關于黑白瓶法的探究性試題分析

關于黑白瓶法的探究性試題分析

    科學探究是人們獲得知識和認識世界的一種重要方法和過程，也是提高生物學教學質量的核心。隨著新課程改革的不斷推進，以科學探究為命題核心的探究性試題在高考中出現的比重越來越大。它一般是將生物學中經典實驗或常用技術改編創設成探究環境，讓學生在探究中不僅能領悟科學家的思想方法，提高科學思維能力，更能理解科學的本質，并將這種理解和科學探究的經歷內化為自身的科學素養。現以一組有關黑白瓶的探究性試題為例，談談對學生科學素養的考查以及自己在教學中的有關體會。

1  有關黑白瓶法

黑白瓶法是生態學中的一種常用技術方法，一般用于測定水生生態系統初級生產量，即生態系統中生產者綠色植物光合作用固定的太陽能量或制造的有機物量。操作方法是首先從池塘、湖泊或海水的一定深度采取含有自養生物的水樣，然后將水樣分裝在成對的小樣瓶中。每對樣瓶中有一個白瓶和一個黑瓶，白瓶就是透光瓶，里面可進行光合作用；黑瓶就是不透光瓶，里面不能進行光合作用，但有呼吸活動。黑瓶和白瓶同時被懸浮在水體中水樣所在的深度，放置一定時間后從水體取出，用化學滴定法或電子檢測器測定黑瓶和白瓶中的含氧量。根據白瓶中含氧量的變化可以確定凈光合作用量，而黑瓶中所測得的數據可以得知正常的呼吸耗氧量，然后就可以計算出總初級生產量。

2  重視對探究結果的分析，提高學生科學思維能力

例1（2006年江蘇卷）為了調查太湖是否有自養生物存在，及其產氧量是否維持本層水體生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法測定該水層生物晝夜平均代謝率來判定。白瓶為透明玻璃瓶，其水體溶解O₂ 的晝夜變化值為水中生物光合作用產生的 O₂ 與呼吸消耗的 O₂ 的差值（以W_DO 表示）；黑瓶為黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水體溶解 O₂ 的晝夜變化值為水中生物呼吸消耗的 O₂（以 B_DO 表示）。請完成下列實驗。

（1）實驗步驟：

①用采用器取該層水樣，分別注滿 500mL黑、白瓶并密封，剩余水樣測              ；

    ②將黑、白瓶                    ；

③                                            。 

（2）設計記錄所測數據的表格。

（3）預測實驗結果并分析。

2006年江蘇生物高考卷中的這道題與一般的探究性試題不同，很多探究性試題不重視對結果的分析，而該題中雖涉及到探究程序多個環節的考查，但其瓶頸恰是對結果的分析解釋。對探究結果進行分析對于學生理解科學本質是非常關鍵的，因為它需要與已知的知識經驗建立聯系，需要將嚴密的邏輯思維與創造性思維糅合，得出的結論需要用科學、準確的語言去表達和交流，而未達到預期目的的探究活動更能體現科學的試探性。題中實驗結果是如何揭示結論的，解決了檢測指標與反應指標的思維關系，確定了實驗的原理，才能站在一定高度審視題目的布局，有的放矢地設計探究方案，這是對題目分析最關鍵的一環，集中地反映了學生的科學思維能力。

分析可知，實驗的檢測指標是密封在黑、白瓶中水體的溶氧變化值，而要得出此值就必須先測得水體最初溶氧量和24小時后瓶中溶氧量，這樣就不難設計實驗步驟和數據記錄表格了。要探究的問題即反應指標有兩個：該水層是否有自養生物，若有自養生物，其產氧量能否滿足本層水體生物呼吸作用消耗。實驗數據是怎樣揭示結論的呢，數據該如何處理呢？這需要學生進行科學抽象思維和邏輯思維，即先從事物的感性現象中抽取出事物的本質屬性，再運用概念進行判斷和推理。引導學生分析題干信息，學會繪制圖表的方法來逐層尋找數據與探究目標的內在聯系，過程如下：

