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考试研究

谈谈基于“探究和验证”活动的基本概念及问题作答

来源:新高考·高三理化生 2011年8期 发布时间:2011-10-13 浏览次数: 【字体:

   “探究和验证”是高中生物科教学的重要内容,是发展学生的生物学能力,特别是实验能力的重要举措,也是高考中命制设计实验类试题的重要知识和理论依据。基于“探究和验证”活动的设计实验类试题是高考中综合考查学生生物学知识和技能的重要题型之一,这类试题不仅相对难度大、得分率低,而且考查的层面多,对学生的答题技能要求较高。下面就基于“探究和验证”活动的基本概念及相关的设计实验类试题的“答题策略”二个层面谈一些认识和做法。
  一、 基于“探究和验证活动”的基本概念
  “探究和验证”是一种以实验为核心的实践活动。从知识的角度上讲,此类实践活动蕴藏着许多重要的概念与原则,这些概念和原则(注:本文对“设计实验的原则”不作阐述)是科学地“设计实验”、保证有效地“进行实验”,直至得出科学的“结论”的理论基础。因此,提升自己的实验能力,动手做实验、动脑记知识二个层面都不容忽视,都同等重要。“探究和验证”活动中的基本概念通常有以下几个。
  1. 探究和验证
  “探究”是针对某一现象、问题及未知结果和结论而进行的科学实践活动。针对不同条件的探究活动,其结果和结论可能是多维的、也可能是唯一的,探究的目的是为了获取新知、解决疑惑、训练实验能力。
  “验证”是指通过科学实践活动对已知结果和结论的再检验。验证活动的结果和结论都是单一的,其目的是为了确认和巩固已知、训练实验能力。
  可见,“探究与验证”还是有着明显的差别的,其核心是设计实验和进行实验。
  所谓设计实验,简言之就是指研究者针对“探究与验证”活动所提出的问题,依据一定的原理选择材料和用具,设计实验方案并预期实验结果的过程。因此,可以说“设计实验”仅仅是“探究(或验证)”的一个环节。如以探究性活动为例,其流程通常包括以下几个环节:提出问题→作出假设→设计实验(包括作出预期)→进行实验→分析结果→得出结论和应用→表达与交流→进一步探究。
  因此,学生要提升“探究和验证”的能力,正确解答有关“探究性和验证性”设计实验方面的试题,首先就必须要掌握“探究与验证”这两个概念,并且理清它们与“设计实验”的关系,不能将其混为一谈。
  2. 变量
  实验过程中可以变化的因素称为变量。变量的类型有多种,具体包括以下2种。
  (1) 自变量与因变量。
  自变量:实验过程中人为改变的变量,其也称实验变量;
  因变量:随着自变量的变化而变化的变量,其也称反应变量。
  (2) 无关变量与额外变量。
  无关变量:实验过程中存在的对实验结果可能造成影响的变量(即自变量以外的影响实验结果或现象的变量),也称控制变量。
  额外变量:实验过程中由无关变量引起的实验变化或结果,又称干扰变量。
  3. 对照实验与对比实验
  (1) 对照实验。除一个因素之外,其余因素都保持不变的实验,称对照实验。对照实验通常包括一组实验组合,即:实验组和对照组(注:实验组和对照组有时可以不止一个)。
  ① 实验组:接受自变量控制的对象组。
  ② 对照组:不接受自变量控制的对象组。
  对照组和实验组要依据所研究的问题和做出的假设来决定,有时候研究的问题和作出的假设改变了,对照组和实验组可能会发生对换。对照组与实验组的界定,除了特殊说明,一般判别是依据上述概念进行界定。
  (2) 对比实验。设置两个或两个以上的实验组,通过对实验结果的分析来探究某种因素与实验对象的关系,这种实验称对比实验。对比实验的每个组都是实验组,组与组之间是并列关系,不是一个为实验组、另一个为对照组。
  (3) “对照实验与对比实验”关系。
  从形式来看,对比实验是一种特殊情况下的对照实验,属于对照实验的实验组内部的对比,二者间关系存在着相互对照关系。从结果来看,对比实验的两个(或多个)实验组的结果都是事先未知的,它不同于对照实验的地方在于:对照实验中的某一组实验结果可以是先知的。
