例談高中生物學實驗設計題的教學實踐

朱滿員

(浙江省海鹽高級中學 314300)

實驗設計題是歷年生物學科高考必考題，也是高考中得分率最低、難度值最大的試題。解答好實驗設計題需要學生有很好的理解能力、嚴謹的邏輯思維能力以及較強的表達能力。所以如何做好實驗設計題的教學，也成了高中生物學教師需要不斷探索的課題。

筆者在長期的一線教學中，將實驗設計題的教學思路歸納為：大處著眼，小處著手。大處著眼是“世界觀”，小處著手是“方法論”。通俗地說，大處著眼是“做什么”，小處著手就是“怎么做”。本文以浙江省高考的生物學實驗設計題為例，闡述實驗設計題教學中的“大”和“小”。

1 大處著眼，審讀實驗目的

正確審讀實驗設計題的實驗目的是解決實驗設計題中最重要的“大”，實驗目的審對了，答題方向才會正確。

1.1 審讀實驗類型 即該實驗是探究性實驗還是驗證性實驗。實驗類型不會影響實驗步驟的設計，但會影響實驗結論的預測：如果是驗證性實驗，最后的預測只要求寫出一個應該出現的結果即可。但如果是探究性實驗，則應將所有可能的結果與結論都羅列出來。例如，2011年的實驗設計題，其結果與結論就要書寫成“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?！?/p>

有時不能憑題干判斷是驗證性實驗還是探究性實驗，而是要綜合考慮。例如，2016年的理綜生物學實驗設計題：“欲研究甲狀腺和甲狀腺激素的生理作用，對成年小鼠的分組及處理見下表”。從題干上看，好像可以歸入探究性實驗，但第(2)問中：預測實驗結果(設計一個坐標系,將預測的實驗結果用示意曲線表示)。這表明，實驗結果預測只需呈現一個最可能的就行,那該實驗的類型即為驗證性實驗。同理的還有2010年、2013年、2015年和2016年的理綜生物學實驗設計題?？v觀近8年高考試題，只有2011年考查了探究性實驗，其余考的都是驗證性實驗。研究發現若以圖表形式來預測實驗結果的，多為驗證性實驗；而探究性實驗的結果預測則多用文字表述。

1.2 審讀實驗性質 即定性實驗還是定量實驗。實驗性質主要影響的是對照組的設置。例如，2016年4月的生物學選考題：“為研究某生物制劑(W)具有促進細菌B增殖的作用”，其中自變量是有無W物質，實驗設兩組——對照組不加W，實驗組添加W。而2015年10月的生物學選考題：“欲進行小鼠肝細胞在不同濃度NaCl溶液中發生體積和數量變化的實驗”中，其自變量不再是“有無NaCl溶液”而是“不同濃度的NaCl溶液”，這就需要設置至少三種(低、中、高)濃度的實驗組進行相互對照，根據需要還要設置0濃度的空白對照。

其次，實驗性質還影響到實驗步驟的書寫，定量實驗的第一步往往要從配制不同濃度的被試試劑開始。從實驗設計難度而言，定性實驗簡單，定量實驗復雜些。2010年與2015年10月選考考的都是定量實驗，其余各年份考的都為定性實驗。

1.3 審讀實驗變量 即自變量、因變量和無關變量。若用一次函數y=kx(k為常數且，k≠0)來表示生物學探究實驗的本質，則X相當于自變量，Y相當于因變量，K則為無關變量，實驗的目的就在于尋找和解釋X與Y之間的因果關系。具體地說，自變量(X)是指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件；因變量(Y)則指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。

為了排除偶然性，科學的實驗探究就需要設置對照，一般只允許有一個自變量，這樣才能準確地找出自變量與因變量是否存在因果關系。如果實驗中不止一個自變量，那就需要多設幾個實驗組，但在每一組對照中，只能存在一個自變量，其他的自變量即自動成為無關變量。需要注意的是：不論一個實驗有幾個實驗變量，都應確定一個自變量，檢測一個因變量，這就是單一變量原則，它是處理實驗中復雜關系的準則之一。但在一組對照實驗中的因變量可以不止一個，多個因變量間可存在相關性，但不一定存在因果性。

例如：不同濃度的生長素影響某植物乙烯生成和成熟葉片脫落的實驗，結果如圖1所示。下列有關敘述正確的是(D)

圖1 實驗結果

A．乙烯濃度越高脫落率越高

B．脫落率隨生長素和乙烯濃度增加而不斷提

C．生長素和乙烯對葉片脫落的作用是相互對抗的

D．生產上可噴施較高濃度生長素類似物降低脫落率

另外，在許多實驗中因變量往往無法直接觀測到，就需要設計一種可行的測定方法。例如，衡量小鼠新陳代謝的強弱可用小鼠的耗氧量來表示。衡量酶活性的高低，可用單位酶催化下的酶促反應的底物的消耗量或剩余量來表示。這四者關系可用圖2表示。

