張玉明 宣雯雯
實驗設(shè)計應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理,嚴(yán)謹(jǐn)周密,經(jīng)得起推敲,實驗結(jié)論方能科學(xué)可靠,令人信服。高考應(yīng)試時,如果實驗設(shè)計不夠嚴(yán)謹(jǐn),哪怕有微小的缺陷或瑕疵,都會令閱卷老師對整個實驗過程和結(jié)果產(chǎn)生懷疑,從而導(dǎo)致嚴(yán)重失分。下面通過一些具體的實驗實例,從實驗的檢測方法、變量排除、操作步驟、實驗材料等幾個方面,剖析影響中學(xué)生物實驗設(shè)計嚴(yán)密性的一些常見原因及方法改進(jìn)。
一、實驗結(jié)果檢測的方法不當(dāng)
例1 豬籠草是一種食蟲植物,為了驗證豬籠草分泌液中有蛋白酶,某學(xué)生設(shè)計了一個實驗,如圖實驗①所示。在35℃水浴中保溫一段時間后,甲、乙試管中加入適量的雙縮脲試劑。觀察實驗結(jié)果。若甲、乙兩支試管都變紫色,說明甲試管中的蛋白質(zhì)沒有被分解,則得出結(jié)論:豬籠草分泌液中沒有蛋白酶。若甲試管不變紫色,乙試管變紫色,說明甲試管中的蛋白質(zhì)已被分解,則得出結(jié)論:豬籠草分泌液中有蛋白酶。
實驗① 實驗②
【分析】實驗①的設(shè)計似乎沒有問題,但仔細(xì)考慮一下就會發(fā)現(xiàn),若甲試管中的分泌液中有蛋白酶,則將甲試管中的蛋白質(zhì)分解掉后,雖然試管中沒有蛋白質(zhì)了,但分泌液中的蛋白酶依然在,它也是蛋白質(zhì),可能也會引起顏色反應(yīng),量雖然很少,但甲試管畢竟還是存在蛋白質(zhì),因此該實驗的設(shè)計并不是很嚴(yán)謹(jǐn),需要改進(jìn)。
【改進(jìn)】改進(jìn)后的實驗如圖實驗②。改進(jìn)后的實驗不再使用蛋白液而改用蛋白塊,不再用雙縮脲試劑來檢驗丙、丁兩試管中蛋白質(zhì)有沒有被分解,而是通過觀察蛋白塊是否消失來判斷分泌液中有沒有蛋白酶。蛋白塊消失則說明分泌液中有蛋白酶,蛋白塊不消失則說明分泌液中沒有蛋白酶,從而避免了前面所提的不嚴(yán)謹(jǐn)之處。
二、無關(guān)變量的影響沒有排除
例2 某學(xué)生利用如下裝置設(shè)計實驗測定植物的光合作用強度,具體方法步驟如下。
先用該裝置測定植物的凈光合作用強度:①在裝置的D中放入適量的NaHCO3溶液;②將裝置放在光照強度和溫度等條件適宜的環(huán)境中,60分鐘后記錄裝置紅墨水滴移動的方向和刻度,并填入下表。
再用該裝置測定植物的呼吸作用強度,方法步驟:①在裝置的D中放入適量的NaOH溶液;②將裝置遮光處理,60分鐘后分別記錄裝置紅墨水滴移動的方向和刻度,并填入下表。
實驗?zāi)康?裝置 實驗60分鐘后紅墨水滴移動情況
測定凈光合作用強度 甲 向_____(填左或右)移動 厘米
測定呼吸作用強度 甲 向_____(填左或右)移動 厘米
上述兩項的數(shù)值相加即為植物的光合作用強度。
【分析】上述實驗看起來好像沒有問題,其實不夠嚴(yán)密。實驗測得的數(shù)值并沒有經(jīng)過校正,也就是沒有排除無關(guān)變量的影響。在實驗中,由于光照等因素的影響,可能會導(dǎo)致裝置內(nèi)的溫度上升,使得其中氣體體積膨脹,測得的數(shù)值有可能偏大。排除無關(guān)變量影響的最佳方法是設(shè)計相應(yīng)的對照實驗,原來的實驗裝置為甲,再增加一個同樣的裝置乙,將其中的植物改成死的植物。
【改進(jìn)】改進(jìn)實驗裝置如下:
