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关于黑白瓶法的探究性试题分析
科学探究是人们获得知识和认识世界的一种重要方法和过程，也是提高生物学教学质量的核心。随着新课程改革的不断推进，以科学探究为命题核心的探究性试题在高考中出现的比重越来越大。它一般是将生物学中经典实验或常用技术改编创设成探究环境，让学生在探究中不仅能领悟科学家的思想方法，提高科学思维能力，更能理解科学的本质，并将这种理解和科学探究的经历内化为自身的科学素养。现以一组有关黑白瓶的探究性试题为例，谈谈对学生科学素养的考查以及自己在教学中的有关体会。 1 黑白瓶法是生态学中的一种常用技术方法，一般用于测定水生生态系统初级生产量，即生态系统中生产者绿色植物光合作用固定的太阳能量或制造的有机物量。操作方法是首先从池塘、湖泊或海水的一定深度采取含有自养生物的水样，然后将水样分装在成对的小样瓶中。每对样瓶中有一个白瓶和一个黑瓶，白瓶就是透光瓶，里面可进行光合作用；黑瓶就是不透光瓶，里面不能进行光合作用，但有呼吸活动。黑瓶和白瓶同时被悬浮在水体中水样所在的深度，放置一定时间后从水体取出，用化学滴定法或电子检测器测定黑瓶和白瓶中的含氧量。根据白瓶中含氧量的变化可以确定净光合作用量，而黑瓶中所测得的数据可以得知正常的呼吸耗氧量，然后就可以计算出总初级生产量。 2 例1（2006年江苏卷）为了调查太湖是否有自养生物存在，及其产氧量是否维持本层水体生物呼吸耗氧所需，可用黑白瓶法测定该水层生物昼夜平均代谢率来判定。白瓶为透明玻璃瓶，其水体溶解O2 的昼夜变化值为水中生物光合作用产生的 O2 与呼吸消耗的 O2 的差值（以WDO 表示）；黑瓶为黑布罩住的玻璃瓶，瓶中水体溶解 O2 的昼夜变化值为水中生物呼吸消耗的 O2（以 BDO 表示）。请完成下列实验。 （1）实验步骤： ①用采用器取该层水样，分别注满 500mL黑、白瓶并密封，剩余水样测 ③ （2）设计记录所测数据的表格。 （3）预测实验结果并分析。 2006年江苏生物高考卷中的这道题与一般的探究性试题不同，很多探究性试题不重视对结果的分析，而该题中虽涉及到探究程序多个环节的考查，但其瓶颈恰是对结果的分析解释。对探究结果进行分析对于学生理解科学本质是非常关键的，因为它需要与已知的知识经验建立联系，需要将严密的逻辑思维与创造性思维糅合，得出的结论需要用科学、准确的语言去表达和交流，而未达到预期目的的探究活动更能体现科学的试探性。题中实验结果是如何揭示结论的，解决了检测指标与反应指标的思维关系，确定了实验的原理，才能站在一定高度审视题目的布局，有的放矢地设计探究方案，这是对题目分析最关键的一环，集中地反映了学生的科学思维能力。 分析可知，实验的检测指标是密封在黑、白瓶中水体的溶氧变化值，而要得出此值就必须先测得水体最初溶氧量和24小时后瓶中溶氧量，这样就不难设计实验步骤和数据记录表格了。要探究的问题即反应指标有两个：该水层是否有自养生物，若有自养生物，其产氧量能否满足本层水体生物呼吸作用消耗。实验数据是怎样揭示结论的呢，数据该如何处理呢？这需要学生进行科学抽象思维和逻辑思维，即先从事物的感性现象中抽取出事物的本质属性，再运用概念进行判断和推理。引导学生分析题干信息，学会绘制图表的方法来逐层寻找数据与探究目标的内在联系，过程如下：
