高三课堂教学中探究性实验设计的探索
2022-06-08
在高中生物学习中，探究性实验设计与装置分析是一个难点。为将这样的实验进行一个梳理与变式分析，让学生更好地理解其中的原理，掌握实验研究的一般方法，以高中生物学中的一种常见的研究光合作用与呼吸作用的实验装置（液滴移动）为例，进行相关的实验设计与研究。
设计思想：在高三复习课的实验教学中，尝试抛开传统实验设计课的直接呈现与启发式的课堂模式，即在教师的限定思维下局部思考实验的细枝末节，而是课前对学生进行分组编号，课件展示课堂教学任务即本节课要达成的目标以及学生关于本实验设计的相关问题，要求学生先独立思考在合作交流5～8 min，然后抽签分别展示，并解读各组设计思路，5 min展示完毕，并分别由各组代表解读设计思路，其他组认真倾听，并随时就设计者展示内容作质疑或补充，从而提升学生设身处地分析和严密性逻辑推理能力。
1 测定植物的呼吸熵
呼吸熵（RQ）表示生物通过呼吸作用释放的CO2体积/消耗的O2体积。如果以葡萄糖为有氧呼吸消耗的有机物，有氧呼吸的呼吸熵为1;如果是脂类为有氧呼吸消耗的有机物，有氧呼吸的呼吸熵<1。在设计中用呼吸熵来研究有氧呼吸消耗的是否是葡萄糖，或者研究是否只进行有氧呼吸等。实验装置如图1所示。
案例1（以下参考案例均为学生课后整理）。
（1） 取图1所示的2个同样装置，分别编号甲、乙。
（2） 实验组甲装置烧杯内放适量的NaOH溶液，对照组放等量的清水，其他条件完全一样，放在黑暗、适温的环境下一段时间。
（3） 观察红色液滴移动的方向，甲向左移动xcm，乙移动距离为ycm。
（4） 结果与结论：若y为向右移动的距离，则该植物的呼吸熵表示为（x+y）/x.即该呼吸熵值大于1;若y为向左移动的距离，则该植物的呼吸熵表示为（x-y）/x.即该呼吸熵值小于1，说明该植物呼吸底物不只为葡萄糖;若y值为0，即红色不移动，则该植物的呼吸熵表示为x/x=1，说明该植物只进行有氧呼吸，且底物为葡萄糖。
特别说明：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类型。要注意的是本实验材料为植株，则应避光且密闭实验;若实验材料为萌发的种子则不需要避光。但是如果考虑环境因素对实验的干扰，则需另设一对照组丙，且把植物换为同种等量的死植株;若排除生物因素对实验的干扰，则要考虑对整个装置进行灭菌以及对植株进行消毒处理。
[典例剖析1]为测定该植物的呼吸熵，关闭开关A，在25℃下经20 min读出刻度管中红液滴移动距离。甲装置（D中为NaOH溶液）和乙装置（D中为H2O）的液滴分别向左移动x mm和y mm。
① 若测得x=180 mm、y=50 mm，则该植物的呼吸熵是 （保留两位小数）。假设植物完全进行有氧呼吸，根据呼吸熵数值可以推测有氧呼吸分解的有机物中除了 外，还有其他的有机物。
② 为使测得的x和y值更精确，还应再设置两对照装置，与甲对照装置的容器和D中分别放入等量的 植物和 ，与乙对照装置的容器和D中分别放入等量的 植物和 ，设置对照装置的目的是 。
③ 假设植物呼吸消耗的有机物全部为葡萄糖，在25℃下经20 min读出刻度管中红液滴移动距离，x=300 mm，y=-100 mm（装置乙液滴向右移动100 mm），则可推测有氧呼吸消耗葡萄糖与无氧呼吸消耗葡萄糖的比值是 。