先測定植物的凈光合作用強度:①在甲、乙兩裝置的D中都放入等量NaHCO3溶液,裝置乙作為對照;②將甲、乙兩裝置放在光照強度和溫度等條件相同的適宜環(huán)境中;③60分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度,并填入下表。
再測定植物的呼吸作用強度:①在甲、乙兩裝置的D中都放入等量的NaOH溶液,裝置乙作為對照;②將甲、乙兩裝置遮光處理,放在溫度等條件相同的環(huán)境中;③60分鐘后分別記錄甲、乙兩裝置紅墨水滴移動的方向和刻度,并填入下表。
實驗?zāi)康?裝置 實驗60分鐘后紅墨水滴移動情況
測定凈光合
作用強度 甲 向_____(填左或右)移動 厘米
乙 向_____(填左或右)移動 厘米
測定呼吸
作用強度 甲 向_____(填左或右)移動 厘米
乙 向_____(填左或右)移動 厘米
乙裝置的讀數(shù)是對甲裝置讀數(shù)的修正,從而排除了光照、溫度等無關(guān)變量的變化對實驗結(jié)果的影響。
三、自變量的分析不夠全面
例3 某同學(xué)為了驗證胚芽鞘尖端是感光部位的結(jié)論,設(shè)計了如圖所示一組實驗。
該同學(xué)認(rèn)為,兩個實驗形成一組對照,實驗①整個胚芽鞘裸露,單側(cè)光照射發(fā)生向光彎曲生長,實驗②尖端用不透光的錫鉑小帽遮光,尖端以下部位裸露,單側(cè)光照射直立生長,得出結(jié)論:尖端是感光部位,尖端以下不是感光部位。
【分析】以上實驗和分析似乎非常合理,無懈可擊,但仔細(xì)推敲,卻不夠嚴(yán)密,問題出在對自變量的分析不夠全面。該實驗的自變量應(yīng)有三個,即感光部位有三種可能:尖端、尖端以下部位、尖端和以下部分共同組成一個感光部位。實驗②只能確定尖端以下不是感光部位,剩余兩種可能無法判斷,還需再增加一個實驗才可。
【改進(jìn)】改進(jìn)后的實驗設(shè)計如下。
改進(jìn)后的實驗③是尖端以下部位也用錫鉑遮光,用單側(cè)光照射,實驗③的結(jié)果如圖彎曲生長,從而排除尖端和以下部分共同組成一個感光部位的可能性,從而肯定尖端是感光部位。假如實驗③是直立生長,則排除尖端是感光部位的可能性,肯定尖端和以下部分共同組成一個感光部位的可能性。達(dá)爾文當(dāng)年正是設(shè)計了上述三個實驗來研究植物向光性的。
四、實驗操作步驟設(shè)計不嚴(yán)謹(jǐn)
例4 某學(xué)生為了探究溫度對酶活性的影響,設(shè)計的實驗方法步驟如下:
(1)取3支潔凈的試管,編上號,并且分別注入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的可溶性淀粉;
(2)將3支試管分別放在60 ℃左右的熱水、沸水、冰塊中各維持5 min;
(3)取出,分別滴入1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的新鮮淀粉酶溶液,搖勻后,再在各自溫度中維持5 min;
(4)在3支試管中分別滴入1滴碘液,觀察現(xiàn)象。按照課本實驗原理的推測,沸水和冰塊中的試管應(yīng)變藍(lán)色,而60 ℃左右熱水中的試管不變藍(lán)色。
