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摘 要：探究性实验设计重在培养学生的创新精神和实践能力，有利于学生综合素质的提高，有利于学生的终身发展，是研究性学习的一个重要方面。文章结合实例，分析生物高考中的探究性实验设计相关问题。
关键词：探究性实验 实验设计 常见题型 基本原则
探究性实验重在培养学生的创新精神和实践能力，有利于学生综合素质的提高，是研究性学习的一个重要方面。《全日制普遍高级中学生物学教学大纲》（实验修订版）的课程目标的第3条指出：学生通过高中生物的学习，“初步学会生物科学探究的一般方法，具有较强的生物学基本操作能力、收集和处理信息的能力、观察能力、思维能力和解决问题的能力”。在近几年的高考中，有关实验的设计、过程分析和结果预测等内容的考试题几乎是每年的必考题。
1.探究性实验设计的常见题型
1.1根据实验原理，确定实验步骤。
[例]请根据下述条件设计一个实验，鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，写出实验步骤并分析结果。
一瓶10%的蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液、250ml烧杯一只、半透膜制成的透析袋一只、刻度玻璃管1支、细线1根、支架1个。
（1）实验步骤：
（2）结果分析：
[解析]本题考查的是学生运用已有知识解决实际问题的能力。通过设计实验，考查学生运用知识解决问题能力及创新能力是当今高考命题的趋势之一。根据细胞渗透吸水（及失水）原理，就能设计科学正确方案，将两种浓度不同的溶液鉴别出来。
答案：实验步骤：（1）将一瓶中的溶液倒入烧杯中。（2）将另一瓶中的溶液装满透析袋，刻度玻璃管插入袋内溶液中，用线将袋口和玻璃管扎紧。（3）将插有刻度玻璃管的透析袋放入有溶液的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管液面刻度。（4）一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面是升还是降。结果分析：如液面升高，则透析袋中的溶液是30%的蔗糖溶液，烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液；反之，可推测透析袋中是10%的蔗糖溶液，烧杯中的溶液为30%的蔗糖溶液。
1.2根据实验原理，完善实验过程。
[例]为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么？写出你的实验设计思路。
（1）实验一：取生长状况一致的大豆苗，用符合实验要求的容器培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
（2）实验二：取生长状况一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
（3）实验三：取生长状况一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液。两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
（4）下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。
[解析]本题通过实验分析及实验设计，体现出课程新标准中“使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并对结果进行解释和分析”，着重考查学生科学思维能力。在题目给出的3个实验设计中：（1）因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需矿质元素，所以两组植物生长均不正常。（2）和（3）因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子，实验设计都存在缺陷。
答案：（1）不能。因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需的矿质元素而使两组植物生长均不正常。（2）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。（3）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。（4）取生长状况一致的大豆苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
1.3根据实验原理，分析实验结果。
[例]为验证pH对唾液淀粉酶活性的影响，实验如下：
（1）在1～5号试管中加入相应的缓冲液2ml。
（2）加完淀粉液后，向各试管中加入相应的缓冲液3.00ml，使各试管中反应液pH依次在5.00、6.20、6.80、7.40、8.00。
（3）分别向1～5号试管中加入0.5%唾液1ml，然后进行37℃恒温水浴。
（4）反应过程中，每隔1min从第3号试管中取出一滴反应液，滴在比色板上，加一滴碘液显色，待呈黄色时，立即取出5支试管，加碘液显色并比色，记录结果。
（5）结果如下：
请回答：
A.实验过程中为何要选择37℃恒温？
B.3号试管加碘液后出现橙黄色，说明什么？
C.如果反应速度过快，那么应当对唾液做如何调整？