3 例2 以下实验是对低等植物的水域生态系统进行的测定。 步骤一：取两个相同的透明玻璃瓶，分别编号为1号、2号。 步骤二：用两个瓶同时从水深3m处取水样（都装满），立即测定2号瓶中的溶氧量，将1号瓶密封瓶口沉入原取水样处。 步骤三：24h后将1号瓶取出，测定瓶中的溶氧量。按以上步骤重复三次，结果1号瓶溶氧量平均值为6.5mg，2号瓶溶氧量平均值为5.3mg。 回答下列问题： （1）24h后，1号瓶中溶氧变化量是 （2）经过24h后，1号瓶增加的有机物量（假设全为葡萄糖）为 （3）现欲使实验过程同时还能测出1号瓶24h中实际合成的有机物总量，简述需补充的实验内容（请自行选择实验用具），并解释计算方法。 题中无论补充实验还是计算数据都考查了学生对基础知识的运用驾驭能力。要解决这些问题，学生必须先解读实验的基本操作和原理。首先得明白1、2号瓶的设置目的，2号瓶测的是水体最初溶氧量，1号瓶为24小时后水体溶氧量，两瓶对照可得出氧气净增量。氧气净增量是植物光合作用产生氧气与所有生物消耗氧气的差值，可换算成有机物葡萄糖量，即水体中有机物净增量。要得出实际合成的有机物量，根据光合作用实际葡萄糖生产量=光合作用净生产量＋呼吸作用消耗量，还需测定水体生物呼吸耗氧量，这样就确定了补充实验的设计原理。此分析思路源自于光合作用中数值处理模式，反映了学生的知识迁移能力，也说明考查基础知识同样是探究性试题命题的出发点。 怎样才能测得水体生物的呼吸作用耗氧量呢，这考查了学生的实验设计能力。怎样让学生掌握实验设计的原则呢？若总结出实验设计的一般模式，让学生照“菜谱”机械操作，只会约束学生的思维，与科学的灵活性、开放性、试探性背道而驰。让学生在“做”中学，通过自己的主动参与来体会科学探究的原则。将学生的典型错误进行整理，如有的不是对增加的3号瓶进行不透光处理，而是取样后放于暗室；有的没有增加新瓶，而是直接将2号瓶设置成不透光后置于取样处等。学生不明白用黑、白瓶计算植物有机物合成量的前提就是瓶中生物的呼吸相同，将3号瓶置于暗室中，就无法与1号瓶构成单一变量的对照，也失去了模拟自然水体的意义；而将2号瓶用作黑瓶，不仅违背了2号瓶测定最初溶氧量的目的，并且测定过程对水体的影响也会使实验不严密、不准确。组织学生对方案进行评价，让学生自己去判断和比较，争论和交流，归纳和总结。科学探究是一种协作性活动，交流与评价有助于相互启发，有助于自我反思与修正，让学生能够倾听和尊重他人的质疑，承认不同的观点或解释，并在吸纳中肯意见的基础上修正自己的观点或结论，来深入理解科学概念和认识科学活动的本质。 4 例1：(1)溶解氧浓度；挂回原水层；24h后取出黑、白瓶测溶解氧浓度。(2)黑、白瓶溶氧(mg／L)变化记录表，如下表。（3）若WDO—BDO>0，则有自养生物；若WDO—BDO=0，则无自养生物；若WDO≥0，则该水层产氧能维持生物耗氧量所需。
例2：（1）增加1.2mg；水生植物的光合作用产生O2大于水中生物呼吸消耗O2。（2）1.13mg（3）另取一个和1号、2号相同的瓶，设法使之不透光（如涂上黑漆，包上黑胶布等），设为3号瓶，其他处理和1号瓶相同，即同时从水深3m处取水样，密封后与1号瓶同时放在原取样水层；24h后测定溶氧量，重复3次，取平均值。设3号瓶溶氧量平均值为a，则3号瓶呼吸耗氧量为(5.3－a)， 1号瓶实际产生O2量为净增氧量与呼吸耗氧的和，即（6.5－5.3）＋(5.3－a)，根据 C6H12O6～6O2 ，实际合成葡萄糖量为15/16×(6.5－a)。 |
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