解析：甲装置液滴向左移动的x距离为有氧呼吸消耗的O2量，乙装置液滴向左移动y距离是消耗的O2量与产生的CO2的差值，本实验植物呼吸产生的CO2量是x-y。呼吸熵是（x-y）/x=（180-50）/180≈0.72，这个数值小于1，表示完全有氧呼吸的情况下，除了分解葡萄糖外，还有其他有机物。为排除温度、气压等的影响，需要设置空白对照。设置时注意等量原则，植物是死的植物。假设植物呼吸消耗的全部是葡萄糖，装置乙液滴向右移动为100 mm，则推测无氧呼吸产生的CO2量是100 mm，有氧呼吸消耗的O2量为300 mm，有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖比值是300/6∶100/2=1∶1。
参考答案：① 0.72 葡萄糖 ② 死的 NaOH溶液 死的 H2O 用于校正甲装置与乙装置内因物理因素（或非生物因素）引起的容积变化 ③ 1∶1
解题规律：测呼吸熵需要测出植物呼吸产生的CO2与消耗的O2量，消耗的O2量通过甲装置可测，而呼吸产生的CO2量不易直接测定，可通过乙装置来测出两者的差值，再计算出呼吸产生的CO2量。乙装置与甲装置相比，液滴可向左移，在甲装置液滴的右侧;或不移动，还在起始点E点;或液滴向右移，在E点右侧，分别代表呼吸产生的CO2量小于、等于、大于消耗的O2量。如果只有有氧呼吸的情况下，乙装置的液滴不在起始点E点，可知消耗的有机物除了葡萄糖以外，还有其他有机物。
2 研究呼吸作用方式
案例2：
（1） 设置图1所示的实验装置，甲装置的D中放入NaOH溶液，乙装置的D中放入等量的清水。
（2） 将甲、乙放在黑暗处（遮光）处理，保持其他条件相同且适宜。
（3） 实验开始时，关闭开关A，连续记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。
（4） 记录结果与分析结论。
说明：此类题目为研究生物进行有氧呼吸，还是无氧呼吸，以及两种呼吸方式是否同时进行。通过对比实验中的气体体积变化，判断呼吸方式。 [典例剖析2]为研究植物在某种氧气浓度下呼吸作用方式，以植物呼吸只消耗葡萄糖为例。设置如图1的装置，方法步骤是：
① 甲装置的D中放入NaOH溶液，乙装置的D中放入 。
② 将甲、乙两装置 处理，放在条件相同且适宜的环境中。
③实验开始时，关闭开关A，连续记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。
实验结果见表1。
请回答下列问题：
④ 甲装置中使用NaOH溶液的目的是
⑤ 甲装置中红液滴移动的距离x表示 ;乙装置中红液滴移动的距离y表示 。
⑥ 请根据表中的数据分析：乙装置中1 h的植物呼吸方式是 ，3 h后的植物呼吸方式是 。
⑦ 当实验进行到2 h时，植物有氧呼吸消耗葡萄糖的速率是无氧呼吸速率的 倍。
解析：研究植物在某种氧气浓度下的呼吸方式，为避免光合作用对数据的影响，需要都放在黑暗的环境下实验。甲装置中放入NaOH溶液，为了吸收植物呼吸放出的CO2气体，乙装置中放入H2O，其中气体体积的变化是植物呼吸吸收的O2量与放出的CO2的差值。考虑到有氧呼吸中消耗葡萄糖，吸收的O2与放出的CO2量一样，乙装置中向右移动的距离为无氧呼吸放出的CO2量。1 h时，甲装置向左移动，而乙装置液滴不动，说明此时只进行有氧呼吸。3 h后，甲装置液滴不动，说明不进行有氧呼吸，只进行无氧呼吸。2 h时，无氧呼吸产生CO2量可用6 mm表示，有氧呼吸消耗O2量可用30 mm表示。有氧呼吸速率与无氧呼吸速率之比是（30/6）÷（6/2）=5/3。
参考答案：① H2O ② 放在黑暗处（遮光） ④ 吸收植物产生的CO2 ⑤ 植物有氧呼吸消耗的O2量 植物进行呼吸产生的CO2与消耗的O2量的差值 ⑥ 只进行有氧呼吸 只进行无氧呼吸 ⑦ 5/3