D.该实验得出的结论是什么？
[解析]本题要求对“验证pH对唾液淀粉酶活性的影响”的实验现象、原理、结论等作出分析，考查酶的作用、酶的特性和影响酶催化作用的因素等实验原理和方法。学生需要知道遇碘变蓝是淀粉的特性，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温度和酸碱度的影响。在温度为37℃，pH=7的环境中，唾液淀粉酶的活性最强。温度过高或过低，都会使酶的催化能力降低，同样唾液淀粉酶在酸性或碱性环境中，都不能发挥催化能力。酶具有高效性，其催化能力除与这一特性有关外，还与酶的数量有关系，酶的量大，催化能力就大，酶的量少，催化能力就小。另外，酶还与专一性，唾液淀粉酶只能催化淀粉水解为麦芽糖，不能再水解麦芽糖为葡萄糖。
答案：A.在该实验中，只有在恒温的条件下，才能排除温度因素对结果的干扰。37℃是唾液淀粉酶起催化作用的适宜温度。B.淀粉已完全水解为麦芽糖。C.提高淀粉的稀释倍数。D.唾液淀粉酶的最适pH是6.8，高于或低于此pH时酶活性逐渐降低。
2.探究性实验设计的基本原则
2.1科学性原则
科学研究活动是科学严谨、实事求是的活动。实验设计时必须有充分的科学依据，否则所做的实验和所得到的结果都失去了依托。所以实验选题、实验过程和实验结果的处理都要符合科学的概念，不能凭空设想。
2.2可行性原则
探究性实验的选题要具有可操作性。首先探究的课题范围要小，实验过程不宜十分复杂。其次要能选择一个适当的突破口，小中见大，小而不浅。这样才符合中学生特定的年龄结构、知识特点和能力特点的要求。再次是实验选题要符合实际情况：如设备条件是否满足；材料有无来源；学生有没有足够的时间和精力。总之，选题要做到因时、因人、因地制宜。
2.3严谨性原则
要使探究性实验的设计完整、无漏洞，必须注意严谨性。这一原则在实验的操作过程中尤为重要。如在某些探究性实验中要设计对照实验，这样便于实验前后进行对比或组间对比，以便得出明确的结论。常用的对照方法主要有以下几种：①空白对照：不给对照组以任何处理因素。②条件对照：虽然给对照组施以部分实验因素，但不是所要研究的处理因素。③自身对照：对照和实验都在同一研究对象上进行。④相互对照：不单设对照组，而是几个试验组相互对照。此外，在实验中要注意“变量”的控制，一般只确认一个变量（也称实验因子），而其他实验条件保持前后一致。例如在“探究温度对酶活性的影响”的实验中，这里的温度条件即为变量，其余的如pH、物质的量等实验条件必须保持高度一致。
2.4可重复性原则
重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则。实验设计中必须注意实验的可重复性，只有足够的实验次数才能更准确地判断实验结果的可靠性。
本文系江蘇省中小学实验教学研究第二期立项课题《高中理化生新教材中创新实验的设计与应用研究》成果之一。
关键词：探究性实验 实验设计 常见题型 基本原则
探究性实验重在培养学生的创新精神和实践能力，有利于学生综合素质的提高，是研究性学习的一个重要方面。《全日制普遍高级中学生物学教学大纲》（实验修订版）的课程目标的第3条指出：学生通过高中生物的学习，“初步学会生物科学探究的一般方法，具有较强的生物学基本操作能力、收集和处理信息的能力、观察能力、思维能力和解决问题的能力”。在近几年的高考中，有关实验的设计、过程分析和结果预测等内容的考试题几乎是每年的必考题。
1.探究性实验设计的常见题型
1.1根据实验原理，确定实验步骤。
[例]请根据下述条件设计一个实验，鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，写出实验步骤并分析结果。
一瓶10%的蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液、250ml烧杯一只、半透膜制成的透析袋一只、刻度玻璃管1支、细线1根、支架1个。
（1）实验步骤：
（2）结果分析：
[解析]本题考查的是学生运用已有知识解决实际问题的能力。通过设计实验，考查学生运用知识解决问题能力及创新能力是当今高考命题的趋势之一。根据细胞渗透吸水（及失水）原理，就能设计科学正确方案，将两种浓度不同的溶液鉴别出来。
答案：实验步骤：（1）将一瓶中的溶液倒入烧杯中。（2）将另一瓶中的溶液装满透析袋，刻度玻璃管插入袋内溶液中，用线将袋口和玻璃管扎紧。（3）将插有刻度玻璃管的透析袋放入有溶液的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管液面刻度。（4）一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面是升还是降。结果分析：如液面升高，则透析袋中的溶液是30%的蔗糖溶液，烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液；反之，可推测透析袋中是10%的蔗糖溶液，烧杯中的溶液为30%的蔗糖溶液。
1.2根据实验原理，完善实验过程。
[例]为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么？写出你的实验设计思路。
（1）实验一：取生长状况一致的大豆苗，用符合实验要求的容器培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