圖2 三個變量及與可測指標關系示意圖

1.4 找實驗原理 如果說實驗目的是“做什么”，實驗步驟是“怎么做”，那實驗原理就是“為什么這么做”。實驗原理是實驗設計的理論依據。對實驗原理的考查主要體現在“對實驗結果的分析與討論”中。例如，2011年的“為了探究某物質(X)的作用”，第3問：“實驗中采用3H-TdR的原因是________?！?015年10月選考題“欲進行小鼠肝細胞在不同濃度NaCl溶液中發生體積和數量變化的實驗”，第3問：“①當NaCl溶液濃度大于0.9%時，細胞體積與數量發生的變化及其原因是什么?”2016年理綜生物學題：“欲研究甲狀腺和甲狀腺激素的生理作用”中第3問：“②通過服用放射性131I來檢測甲狀腺功能的依據是________，________。 ”

書寫完整正確的實驗原理要關注兩個方面：①寫清可測指標之所以能反映因變量Y的依據是什么；②寫清驗證實驗時“自變量為什么能決定因變量”。這個“為什么”要么是題干所給的，要么就是教材中的知識。

2 小處著手，規范步驟與表述

2.1 寫實驗步驟 一般的實驗步驟大致分為4步：①取材、分組、編號，前測。取材時對作為實驗對象的材料需要進行簡單的描述，如大小、形狀、數量、體重、性別、發育狀態及健康狀況等。這些需要描述的性狀是屬于無關變量范疇，要求相同且適宜的。然后根據對照實驗的要求均分為若干組，為了之后的表述方便，常將組別編號成ABC或甲乙丙等(若題干要求不分組，則分組編號可省略)。前測則是對因變量的觀察指標進行第一次測定。一般進行前后對照的即實驗結果預測用以時間為橫坐標的曲線圖來呈現的都要有前測環節，否則曲線的起點無法確定。②設置對照。根據實驗目的，分別設置實驗組與對照組。對照的類型可以是空白對照、條件對照、相互對照及自身前后對照。若是題干中要求實驗不分組，則一定是前后對照，時間就成了一個新增的自變量。③在相同且適宜的條件下培養，一段時間后或每隔一段時間進行后測。④處理實驗結果。即寫上“對實驗所得數據進行統計、分析、處理”。

2.2 實驗結果與結論的表述 在教學實踐中，常發現學生不會區分結果與結論。如，題目明確要求預測實驗的結果與結論，學生往往就只寫一個結果或結論，誤以為結果與結論是一樣的。結果與結論的區別在于：前者指可測指標具體測得的數值、顏色變化等，而實驗結論是針對實驗目的而作出的判斷性陳述。實驗結果預測的呈現方式多種多樣，常見的有：文字、曲線圖、柱狀圖和表格等形式。這些形式在歷年的高考中都出現過，所以這成了實驗設計專題教學中重要的內容。

3 隨機應變

每年高考的實驗設計題是“年年相似又年年新”，誰也無法預測下一年的實驗設計將會如何考。所以還需要培養學生在陌生題境中尋找解題思路的能力。其中“任務分解法”是一個不錯的方法。任務分解法是指將項目工作分解成較小的、更易于管理的組成部分的過程。將看似不可能解決的大問題分解成一個個小問題，并從中找到解決問題的方法。

例如，為驗證反射弧的組成與作用，某同學提出了以下實驗思路：取蛙1只，搗毀該蛙的腦，將其懸掛起來。①用1%H2SO4溶液刺激該蛙左后肢的趾端，觀察是否屈腿。②洗去H2SO4，再用1% H2SO4溶液刺激該蛙左后肢的趾端，測量該刺激與屈腿是否同時發生。③分離得到該蛙左后肢的坐骨神經腓腸肌標本，用電刺激直接刺激腓腸肌，觀察其是否收縮。④用電刺激直接刺激上述標本的腓腸肌肌細胞，在坐骨神經上是否能測量到電位變化。(說明：實驗條件適宜；實驗中的刺激強度足夠；屈腿反射屬于屈反射。)請回答：

(1)設計表格，并將預測的實驗結果與結果的原因分析填入表中。

(2)為了驗證屈腿反射中的反射中樞所在部位，在上述實驗的基礎上寫出第⑤項實驗思路。

此實驗題實際上包含了5個驗證性的小實驗，只不過實驗對象都是在同一只小青蛙上而已。每一個小實驗都是前后對照，且都有各自的自變量與因變量。如果能引導學生從這個角度去解構該實驗題，也就不難解決。