解题规律：此类实验设计需要在一个装置里放NaOH溶液。如果进行有氧呼吸，液滴向左移动;如果进行无氧呼吸，液滴不移动;但是如果同时进行有氧呼吸与无氧呼吸，则液滴也向左移动。并且需要设置另一对照组——清水组。在清水组中如果只进行有氧呼吸，以葡萄糖为消耗有机物，液滴不移动;如果只进行无氧呼吸，液滴向右移动;如果两种方式同时进行，则向右移动。两个装置相互对照，就可以判断是进行何种呼吸方式。
3 测植物实际光合作用
案例3：
（1） 取图1所示的2个同样装置，分别编号甲、乙。
（2） 在甲装置的烧杯内放入适量的NaOH溶液，装置乙的烧杯中放入等量的NaHCO3溶液，并把装置甲置于黑暗环境，乙给予适宜光照。一段时间后，观察红色液滴移动的距离。
（3） 若甲向左移动距离为x（代表呼吸消耗的O2），乙移动距离为y（代表光合产生O2与呼吸消耗O2差值），则该植物在光照这段时间内实际光合作用则表示为x+y。
特别提醒：光照强度不同，Y可能左移、右移也可能不移。
[典例剖析3]某生物兴趣小组探究某植物光合强度，设计了如图1所示的装置进行实验。假设实验期间均处于适宜且相对稳定的环境条件下。请分析回答有关问题：
（1） 实验一：测定植物的净光合作用强度时，烧杯中加入 （NaHCO3/NaOH）溶液。将装置置于
的条件下。1 h后，装置中红墨水滴移动的方向是 ，移动刻度为10 cm。
（2） 实验二：测定植物细胞呼吸强度时，烧杯中加入 （NaHCO3/NaOH）溶液，将装置置于
的条件下。1 h后，装置中红墨水滴向左移动，原因是____________。读取移动刻度为2 cm。
（3） 根据上述实验，假设红墨水滴每移动1 cm，植物体内的O2增加或减少1 g，且昼夜温度控制相等，那么该植物的细胞呼吸速率是 g/h;给予光照12 h，黑暗12 h，则24 h葡萄糖的积累量是 g。
参考答案：（1） NaHCO3 光照充足且密闭 向右 （2） NaOH 遮光（黑暗）且密闭 植物在黑暗条件下进行细胞呼吸，吸收氧气，释放CO2，释放的CO2被NaOH溶液吸收，容器中气压减小 （3） 2 90
解题规律：测量光合作用速率，需要将装置放置于相应的光照条件下，为减少误差，常设置空白对照组，即等量、死亡的植物，其他条件为无关变量。使用CO2缓冲溶液，以保证容器中CO2浓度的不变。这样O2的量的变化就可以表示光合与呼吸作用对O2的产生与消耗的差值，也就是表观光合速率。为了进一步计算实际光合速率，需将这个装置放置于黑暗中，测得呼吸作用的速率。这是典型的一种装置多用的例子。
4 解题探究
（1） 解决此类问题的常规思路是明确测定指标和原理（表2）。
（2） 计算技巧：
① 已知净光合速率为a，呼吸速率为b，给予光照时间为c，则一昼夜积累的因变量的量为 。
② 若由O2或CO2的量求葡萄糖的量，则需利用它们与葡萄糖分子个数比为 的关系。
参考答案：① ac-b（24-c） ② 6∶1
反思提升：
（1） 若探究光合作用，装置如何处理？如何移动？代表意义？
（2） 若探究CO2是不是光合作用所需的原料，则对照组如何处理？
（3） 若探究呼吸作用，装置如何处理？
（4） 若探究呼吸方式，对照组如何处理？
（5） 若排除环境因素对呼吸实验的干扰，对照组如何处理？
（6） 若排除生物因素对呼吸实验的干扰，对照组如何处理？
此外，液滴移动法还可以用于测定影响光合作用、呼吸作用的影响因素等实验。
课后反思：抱着尝试的心理去设计了这堂“实验设计”的教学。本以为学生在没有任何参考资料的情况下自主设计实验会有一定难度，会思维混乱、步骤无章，以致故此失彼，无严谨性、科学性可言。事实上，学生思维能力、表现形式远远出乎笔者的意料，基本上是在教师很少参与的情况下，学生完成合作、质疑与补充，包括在呼吸作用测定实验中，学生对外界环境因素或内部微生物的存在可能带来的干扰另设对照组予以排除，也包括液滴移动法测定呼吸熵的对照组和液滴移动法测净光合作用时液滴移动方向的不确定性都考虑得十分周全。