3  重視知識遷移，強化學生評價反思，加深對科學本質的認識

例2 以下實驗是對低等植物的水域生態系統進行的測定。

步驟一：取兩個相同的透明玻璃瓶，分別編號為1號、2號。

步驟二：用兩個瓶同時從水深3m處取水樣（都裝滿），立即測定2號瓶中的溶氧量，將1號瓶密封瓶口沉入原取水樣處。

步驟三：24h后將1號瓶取出，測定瓶中的溶氧量。按以上步驟重復三次，結果1號瓶溶氧量平均值為6.5mg，2號瓶溶氧量平均值為5.3mg。

回答下列問題：

（1）24h后，1號瓶中溶氧變化量是        ，這說明                      。

（2）經過24h后，1號瓶增加的有機物量（假設全為葡萄糖）為           。

（3）現欲使實驗過程同時還能測出1號瓶24h中實際合成的有機物總量，簡述需補充的實驗內容（請自行選擇實驗用具），并解釋計算方法。

題中無論補充實驗還是計算數據都考查了學生對基礎知識的運用駕馭能力。要解決這些問題，學生必須先解讀實驗的基本操作和原理。首先得明白1、2號瓶的設置目的，2號瓶測的是水體最初溶氧量，1號瓶為24小時后水體溶氧量，兩瓶對照可得出氧氣凈增量。氧氣凈增量是植物光合作用產生氧氣與所有生物消耗氧氣的差值，可換算成有機物葡萄糖量，即水體中有機物凈增量。要得出實際合成的有機物量，根據光合作用實際葡萄糖生產量=光合作用凈生產量＋呼吸作用消耗量，還需測定水體生物呼吸耗氧量，這樣就確定了補充實驗的設計原理。此分析思路源自于光合作用中數值處理模式，反映了學生的知識遷移能力，也說明考查基礎知識同樣是探究性試題命題的出發點。

怎樣才能測得水體生物的呼吸作用耗氧量呢，這考查了學生的實驗設計能力。怎樣讓學生掌握實驗設計的原則呢？若總結出實驗設計的一般模式，讓學生照“菜譜”機械操作，只會約束學生的思維，與科學的靈活性、開放性、試探性背道而馳。讓學生在“做”中學，通過自己的主動參與來體會科學探究的原則。將學生的典型錯誤進行整理，如有的不是對增加的3號瓶進行不透光處理，而是取樣后放于暗室；有的沒有增加新瓶，而是直接將2號瓶設置成不透光后置于取樣處等。學生不明白用黑、白瓶計算植物有機物合成量的前提就是瓶中生物的呼吸相同，將3號瓶置于暗室中，就無法與1號瓶構成單一變量的對照，也失去了模擬自然水體的意義；而將2號瓶用作黑瓶，不僅違背了2號瓶測定最初溶氧量的目的，并且測定過程對水體的影響也會使實驗不嚴密、不準確。組織學生對方案進行評價，讓學生自己去判斷和比較，爭論和交流，歸納和總結。科學探究是一種協作性活動，交流與評價有助于相互啟發，有助于自我反思與修正，讓學生能夠傾聽和尊重他人的質疑，承認不同的觀點或解釋，并在吸納中肯意見的基礎上修正自己的觀點或結論，來深入理解科學概念和認識科學活動的本質。

4  例題參考答案

例1：(1)溶解氧濃度；掛回原水層；24h后取出黑、白瓶測溶解氧濃度。(2)黑、白瓶溶氧(mg／L)變化記錄表，如下表。（3）若W_DO—B_DO>0，則有自養生物；若W_DO—B_DO=0，則無自養生物；若W_DO≥0，則該水層產氧能維持生物耗氧量所需。

例2：（1）增加1.2mg；水生植物的光合作用產生O₂大于水中生物呼吸消耗O₂。（2）1.13mg（3）另取一個和1號、2號相同的瓶，設法使之不透光（如涂上黑漆，包上黑膠布等），設為3號瓶，其他處理和1號瓶相同，即同時從水深3m處取水樣，密封后與1號瓶同時放在原取樣水層；24h后測定溶氧量，重復3次，取平均值。設3號瓶溶氧量平均值為a，則3號瓶呼吸耗氧量為(5.3－a)， 1號瓶實際產生O₂量為凈增氧量與呼吸耗氧的和，即（6.5－5.3）＋(5.3－a)，根據 C₆H₁₂O₆～6O₂ ，實際合成葡萄糖量為15/16×(6.5－a)。