構(gòu)建實驗設計題的解題模型

黃春香

實驗設計能力不僅是普通高中新課程教學理念所強調(diào)的能力要求，也是高考“考試說明”中要求掌握和重點考查的基本能力。近幾年的廣東高考生物試題十分重視對實驗和探究能力的考查，考試統(tǒng)計結(jié)果顯示，考生在此處失分最多，實驗題成為得高分的瓶頸。在高三生物復習中，我采用“例題分析——比較討論——歸納總結(jié)——建模應用”的教學模式來突破實驗設計題解題教學中的難點，收到了較好的效果。

一、分辨實驗中的三個變量

實驗的變量包含自變量、因變量和無關(guān)變量。自變量是實驗中由實驗者操縱的因素或條件。因變量是指由自變量而引起的變化和結(jié)果。通常自變量是原因，因變量是結(jié)果，二者有因果關(guān)系。實驗中除自變量以外，可能還會存在一些可變因素，對實驗結(jié)果造成影響，這些變量稱為無關(guān)變量。特別提醒，無關(guān)變量并不是指與實驗無關(guān)的變量。正確分辨這三個變量是解題的關(guān)鍵。

【例1】為了驗證甲狀腺激素的生理作用，試以大白鼠的耗氧量和活動量為觀察指標，根據(jù)給出的實驗材料和用具，設計實驗步驟，預測實驗結(jié)果，并作出分析。

材料和用具：日齡相同且體重相近的雄性成年大白鼠兩組，甲狀腺激素溶液，蒸餾水，灌胃器，耗氧量測定裝置，小動物活動測定儀等。（實驗提示：給藥途徑為每日灌胃，給藥劑量和儀器操作不做考試要求，室溫恒定）

解析：本實驗是驗證性實驗，目的是驗證甲狀腺激素的生理作用。那么，實驗要求控制的量是甲狀腺激素，因此甲狀腺激素是自變量；又因要觀察的是大白鼠的耗氧量和活動量，所以大白鼠的耗氧量和活動量是因變量。但無關(guān)變量要如何確定？教師可引導學生思考：“除了甲狀腺激素以外，還有哪些因素會影響實驗結(jié)果？這些因素屬于什么變量？”學生經(jīng)過思考以后，得出下列答案：白鼠的日齡、每天灌胃的次數(shù)和甲狀腺激素的量、環(huán)境溫度等，這些因素是實驗中必須嚴格控制的量，稱為無關(guān)變量。接著讓學生分析下列幾個實驗的無關(guān)變量：（1）比較過氧化氫、酶和鐵離子的催化效率；（2）溫度對酶活性的影響；（3）紫外線輻射量對酵母菌生長的影響。最后總結(jié)常見的無關(guān)變量，有環(huán)境溫度、pH值、氧氣的濃度、光照時間、光照強度、材料的量、試劑的量、反應時間、植物或動物的生長狀況、培養(yǎng)條件、培養(yǎng)時間等。

二、實驗步驟的設計

要求學生設計例1的實驗步驟，然后評價學生的答案，并展示和分析參考答案，最后歸納出實驗設計常見的三個步驟。第一步，選取材料，分組編號，進行前測；第二步，設置實驗組和對照組，做不同的處理，培養(yǎng)一段時間；第三步，進行后測或觀察、記錄實驗現(xiàn)象。實施中

應注意以下幾個問題：（1）選材要遵循等量原則。所選材料應保持條件相同，并具有一定的數(shù)量，這樣才能避免偶然因素影響實驗結(jié)果，保證實驗結(jié)果更精確。（2）分組編號要遵循等量原則和單一變量原則。研究對象、器皿等要分組編號，設立實驗組和對照組（分成幾個組，因?qū)嶒灦悾?/p>