  例如,在实验“比较过氧化氢在不同条件下的分解”中,1号试管是在常温下只加入过氧化氢溶液,2号试管是加入了过氧化氢溶液并在90 ℃水浴中加热,3号试管是在过氧化氢溶液中加入FeCl3溶液,4号试管是在过氧化氢溶液中加入肝脏研磨液。那么,1号与2号、1号与3号、1号与4号是三组对照实验,其中1号是对照组,2号、3号、4号是实验组(注:1号与3号、1号与4号作为对照实验时,1号中应加入与FeCl3溶液或肝脏研磨液等量的蒸馏水);3号与4号间是对比实验。
  二、 解答基于“探究和验证”活动的相关问题的基本策略
  基于“探究和验证”活动的设计实验类试题通常不仅仅是考查学生的设计实验方案能力,多数情况下还考查“探究或验证”活动中蕴含的各种基础知识及其迁移能力。因此,此类试题设置的问题就显得宽泛而不失灵活,掌握一定的策略对解答此类题就显得尤为重要。
  1. 试题的设问角度与解答要求
  (1) 试题的设问角度。
  通常要求回答的问题有:假设和设计实验的预期是什么?实验的目的、原理是什么?给实验起个名称,选择什么材料和用具?实验步骤有哪些?结果和结论是什么?实现成功或失败的原因是什么?实验有哪些错误?如何纠正?……
  (2) 解答问题的要求。
  通常有组织语言表述、建构坐标图(或其他统计图)、建构统计表等。
  2. 不同类型问题解答的基本策略
  (1) 解答“实验目的、实验原理”的策略。
  确立实验目的是正确选择实验原理的前提和依据,没有实验目的的确立实验原理也就失去了依据。
  任何“实验目的”都可通过相关的动词体现,常表现在两个层面:一是通过实验的“观察”或“操作”等了解、理解、掌握生物学的相关知识或探究、验证×××特性、现象等;二是通过实验,“初步学会”或“学会”或“掌握”或“培养”相关的生物学技能和某种能力。因此,解答“实验目的是什么?”这一问题时,一定要从上述两个角度作答。
  关于“实验原理是什么”的作答,一定要紧扣“实验目的和所设计的实验”,用一句话或一段话,分层次的作答,并要保证阐述的完整性(有的实验需用到多个原理,则更应注意这一点,如叶绿体色素的提取与分离实验就涉及提取与分离两个原理)。
  例1 某同学用含不同种类酶制剂的洗衣粉进行了如下实验。
  请回答以下问题:
  (1) 该实验的目的是探究 ;
  原理是 ;
  (2) 该实验中 、 分别构成两组对照实验。
  (3) 该同学在实验过程中可通过观察
  来判断实验条件下酶的催化效率。
  解析 本题通过实验考查了学生的分析问题和组织语言答题的能力。从题干可看出,变量是酶的种类,所以实验目的是通过实验“探究酶的专一性”,依据的实验原理是酶可催化物质的水解。该实验是一组对比实验,三个实验全是实验组,A与B、A与C可构成对照实验。实验过程中可通过观察单位时间污染物的消失的面积或污染物消失的时间来判断酶的催化效率。
  答案 (1) 酶催化作用具有专一性
  蛋白酶能够催化蛋白质分解(2) A与B A与C(3) 蛋白膜消失时间的长短
  (2) “实验命名”的策略。
  对于命名,通常用一句话或短语的形式表述,如探究(或验证)性实验一般可采用“探究(验证)……”或“……的探究(验证)”的格式,调查类实验一般用“调查……”或“……的调查研究”的格式,如:探究酵母菌呼吸作用的方式。
  (3)“选择器材”的策略。
  ① 选择仪器要遵循易操作、非易损的原则;
  ② 选择实验材料要遵循易得且经济、利于实验现象和结果的获得、无毒无污染的原则。如做“探究植物细胞的吸水和失水”实验设计时,就应选择紫色洋葱而非白色洋葱、选择蔗糖溶液而非其他有对细胞有害的其他溶液。
  (4) “实验步骤”确立的策略。
  任何设计实验,不论细化的的步骤有多少,从宏观的层面上看常都可压缩为三(或四)步:
  第一步:分组及编号,设置对照组和实验组;
  第二步:同等条件下处理、培养、操作等;
  第三步:观察和统计结果;
  第四步:重复前面步骤(此步骤并非所有实验都需要,当需要进行此步骤时,一定不能少)。
  (5) “结果和结论”的作答策略。