设计思想：在高三复习课的实验教学中，尝试抛开传统实验设计课的直接呈现与启发式的课堂模式，即在教师的限定思维下局部思考实验的细枝末节，而是课前对学生进行分组编号，课件展示课堂教学任务即本节课要达成的目标以及学生关于本实验设计的相关问题，要求学生先独立思考在合作交流5～8 min，然后抽签分别展示，并解读各组设计思路，5 min展示完毕，并分别由各组代表解读设计思路，其他组认真倾听，并随时就设计者展示内容作质疑或补充，从而提升学生设身处地分析和严密性逻辑推理能力。
1 测定植物的呼吸熵
呼吸熵（RQ）表示生物通过呼吸作用释放的CO2体积/消耗的O2体积。如果以葡萄糖为有氧呼吸消耗的有机物，有氧呼吸的呼吸熵为1;如果是脂类为有氧呼吸消耗的有机物，有氧呼吸的呼吸熵<1。在设计中用呼吸熵来研究有氧呼吸消耗的是否是葡萄糖，或者研究是否只进行有氧呼吸等。实验装置如图1所示。
案例1（以下参考案例均为学生课后整理）。
（1） 取图1所示的2个同样装置，分别编号甲、乙。
（2） 实验组甲装置烧杯内放适量的NaOH溶液，对照组放等量的清水，其他条件完全一样，放在黑暗、适温的环境下一段时间。
（3） 观察红色液滴移动的方向，甲向左移动xcm，乙移动距离为ycm。
（4） 结果与结论：若y为向右移动的距离，则该植物的呼吸熵表示为（x+y）/x.即该呼吸熵值大于1;若y为向左移动的距离，则该植物的呼吸熵表示为（x-y）/x.即该呼吸熵值小于1，说明该植物呼吸底物不只为葡萄糖;若y值为0，即红色不移动，则该植物的呼吸熵表示为x/x=1，说明该植物只进行有氧呼吸，且底物为葡萄糖。
特别说明：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类型。要注意的是本实验材料为植株，则应避光且密闭实验;若实验材料为萌发的种子则不需要避光。但是如果考虑环境因素对实验的干扰，则需另设一对照组丙，且把植物换为同种等量的死植株;若排除生物因素对实验的干扰，则要考虑对整个装置进行灭菌以及对植株进行消毒处理。
[典例剖析1]为测定该植物的呼吸熵，关闭开关A，在25℃下经20 min读出刻度管中红液滴移动距离。甲装置（D中为NaOH溶液）和乙装置（D中为H2O）的液滴分别向左移动x mm和y mm。
① 若测得x=180 mm、y=50 mm，则该植物的呼吸熵是 （保留两位小数）。假设植物完全进行有氧呼吸，根据呼吸熵数值可以推测有氧呼吸分解的有机物中除了 外，还有其他的有机物。
② 为使测得的x和y值更精确，还应再设置两对照装置，与甲对照装置的容器和D中分别放入等量的 植物和 ，与乙对照装置的容器和D中分别放入等量的 植物和 ，设置对照装置的目的是 。
③ 假设植物呼吸消耗的有机物全部为葡萄糖，在25℃下经20 min读出刻度管中红液滴移动距离，x=300 mm，y=-100 mm（装置乙液滴向右移动100 mm），则可推测有氧呼吸消耗葡萄糖与无氧呼吸消耗葡萄糖的比值是 。
解析：甲装置液滴向左移动的x距离为有氧呼吸消耗的O2量，乙装置液滴向左移动y距离是消耗的O2量与产生的CO2的差值，本实验植物呼吸产生的CO2量是x-y。呼吸熵是（x-y）/x=（180-50）/180≈0.72，这个数值小于1，表示完全有氧呼吸的情况下，除了分解葡萄糖外，还有其他有机物。为排除温度、气压等的影响，需要设置空白对照。设置时注意等量原则，植物是死的植物。假设植物呼吸消耗的全部是葡萄糖，装置乙液滴向右移动为100 mm，则推测无氧呼吸产生的CO2量是100 mm，有氧呼吸消耗的O2量为300 mm，有氧呼吸与无氧呼吸消耗的葡萄糖比值是300/6∶100/2=1∶1。