（3）實驗處理，即分別對實驗組和對照組施加單一變量。除實驗變量外，對實驗組和對照組的培養(yǎng)、飼養(yǎng)等條件應相同，即控制無關(guān)變量。同時，要注意能體現(xiàn)“單一變量”的詞語的準確表達，如使用“相同”“適宜”等詞語。另外，教師要特別提醒學生注意：以動物為實驗材料時，如果采用飼喂法，對照組的飼料中一般加等量蒸餾水；如果采用注射法，對照組應注射等量的適宜濃度的生理鹽水。如果實驗組飼喂或注射的是用某種溶劑溶解的激素，則對照組也應該飼喂或注射某種溶劑。（4）培養(yǎng)（或飼養(yǎng)）、觀察、記錄，即觀察并記錄實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)。這里要注意高中生物實驗中常見的觀察指標：①顏色變化，如可溶性還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)的鑒定和色素分離、DNA鑒定等。②形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理狀況的變化，如活動量、耗氧量、發(fā)芽率、酵母菌的數(shù)量等。③液面改變，如氣體體積變化、液體體積變化等。④其他，如氣味變化、沉淀、溫度變化、pH值變化、氣泡產(chǎn)生、反應物變化量、生成物變化量等。對實驗設計的步驟不能只掌握三步，有時實驗設計會有四步、五步等，教師應該引導學生掌握。如果實驗材料比較特殊，需要處理，或者需要配制溶液，則可以在第一步前加一步，有時也可以把培養(yǎng)和觀察分成兩步。

三、實驗結(jié)果的預測和分析

高中常見的實驗有驗證性實驗和探究性實驗兩種。

驗證性實驗要根據(jù)所學的知識和原理，分析得出應有的實驗結(jié)果和推出相應的結(jié)論（此時一般只有一個結(jié)果和相應的結(jié)論，且結(jié)論與實驗目的相對應）。如例1中的預測，應該是灌胃甲狀腺激素的大白鼠活動量和耗氧量要大于對照組，只有一種結(jié)果。

探究性實驗在進行結(jié)果預測時，應討論可能出現(xiàn)的各種情況，并根據(jù)各種實驗結(jié)果得出相應的結(jié)論（大多有三種可能，即變量促進結(jié)果、變量抑制結(jié)果、變量與結(jié)果無關(guān)）。

【例2】探究光有無對該種子萌發(fā)的影響，預測可能的實驗結(jié)果，并分別得出相應的結(jié)論。

預測與分析：（1）如果有光組發(fā)芽高于無光組，且差異顯著，則說明光促進該種植物種子的萌發(fā)。（2）如果有光組發(fā)芽低于無光組，且差異顯著，則說明光抑制該種植物種子的萌發(fā)。（3）如果有光組萌發(fā)，無光組也萌發(fā)，但兩組發(fā)芽率差異不顯著，則說明該種植物的種子萌發(fā)不受光影響。

四、實驗結(jié)果的記錄

實驗結(jié)果記錄常用的方式有文字記錄、表格記錄和坐標圖記錄等。文字記錄實驗結(jié)果，學生根據(jù)題意很容易回答；由于學生有一定的數(shù)學知識，所以坐標圖記錄實驗結(jié)果也相對較簡單。這里，只討論如何用表格記錄實驗結(jié)果。

我主要通過“出示例題——分析例題中記錄實驗結(jié)果的表格的構(gòu)成——練習鞏固”的教學過程來突破這一難點。

【例3】低溫迫使植物細胞產(chǎn)生大量對細胞有害的過氧化產(chǎn)物，如脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物（MDA）等。超氧化物歧化酶（SOD）能夠清除過氧化產(chǎn)物，從而增強植物的抗冷性。研究人員進行了“水楊酸對水稻幼苗抗冷性的影響”實驗，結(jié)果如下表。

分析：（1）表格中的“處理+培養(yǎng)溫度”與SOD活性、MDA分別屬于哪種變量？（2）題干中的抗冷性是通過什么指標顯示出來的？（3）組別1和組別2在實驗中有什么作用？（4）如果要避免實驗結(jié)果的偶然性，應該怎樣處理實驗數(shù)據(jù)，并在表格中體現(xiàn)？

通過以上分析，學生已經(jīng)逐步構(gòu)建起實驗表格設計的一般模型：（1）體現(xiàn)對照組和實驗組；（2）體現(xiàn)自變量、因變量或觀測指標；（3）體現(xiàn)重復實驗，數(shù)據(jù)應為多次測量后所取的平均值。

絕大部分學生經(jīng)過模型構(gòu)建的訓練以后，能較好地解答實驗題的相關(guān)問題，使得分率逐漸增加。

總之，建模思想使學生對實驗設計題的解題思路清晰化，語言表達條理化，設計表格模式化，收到了較好的教學效果。

（責任編輯杜華）