  二者应分开作答,不能混为一谈。因为“结果”是对实验现象的直接描述或统计,作答时应如实客观;而“结论”是结果的理论化提炼,作答时则应注意语言的归纳和提炼。
  例2 甘薯和马铃薯都富含淀粉,但甘薯吃起来比马铃薯甜。为探究其原因,某兴趣小组以甘薯和马铃薯块茎为材料,在不同温度、其他条件相同的情况下处理适宜时间后,测定还原糖含量。结果表明实验条件下马铃薯都不含还原糖,其中测得的甘薯的还原糖含量如下表:
  (1) 为了探究马铃薯不含还原糖的原因,某同学在相对最适温度下又进行了实验,请回答下列问题:
  实验假设:马铃薯不含还原糖的原因是马铃薯的细胞中不含淀粉酶
  实验原理:① ;
  ② 。
  材料用具:甘薯提取液(已去除淀粉和还原糖),马铃薯提取液(已去除淀粉),斐林试剂,质量分数为3%的淀粉溶液、试管等。
  (2) 实验步骤:
  第一步:取A、B两支试管,分别加入适量等量的甘薯提取液和马铃薯提取液,振荡,在 ℃水浴保温5 min后;
  ……
  (3) 可能的结果及相应结论:
  结果: ,
  结论 。
  解析 本题以代谢和物质鉴定知识为背景考查了学生的设计实验、分析解决问题的能力。从表中数据可知:在实验所用的温度中,70℃是淀粉酶作用的较适温度;实验原理有两个,即:①淀粉酶水解淀粉产生还原糖,②还原糖与斐林试剂反应,产生砖红色沉淀;实验步骤的确定以及结果和结论的得出均需依据此二个原理;确定实验步骤时确定三步。
  答案 (1) ①淀粉酶水解淀粉产生还原糖 ②还原糖与斐林试剂反应,产生砖红色沉淀
  (2) 第一步:70
  第二步:在A、B两支试管中各加入适量等量的淀粉,振荡,并在70℃水浴保温5 min后;
  第三步:冷却至一定温度后,在A、B两支试管中再各加入适量等量的斐林试剂,并在适宜温度下水浴加热1~2 min,观察两试管的颜色。
  (3) 结果:A管出现砖红色沉淀,B管不出现砖红色沉淀。结论:说明马铃薯不含还原糖的原因是马铃薯的细胞中不含淀粉酶。
  (6) 分析“探究和验证”活动的程序是否正确的策略。
  “探究或验证”活动的程序相对较多,但在相关的试题中,“程序的错误或欠妥”与否,通常从以下几个方面分析。
  首先,看“提出的问题”是否值得或符合“探究或验证”的目的要求,以及是否可行,否则需改正。
  如就“探究植物细胞的吸水和失水”活动,一位同学提出:“植物细胞会出现失水的情况吗?”另一位同学提出:“植物细胞在什么情况下会失水?”通过分析可知,显然后者更有探究的价值。
  其次,看“假设和预期”。即看“假设”是否是针对所提出的问题的,“实验预期”是否是针对所作出的假设的,是则对,否则错,需改正。
  第三,看“设计实验”时“实验仪器和材料”的选择是否能为实验的进行提供保证,是否符合选用“实验仪器和材料”的基本要求,否则需改正。
  第四,看“设计实验”的“步骤”,这需要从以下几点来审视:
  ① 是否遵循了实验的相关原则,在“实验步骤”这一环节,最常体现三或四个原则——对照原则、单一变量原则、等量原则、平行重复原则。如果缺少了这几个原则,则难以消除无关变量对实验的干扰,实验结果和结论就缺乏可靠性;
  ② “实验步骤”的顺序是否科学,顺序的正误在很多时候都直接影响着实验的结果和结论;
  ③ “实验步骤”是否完整,欠完整的“实验步骤”难以保证实验结果和结论的正确获得;
  ④ 每个“实验步骤”的操作是否规范、准确,否则也会造成实验结果的误差或失败。
  当然,在分析上述“第三和第四”点时,通常都隐含地融入了对“简便性原则”的考虑,此原则的基本内容是指设计实验时,要遵循实验材料容易获得,实验装置比较简单,实验药品比较便宜,实验操作比较简单,实验步骤较少,实验时间较短等。简便性原则是确定实验能否做的重要原则之一。
  例3 有人对“促进植物开花是否与生长素萘乙酸(NAA)有关”这一问题进行了实验研究,过程如下:
  方法:取水仙球茎24个分成两组。
  操作见下表:
  实验结果:实验组除个别瓶污染外,其余均在一周时破苞开花,而对照组则比实验组晚开花一个半月。请回答问题:
  (1) 本实验可得到的结论是什么?