（2）实验二：取生长状况一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
（3）实验三：取生长状况一致的大豆苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液。两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
（4）下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。
[解析]本题通过实验分析及实验设计，体现出课程新标准中“使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并对结果进行解释和分析”，着重考查学生科学思维能力。在题目给出的3个实验设计中：（1）因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需矿质元素，所以两组植物生长均不正常。（2）和（3）因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子，实验设计都存在缺陷。
答案：（1）不能。因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需的矿质元素而使两组植物生长均不正常。（2）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。（3）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。（4）取生长状况一致的大豆苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
1.3根据实验原理，分析实验结果。
[例]为验证pH对唾液淀粉酶活性的影响，实验如下：
（1）在1～5号试管中加入相应的缓冲液2ml。
（2）加完淀粉液后，向各试管中加入相应的缓冲液3.00ml，使各试管中反应液pH依次在5.00、6.20、6.80、7.40、8.00。
（3）分别向1～5号试管中加入0.5%唾液1ml，然后进行37℃恒温水浴。
（4）反应过程中，每隔1min从第3号试管中取出一滴反应液，滴在比色板上，加一滴碘液显色，待呈黄色时，立即取出5支试管，加碘液显色并比色，记录结果。
（5）结果如下：
请回答：
A.实验过程中为何要选择37℃恒温？
B.3号试管加碘液后出现橙黄色，说明什么？
C.如果反应速度过快，那么应当对唾液做如何调整？
D.该实验得出的结论是什么？
[解析]本题要求对“验证pH对唾液淀粉酶活性的影响”的实验现象、原理、结论等作出分析，考查酶的作用、酶的特性和影响酶催化作用的因素等实验原理和方法。学生需要知道遇碘变蓝是淀粉的特性，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温度和酸碱度的影响。在温度为37℃，pH=7的环境中，唾液淀粉酶的活性最强。温度过高或过低，都会使酶的催化能力降低，同样唾液淀粉酶在酸性或碱性环境中，都不能发挥催化能力。酶具有高效性，其催化能力除与这一特性有关外，还与酶的数量有关系，酶的量大，催化能力就大，酶的量少，催化能力就小。另外，酶还与专一性，唾液淀粉酶只能催化淀粉水解为麦芽糖，不能再水解麦芽糖为葡萄糖。
答案：A.在该实验中，只有在恒温的条件下，才能排除温度因素对结果的干扰。37℃是唾液淀粉酶起催化作用的适宜温度。B.淀粉已完全水解为麦芽糖。C.提高淀粉的稀释倍数。D.唾液淀粉酶的最适pH是6.8，高于或低于此pH时酶活性逐渐降低。
2.探究性实验设计的基本原则
2.1科学性原则
科学研究活动是科学严谨、实事求是的活动。实验设计时必须有充分的科学依据，否则所做的实验和所得到的结果都失去了依托。所以实验选题、实验过程和实验结果的处理都要符合科学的概念，不能凭空设想。
2.2可行性原则
探究性实验的选题要具有可操作性。首先探究的课题范围要小，实验过程不宜十分复杂。其次要能选择一个适当的突破口，小中见大，小而不浅。这样才符合中学生特定的年龄结构、知识特点和能力特点的要求。再次是实验选题要符合实际情况：如设备条件是否满足；材料有无来源；学生有没有足够的时间和精力。总之，选题要做到因时、因人、因地制宜。
2.3严谨性原则
要使探究性实验的设计完整、无漏洞，必须注意严谨性。这一原则在实验的操作过程中尤为重要。如在某些探究性实验中要设计对照实验，这样便于实验前后进行对比或组间对比，以便得出明确的结论。常用的对照方法主要有以下几种：①空白对照：不给对照组以任何处理因素。②条件对照：虽然给对照组施以部分实验因素，但不是所要研究的处理因素。③自身对照：对照和实验都在同一研究对象上进行。④相互对照：不单设对照组，而是几个试验组相互对照。此外，在实验中要注意“变量”的控制，一般只确认一个变量（也称实验因子），而其他实验条件保持前后一致。例如在“探究温度对酶活性的影响”的实验中，这里的温度条件即为变量，其余的如pH、物质的量等实验条件必须保持高度一致。
2.4可重复性原则
重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则。实验设计中必须注意实验的可重复性，只有足够的实验次数才能更准确地判断实验结果的可靠性。
本文系江蘇省中小学实验教学研究第二期立项课题《高中理化生新教材中创新实验的设计与应用研究》成果之一。