分钟围绕实验目的进行总结。最终,通过具体实验操作,引导学生理解实验目的在实验中的核心位置。

3.改编练习,“练”实验目的

“练”实验,是指在平时的生物学学习中,适时精选实验类习题进行改编或重组并用于练习,以加深对实验基础知识的理解和掌握。通过实验类练习创造情境,指导学生进行材料选择、仪器运用和实验方案设计等,达到提升生物学核心素养的目的,实现知识和能力的迁移。在“练”实验中,包括实验目的类问题的改编练习,即在改编练习中发掘问题用于实验目的教学,为学习生物学打下坚实基础。

例(2021年1月,浙江选考卷,第30题改编):1897年德国科学家毕希纳发现,利用无细胞的酵母汁可以进行乙醇发酵;还有研究发现,乙醇发酵的酶发挥催化作用需要小分子和离子辅助。某研究小组为验证上述结论,利用下列材料和试剂进行了实验。

材料和试剂:酵母菌、酵母汁、A溶液(含有酵母汁中的各类生物大分子)、B溶液(含有酵母汁中的各类小分子和离子)、葡萄糖溶液、无菌水。

实验共分6组,其实验处理和结果如表2。

表2

回答下列问题:

(1)该实验的目的是什么?(验证小分子和离子辅助对乙醇发酵的酶催化作用发挥的影响或验证乙醇发酵的酶发挥催化作用需要小分子和离子辅助)

(2)表中第①、②组实验进行对照的实验目的是什么?(证明酵母菌能利用葡萄糖溶液进行乙醇发酵)

(3)表中第①、②、⑤组实验进行对照的实验目的是什么?(证明无细胞酵母汁能利用葡萄糖溶液进行乙醇发酵)

(4)表中第①、②、③、④、⑤、⑥组实验进行对照的实验目的是什么?(证明完整的酵母汁才能利用葡萄糖溶液进行乙醇发酵)

(5)若表中再增加一组实验⑦“葡萄糖溶液+A溶液+去除了离子M的B溶液”,且该实验“无乙醇生成”,请问实验⑦与其他实验进行对照的实验目的是什么?(证明B溶液中离子M是乙醇发酵的必需条件)

4.联系生活,“设”实验目的

“设”实验,是指在“读” “做” “练”的基础上,引导学生对现实生活中的生命活动现象进行分析,设计(或假设)其中的实验目的、原理、步骤、预期结果和结论,并讨论交流设计实验过程中存在的问题及解决的方法。例如:生活中为了催熟柿子等水果,人们往往会在柿子中放入熟透的香蕉或苹果并密封。若将该操作视为一个实验,则这个实验的目的是什么?多数同学会回答“证明乙烯具有催熟水果的作用”。但在思考后学生就会发现缺少对照实验。在加设一组未成熟香蕉的对照实验之后,又可以提出新问题,通过有无香蕉的对照实验能够达成“证明乙烯具有催熟水果的作用”的实验目的吗?学生经思考后又会发现,该实验只能证明“熟透的香蕉对未成熟的水果有催熟效果或作用”。但该实验中水果含有多种物质,并不能证明乙烯作为单一变量起到了催熟水果的作用。借此,学生学会在明确实验目的基础上重新设计实验,提升科学思维水平。

实验是生物学教学的重点和难点,明确实验目的,向上可以追问实验研究问题和假设,从而明确实验方向;向下可以指导实验原理运用、实验方案设计,明确实验预期与结论。总之,实验目的是实验设计、实验分析、实验评价的基础,在高中生物学课程中应充分重视。