  (2) 本实验是否有不妥之处?若有,请指出不妥之处。再设计出一套合理的实验方案。
  解析 本实验突出地考查了学生的分析解决问题的能力以及组织语言能力。实验组花苞用NAA处理,一般在一周时开花,而对照组花苞未用NAA处理,结果比实验组花苞开花晚一个半月,此现象说明生长素NAA的确能促进植物开花。从实验的的操作上可见本实验违反了实验设计的“单因子变量原则”、“等量原则”,因而,实验的结果对结论而言不具有说服力。
  答案 (1) 生长素NAA能促进植物开花。(2) 本实验存在诸多不妥之处:① 本实验在分组时应将24个球茎随机均分成两组,而不是对照组6个,实验组18个;② 实验组“从鳞茎内取出的花苞放在培养基上能提前开花,鳞茎内花苞开花晚可能是鳞茎内有抑制花苞发育的物质存在”。因此对照组的水仙球茎也应剥去鳞茎或保留实验组的鳞茎。③ 实验组种于MS培养基中,而对照组自然生长,开花早晚也可能与培养基有关。因此实验组和对照组都应种于MS培养基或都让其自然生长。
  重新构建的实验方案:① 取生长发育状况相同的水仙球茎24个,随机均分成两组。② 将水仙球茎消毒后种于MS培养基中,每瓶种一个。③ 实验组中加适量的0.1 mg/L的NAA,对照组不加NAA,然后放在相同温暖的地方培养,定期观察统计两组水仙球茎的生长发育状况。
  (7) 分析“实验成败原因”的策略。
  要从主客观两面入手。客观方面如实验器材、自然环境等;主观方面如操作规范与否、记录是否有误差等。
  【巩固练习】
  1.为验证甲状腺激素具有促进个体发育的功能,某实验小组的同学将一正常幼年家兔的甲状腺摘除并缝合后进行观察。请问,如何设立对照组
  ()
  A. 用一成年的家兔做相同的实验
  B. 用一相似的幼年家兔在相同的环境中观察
  C. 用一相似的幼年家兔在颈部切开伤口后缝合,在相同的环境中观察
  D. 用另一相似的幼年家兔做相同实验,外源补充甲状腺激素并在相同的环境中观察
  2. 为验证光是植物生长发育的必要条件,设计如下实验:选择生长状况一致的小麦幼苗200株,随机均分为实验组和对照组,分别处理并预期结果。下面是关于实验组或对照组的处理方法和预期结果的几种组合,其中正确的是()
  ① 实验组② 对照组③ 黑暗中培养④ 在光下培养⑤ 生长育好⑥ 生长不良
  A. ②③⑤ B. ①③⑥
  C. ①④⑤ D. ②④⑥
  3. 为验证生长素对果实发育的影响,将黄瓜雌花在开花前套袋,平均分为1号、2号两组后作如下处理:① 号开花后在雌蕊的柱头上涂上一定浓度的生长素,再套袋;② 号开花后人工授粉。此设计的缺陷是()
  A. 2号花未涂一定浓度的生长素
  B. 1号未进行人工授粉
  C. 缺乏自然传粉的雌花
  D. 缺乏只作套袋处理的雌花
  4. 同一品种的西瓜种植在非生物因素相同的两块土地上,但单位面积产量差别很大,为了探究两块土地上产量不同的原因,请根据所学知识提出一个值得研究的课题(要求写出课下题的题目) 。
  5. 某同学利用蔗糖、蒸馏水、显微镜、载玻片、盖玻片、吸水纸、镊子、紫色洋葱设计了测定洋葱表皮细胞的细胞液浓度的实验。请思考回答下列问题:
  (1) 选用紫色洋葱做实验材料的优点是:
   。
  (2) 原理:
   。
  (3) 实验步骤:
  ① 用蔗糖和蒸馏水配制不同浓度的蔗糖溶液及实验结果如下表,请完善相关实验步骤:
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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