参考答案：① 0.72 葡萄糖 ② 死的 NaOH溶液 死的 H2O 用于校正甲装置与乙装置内因物理因素（或非生物因素）引起的容积变化 ③ 1∶1
解题规律：测呼吸熵需要测出植物呼吸产生的CO2与消耗的O2量，消耗的O2量通过甲装置可测，而呼吸产生的CO2量不易直接测定，可通过乙装置来测出两者的差值，再计算出呼吸产生的CO2量。乙装置与甲装置相比，液滴可向左移，在甲装置液滴的右侧;或不移动，还在起始点E点;或液滴向右移，在E点右侧，分别代表呼吸产生的CO2量小于、等于、大于消耗的O2量。如果只有有氧呼吸的情况下，乙装置的液滴不在起始点E点，可知消耗的有机物除了葡萄糖以外，还有其他有机物。
2 研究呼吸作用方式
案例2：
（1） 设置图1所示的实验装置，甲装置的D中放入NaOH溶液，乙装置的D中放入等量的清水。
（2） 将甲、乙放在黑暗处（遮光）处理，保持其他条件相同且适宜。
（3） 实验开始时，关闭开关A，连续记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。
（4） 记录结果与分析结论。
说明：此类题目为研究生物进行有氧呼吸，还是无氧呼吸，以及两种呼吸方式是否同时进行。通过对比实验中的气体体积变化，判断呼吸方式。 [典例剖析2]为研究植物在某种氧气浓度下呼吸作用方式，以植物呼吸只消耗葡萄糖为例。设置如图1的装置，方法步骤是：
① 甲装置的D中放入NaOH溶液，乙装置的D中放入 。
② 将甲、乙两装置 处理，放在条件相同且适宜的环境中。
③实验开始时，关闭开关A，连续记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。
实验结果见表1。
请回答下列问题：
④ 甲装置中使用NaOH溶液的目的是
⑤ 甲装置中红液滴移动的距离x表示 ;乙装置中红液滴移动的距离y表示 。
⑥ 请根据表中的数据分析：乙装置中1 h的植物呼吸方式是 ，3 h后的植物呼吸方式是 。
⑦ 当实验进行到2 h时，植物有氧呼吸消耗葡萄糖的速率是无氧呼吸速率的 倍。
解析：研究植物在某种氧气浓度下的呼吸方式，为避免光合作用对数据的影响，需要都放在黑暗的环境下实验。甲装置中放入NaOH溶液，为了吸收植物呼吸放出的CO2气体，乙装置中放入H2O，其中气体体积的变化是植物呼吸吸收的O2量与放出的CO2的差值。考虑到有氧呼吸中消耗葡萄糖，吸收的O2与放出的CO2量一样，乙装置中向右移动的距离为无氧呼吸放出的CO2量。1 h时，甲装置向左移动，而乙装置液滴不动，说明此时只进行有氧呼吸。3 h后，甲装置液滴不动，说明不进行有氧呼吸，只进行无氧呼吸。2 h时，无氧呼吸产生CO2量可用6 mm表示，有氧呼吸消耗O2量可用30 mm表示。有氧呼吸速率与无氧呼吸速率之比是（30/6）÷（6/2）=5/3。
参考答案：① H2O ② 放在黑暗处（遮光） ④ 吸收植物产生的CO2 ⑤ 植物有氧呼吸消耗的O2量 植物进行呼吸产生的CO2与消耗的O2量的差值 ⑥ 只进行有氧呼吸 只进行无氧呼吸 ⑦ 5/3
解题规律：此类实验设计需要在一个装置里放NaOH溶液。如果进行有氧呼吸，液滴向左移动;如果进行无氧呼吸，液滴不移动;但是如果同时进行有氧呼吸与无氧呼吸，则液滴也向左移动。并且需要设置另一对照组——清水组。在清水组中如果只进行有氧呼吸，以葡萄糖为消耗有机物，液滴不移动;如果只进行无氧呼吸，液滴向右移动;如果两种方式同时进行，则向右移动。两个装置相互对照，就可以判断是进行何种呼吸方式。
