加強實驗變量分析突破學生生物實驗能力發展瓶頸

毛洪文

摘 要 從分析學生實驗能力的問題出發，分析說明了產生問題的根源在于學生缺少對實驗變量的正確分析。由此提出了通過分析實驗變量，了解實驗目的，預測實驗現象的解決方法和過程；通過分析實驗變量，學會設計對照組和設計實驗操作過程的一般方法步驟；并總結提煉出規范的生物實驗用語。從而有效解決突破學生生物實驗能力發展的瓶頸。

關鍵詞 教案 學案 導學案

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

隨著高中新課程改革的推進，學校生物實驗室設備在不斷的改善，生物實驗教學也基本解決了過去停留于黑板上的現狀，學生動手實驗的能力有了一定程度的提高。然而大量的事實表明，盡管必、選修實驗各學校都在正常開設，學生的實驗能力仍然很低。學生在實驗時，往往走過程似的，按照書本上驗證性實驗內容亦步亦趨去操作；抑或是探究性實驗，學生只要在網上一搜基本都可找到相關的實驗設計步驟，稍加改動就成探究性實驗方案。這是現階段學生實驗教學中的一些基本現狀。

長期的實驗教學發現，學生雖然都做了教科書上的必、選修實驗，但由于缺少對實驗的認真分析、尤其是實驗自變量和因變量的分析，學生仍然不能很好地理解和分析實驗，不能正確設計有多組對照存在的生物實驗，不能正確了解實驗目的、預測實驗結果或結論，也難以設計出比較完整的實驗方案。

1 學生在實驗能力上的問題，究其根源在于缺少對實驗變量的分析

學生實驗能力上的問題主要有以下四個方面：

（1） 實驗設計的思路不清晰，表現為不能正確理解實驗目的、原理、方法和操作步驟。

（2） 實驗設計能力差，表現為不能準確確認變量、作出假設和設計可行的實驗方案、搜集處理數據，并預測實驗現象和結果。

（3） 實驗分析能力差，具體為對方案不能做出恰當的評價、修訂和簡單延伸；實驗方法的選擇和運用上不能正確運用觀察、調查、實驗、假說—演繹、建立模型與系統分析等科學研究方法；

（4） 生物實驗語言（概念、原理和方法表述）不規范、不簡捷和不準確。

以上四個問題的關鍵，是學生不能很好地找出實驗的自變量和因變量的種類并分析自變量對因變量的影響關系。

事實上，在對實驗變量的分析中，只要找對實驗變量中有多少個是自變量，多少個是因變量并分析出每一自變量對每一因變量的影響結果，就能設計出相應的對照組和實驗組，就能預測實驗的結果和結論，也就能了解實驗的真正目的，正確寫出實驗的方案，從而對實驗的現象和結果作出比較正確的解釋、分析和推理，并能采用恰當的方法搜集實驗數據和運用科學的實驗方法來設計實驗。

因此，歸根結底在實驗教學中，真正制約學生實驗能力發展的根源在于學生能否正確分析實驗的變量。

2 分析實驗變量，了解實驗目的并預測實驗結果

【例1】 （2011·海南）某同學設計了一個探究實驗，把培養在完全營養液中、生長狀態一致的3組某種植物幼苗分別放入A、B、C三個完全相同的玻璃鐘罩內（如圖1所示），其中A不密封。B、C密封，B內培養皿中盛有Ba（OH）2溶液，A、C內培養皿中盛有蒸餾水，各培養皿中液體的體積相同。該實驗在光照充足、溫度適宜的環境中進行。

回答問題：

根據上述實驗設計判斷，該實驗的目的是：___________。

分析：首先是找出該實驗的自變量，由于該實驗在光照充足、溫度適宜的環境中進行，但A未密封，故影響該實驗的自變量應該是玻璃鐘罩內的O2和CO2濃度（量）；而C密封，故影響該實驗的自變量也應該是玻璃鐘罩內的O2和CO2濃度（量）；B因密封且罩內放置的是能吸收CO2的Ba（OH）2，故罩內CO2濃度（量）不斷減少的變化是影響該實驗的關鍵變量。所以A、B、C三個實驗可說明影響該組實驗的關鍵自變量是CO2濃度（量），由于它的變化，直接影響光合作用，因而就會影響另一變量，幼苗光合作用的生長，而幼苗的生長是因為受到CO2濃度（量）的變化而變化的生長，故幼苗的生長變化量是一個因變量。至此，可分析出本實驗實質是通過自變量CO2濃度（量）的變化，來探究因變量幼苗的生長變化量（或幼苗光合作用的變化量）的關系。實驗的目的是：探究CO2濃度對幼苗光合作用強度（或生長量）的影響。

【例2】 （2011·浙江）為了探究某物質（X）的作用，研究者提出了以下實驗思路：

（1） 實驗分組：

甲組：培養液+Y細胞+3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）+生理鹽水；

乙組：培養液+Y細胞+3H-TdR+X（用生理鹽水配制）。

每組設置若干個重復樣品。

（2） 分別測定兩組的CRD（細胞內的放射性強度），求每組的平均值。

（3） 將各樣品在適宜條件下培養合適時間后，測定CRD，求每組平均值并進行統計分析。

（要求與說明：答題時用X、CRD、3H-TDR表示相關名詞；Y細胞是能增殖的高等動物體細胞）請回答：

（1） 實驗目的： __________。

（2） 預測實驗結果及結論：__________。

分析思路：首先分析自變量，由于甲、乙兩組對照中，不同的是乙組含有X物質，因此X物質就是該組實驗的自變量。并由于題目提示，Y細胞是能增殖的高等動物體細胞，說明在培養中Y細胞會增殖，而增殖就會吸取營養物質，一是培養液，另一是吸取3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）用于DNA的復制，故聯系本題要測定兩組實驗的CRD（細胞內的放射性強度），同時求每組的平均值，這說明3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）在細胞內復制得快，吸取得多，則細胞增殖就快，CRD就會高，反之則低。但由于在乙組中加入了X物質，若X會加快細胞增殖，DNA的復制會加快，則CRD就會升高；若X會抑制細胞增殖，則DNA的復制會受到抑制，CRD就會降低；若X不會對細胞增殖造成影響，DNA的復制不會受影響，則CRD就不會改變。故通過上述分析，DNA的復制變化引起的Y細胞增殖的變化，使得CRD變化，就是因變量了。同時，本實驗的目的及實驗可能的現象和結果也就非常清楚了。