【分析】該實驗設(shè)計似乎沒有問題,許多教輔材料和習(xí)題集都是這樣設(shè)計的,其實還是值得商榷。根據(jù)實驗設(shè)計的程序,步驟(3)是先將3支盛有可溶性淀粉液的試管處在60 ℃左右熱水、沸水、冰塊中,目的是使淀粉液達(dá)到實驗所要求的不同溫度條件,探索不同溫度對淀粉酶活性的影響。但是,步驟(3)中滴入的是室溫下的淀粉酶溶液,室溫時淀粉酶溶液的溫度一般維持在15 ℃—20 ℃左右,這樣,當(dāng)?shù)稳氲矸勖溉芤汉?,試管中的溫度必然會發(fā)生改變:60 ℃和沸水中的溫度會暫時下降,冰塊中的溫度會暫時上升。另外滴入的淀粉酶溶液量也比較多,與淀粉液溶液的體積比是1∶2,有的資料是1∶1,再加上酶具有高效性這一特點,因此在步驟(3)中,當(dāng)分別滴入淀粉酶溶液后,由于試管中溫度的瞬間改變,尤其是置于沸水和冰塊中的試管內(nèi)溫度的改變,淀粉酶溶液可能很快就將淀粉液給分解了,即使搖勻后,再放入各自的溫度中維持5分鐘,那已經(jīng)沒有什么意義了,在步驟(4)中,再各滴入1滴碘液后,3支試管有可能都不變藍(lán)色。
【改進(jìn)】改進(jìn)后的實驗設(shè)計如下。
(1)取3支潔凈的試管,編號,分別注入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的可溶性淀粉液;同時,再取3支潔凈試管,編號,分別注入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的新鮮淀粉酶溶液。
(2)將3支盛有淀粉液的試管分別放入60 ℃左右的熱水、沸水、冰塊中,同時,在三種溫度中各放入一個盛有淀粉酶溶液的試管,維持各自的溫度5 min。
(3)將三種溫度下的淀粉酶溶液分別倒入各自溫度下的3支淀粉液試管中,搖勻后,維持各自的溫度5 min。
(4)在3支試管中各滴入1滴碘液,搖勻,觀察其顏色變化。
改進(jìn)后的實驗步驟保證了酶與淀粉溶液一接觸的瞬間就使反應(yīng)處在所要求的溫度條件下,從而自始至終將實驗控制在所要求的條件下,如此實驗才能稱為嚴(yán)密。
五、實驗材料選擇不當(dāng)
探究溫度對酶活性的影響時,我們一般選擇淀粉溶液和淀粉酶做實驗材料,而不采用過氧化氫溶液和過氧化氫酶。原因是:雖然在一定范圍內(nèi),隨溫度升高,過氧化氫酶活性增大,由過氧化氫酶催化的過氧化氫的分解速率會加快,但是,由于過氧化氫溶液在沒有酶催化的情況下也能自行分解,而且自行分解的速率也會隨著環(huán)境溫度的升高而升高,從而對實驗結(jié)論產(chǎn)生影響。因此如果選擇過氧化氫溶液和過氧化氫酶為實驗材料,來探究溫度對酶活性的影響,則實驗設(shè)計就會不夠嚴(yán)密。而改用淀粉溶液和淀粉酶做實驗,則可避免這種不夠嚴(yán)密的問題。
同樣道理,在探究pH對酶活性的影響時,我們通常選擇過氧化氫溶液和過氧化氫酶作實驗材料,而不用淀粉和淀粉酶,因為在酸性溶液中淀粉會自行水解成麥芽糖、葡萄糖。當(dāng)酸性較強時,也就是pH較小時,酶失活,淀粉水解應(yīng)當(dāng)停止,但由于在酸性溶液中淀粉會自行分解,從而干擾實驗結(jié)果。而過氧化氫溶液的自行分解則不受pH變化的影響。
嚴(yán)密性是實驗設(shè)計的最基本要求,也是最重要的一項要求。缺乏嚴(yán)密性的實驗是沒有說服力的,得出的結(jié)論也是不能讓人信服的。記得艾弗里在做肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實驗時,他已將肺炎球菌的DNA提純到了99.98%的純度,只含有0.02%的雜質(zhì),但他的“肺炎球菌的轉(zhuǎn)化因子是DNA”的結(jié)論,依然沒有能說服當(dāng)時那些挑刺的科學(xué)家,由此可見,實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性對于實驗結(jié)論的正確性和科學(xué)性是多么的重要!