3 测植物实际光合作用
案例3：
（1） 取图1所示的2个同样装置，分别编号甲、乙。
（2） 在甲装置的烧杯内放入适量的NaOH溶液，装置乙的烧杯中放入等量的NaHCO3溶液，并把装置甲置于黑暗环境，乙给予适宜光照。一段时间后，观察红色液滴移动的距离。
（3） 若甲向左移动距离为x（代表呼吸消耗的O2），乙移动距离为y（代表光合产生O2与呼吸消耗O2差值），则该植物在光照这段时间内实际光合作用则表示为x+y。
特别提醒：光照强度不同，Y可能左移、右移也可能不移。
[典例剖析3]某生物兴趣小组探究某植物光合强度，设计了如图1所示的装置进行实验。假设实验期间均处于适宜且相对稳定的环境条件下。请分析回答有关问题：
（1） 实验一：测定植物的净光合作用强度时，烧杯中加入 （NaHCO3/NaOH）溶液。将装置置于
的条件下。1 h后，装置中红墨水滴移动的方向是 ，移动刻度为10 cm。
（2） 实验二：测定植物细胞呼吸强度时，烧杯中加入 （NaHCO3/NaOH）溶液，将装置置于
的条件下。1 h后，装置中红墨水滴向左移动，原因是____________。读取移动刻度为2 cm。
（3） 根据上述实验，假设红墨水滴每移动1 cm，植物体内的O2增加或减少1 g，且昼夜温度控制相等，那么该植物的细胞呼吸速率是 g/h;给予光照12 h，黑暗12 h，则24 h葡萄糖的积累量是 g。
参考答案：（1） NaHCO3 光照充足且密闭 向右 （2） NaOH 遮光（黑暗）且密闭 植物在黑暗条件下进行细胞呼吸，吸收氧气，释放CO2，释放的CO2被NaOH溶液吸收，容器中气压减小 （3） 2 90
解题规律：测量光合作用速率，需要将装置放置于相应的光照条件下，为减少误差，常设置空白对照组，即等量、死亡的植物，其他条件为无关变量。使用CO2缓冲溶液，以保证容器中CO2浓度的不变。这样O2的量的变化就可以表示光合与呼吸作用对O2的产生与消耗的差值，也就是表观光合速率。为了进一步计算实际光合速率，需将这个装置放置于黑暗中，测得呼吸作用的速率。这是典型的一种装置多用的例子。
4 解题探究
（1） 解决此类问题的常规思路是明确测定指标和原理（表2）。
（2） 计算技巧：
① 已知净光合速率为a，呼吸速率为b，给予光照时间为c，则一昼夜积累的因变量的量为 。
② 若由O2或CO2的量求葡萄糖的量，则需利用它们与葡萄糖分子个数比为 的关系。
参考答案：① ac-b（24-c） ② 6∶1
反思提升：
（1） 若探究光合作用，装置如何处理？如何移动？代表意义？
（2） 若探究CO2是不是光合作用所需的原料，则对照组如何处理？
（3） 若探究呼吸作用，装置如何处理？
（4） 若探究呼吸方式，对照组如何处理？
（5） 若排除环境因素对呼吸实验的干扰，对照组如何处理？
（6） 若排除生物因素对呼吸实验的干扰，对照组如何处理？
此外，液滴移动法还可以用于测定影响光合作用、呼吸作用的影响因素等实验。
课后反思：抱着尝试的心理去设计了这堂“实验设计”的教学。本以为学生在没有任何参考资料的情况下自主设计实验会有一定难度，会思维混乱、步骤无章，以致故此失彼，无严谨性、科学性可言。事实上，学生思维能力、表现形式远远出乎笔者的意料，基本上是在教师很少参与的情况下，学生完成合作、质疑与补充，包括在呼吸作用测定实验中，学生对外界环境因素或内部微生物的存在可能带来的干扰另设对照组予以排除，也包括液滴移动法测定呼吸熵的对照组和液滴移动法测净光合作用时液滴移动方向的不确定性都考虑得十分周全。