實驗目的就是：探究X對Y細胞增殖（DNA合成或CRD）的影響；預測的實驗結果及結論就是：如果乙組CRD明顯高于甲組，說明X對Y細胞增殖（DNA合成）有促進作用；如果乙組CRD與甲組基本相同，說明X對Y細胞增殖（DNA合成）無影響；如果乙組CRD明顯低于甲組，說明X對Y細胞增殖（DNA合成）有抑制作用。

通過以上兩例分析，不難看出，解決實驗的關鍵就是對變量的分析，萬其是自變量和因變量的種類及關系的分析。

對以上典型例題歸納總結如下：

如何了解實驗目的：首先確認探究還是驗證性實驗——找出自變量和因變量種類及其關系——用規范語言說明“探究還是驗證自變量和因變量的關系”。

如何預測實驗結果與結論：確認探究還是驗證性實驗——分析說明自變量對因變量影響可能產生的各種結果——用規范的語言表達。

規范的文字敘述如下：

若為探究實驗則用這樣表述：如果……（實驗結果），則（自變量）對（因變量）……（影響結果）；若為驗證性實驗則用這樣表述：證明……（自變量對因變量的影響）。

3 分析實驗變量，學會設置對照組和設計實驗操作過程

分析以下典型實驗題目：

【例3】 （2012·浙江）請根據以下提供的實驗材料，完善生物制劑W對動物不同細胞的分裂具有促進作用的實驗思路，并預測實驗結果。

實驗材料：培養液、正常體細胞、癌細胞、W、胰蛋白酶。

（要求與說明：答題時不考慮加入W后的體積變化等誤差。提供的細胞均具有分裂能力，只進行原代培養且培養條件適宜）

（1） 實驗思路：

① 取培養瓶若干個，分組如下：__________。每組設置若干個重復樣品。

② 各組樣品在培養箱中培養一段合適的時間后，各取其中的幾個樣品，加入__________，搖勻，在顯微鏡下用血細胞計數板分別計數并記錄細胞數。

③ 重復②若干次。

④ __________。

（2） 預測實驗結果（用坐標系和細胞數變化曲線示意圖表示）。

3.1 分析一

尋找實驗變量（圖2）。

3.2 分析二

實驗應遵循“單一變量”“等量原則”“平行重復”等原則。由于自變量必須遵守“單一原則”，所以自變量的多少也就決定了分組的數量，有多少是對照組，這就是對照設計時分組的依據。從上面分析可以看出，由于有四個自變量的存在，依據單一變量原則，故分析每一個自變量的作用時，其他的多個變量應均作為不變量來對待，故很容易得到本實驗的對照組必須設置四組。同時，由于取材或分組時必須編號，所以綜合起來，最后用語言表述如下：

A組：培養液加入適量的體細胞；

B組：培養液加入等量的體細胞，再加入一定量的W生物制劑；

C組：培養液加入等量的癌細胞；

D組：培養液加入等量的癌細胞，再加入等量適量的W生物制劑。

3.3 分析三

由于實驗操作的最后一步，一般是觀察、記錄或統計、分析（因變量的變化結果）。所以第四小問的操作描述答案就為：經過一段時間后，記錄、統計分析各組細胞的細胞數。

3.4 對以上典型例題歸納總結如下

3.4.1 設置對照組過程：

確認自變量的多少，分多少組——各組恰當編號（字母或甲、乙、丙等）——用恰當的語言（等量、適量）來描述各分組的操作。

3.4.2 設計實驗操作過程的一般步驟

取材/分組編號——對照組的處理（實驗組處理）——無關變量的處理（均在相同條件下，如植物的各組在相同條件下培養）——最后一步操作，“觀察/記錄/統計分析實驗的現象或結果”——實驗結論。

4 學會用精練的語言、規范的表達，進一步提升實驗設計能力

在長期的實踐教學中，教師不斷總結提練出下面一些實驗用語來引領學生，規范其語言表達。

實驗材料取材用語：選取……生長發育（長勢）形態/大小/相同部位的……/相同體積/等量的……

實驗設計中的基本過程用語：

取材、分組、編號——甲組（實驗組）如何外理，乙組（對照組）如何處理（凡加試劑/藥品/溶液，用“等量/適量/相同體積”……）——實驗組，對照組放置在……“相同環境條件下進行‘接種/培養/種植”——經一段時間，“觀察/記錄/統計/檢測”……——預期實驗現象（結果）（用因變量的變化表示）——實驗結論（探究性，若……則……（用自變量對因變量的影響表示且盡量用“名詞概念/原理/結構/功能”來描述）。

總之，在高中生物實驗中，教師要加強對實驗變量的分析，做到嚴格規范、要求，并運用典型例題引領并輔之以學生在具體實驗室的實驗操作體驗，從而實現了強化變量分析，有效突破學生實驗能力發展的瓶頸，學生實驗設計的能力就會有質的提升。