高三课堂教学中探究性实验设计的探索

 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