加強變量分析，培養高中生生物實驗設計能力

章燕

摘要 “比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗為例，從變量分析入手，以問題串引導學生思考討論，主動參與實驗設計，學會確定變量、控制變量，領悟實驗設計思路和方法，從而有效提高學生的生物實驗設計能力，培養生物科學素養。

關鍵詞 變量分析 實驗設計 生物學實驗

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0030-03

進行實驗設計是開展科學探究的重要組成部分，實驗設計是圍繞所提出的問題進行實驗方案設計的思維過程，有助于培養學生的探究能力和科學思維，促進其學科核心素養的養成。實驗設計的關鍵在于變量的確定及控制。在生物學教學中，學生常因為不能正確地分析變量，所以難以設計出比較完整的實驗方案，進而影響其實驗設計能力的發展。因此加強變量分析教學，幫助學生掌握實驗設計的各種變量及其控制方法，是提高學生實驗設計能力發展的有效途徑。

“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教版高中生物教材中的第一個實驗，教材特別設置了“控制變量”欄目，介紹有關實驗設計的知識，該部分內容是發展學生實驗設計能力、培養學生探究思維和科學素養的良好素材。下面以“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗為例，從加強變量分析的角度探討高中生實驗設計能力的培養策略。

1明確實驗課題，確定變量

確定變量是指明確實驗中的自變量、因變量和無關變量。在自然狀態下，造成某一現象的原因可能很多，也就存在多個變量。只有準確地確定變量，才能具有正確的邏輯推理前提，讓實驗設計有意義地進行下去。一般而言，實驗課題中都包含著自變量和因變量的關系，因此只有在明確實驗課題的基礎上，學生才能很容易確定變量。

在本實驗教學中，教師先創設情境，展示過氧化氫溶液，提出問題：“在哪些條件下可以加快過氧化氫分解？”以問題引導學生回憶其分解過程，調動已有知識基礎，思考、分析并得出結論：過氧化氫在加熱、加入催化劑FeCl3溶液和過氧化酶時均能加快分解，且不同條件下分解速率不同。由此明確實驗課題——比較過氧化氫在不同條件下的分解速率。

教師再提出問題，引導學生思考：自變量是什么？因變量是什么？無關變量是什么？隨后通過圖1幫助學生分析出自變量是“溫度、FeCl3溶液和過氧化氫酶不同條件”，因變量是“過氧化氫的分解速率”。這樣從而使學生認識到自變量為實驗研究對象，因變量是自變量對實驗結果產生的影響，實驗課題中包含著自變量與因變量的因果關系，而無關變量則是除自變量外其他將會對實驗產生影響的因素，如試管的潔凈程度、過氧化氫的用量、反應時間等。

最后，教師引入自變量與因變量、無關變量與額外變量的概念進行歸納總結。學生理解各類變量概念以及變量之間的關系，學會確定變量。

2設置對照實驗，控制變量

控制變量是在確定變量后，構思如何操作自變量、控制無關變量、觀測因變量。一般需要遵循單一變量原則等實驗設計原則，以排除其他因素對實驗的影響，只探究自變量和因變量間的相關性，達到預期的實驗目的，因此控制變量成為實驗設計的關鍵環節。控制變量的通常思維路徑為：先進行實驗分組、操作自變量;再設置對照實驗，控制無關變量;最后，確定觀測因變量的方法。教學中，教師可結合該思維路徑，設計問題串引導學生分析，思考如何設置對照實驗、控制變量。

在本實驗教學中，教師設置問題串進行引導：實驗中應設置幾組實驗？每組實驗作何種不同處理？如何控制無關變量？為什么設計常溫條件下的分解實驗？滴入肝臟研磨液和FeCl3時能否用同一支滴管？FeCl3溶液和肝臟研磨液實驗組應處于高溫還是常溫條件？如何判斷過氧化氫分解的快慢？是考慮過氧化氫的減少量還是氧氣的生成量？如何檢測？

學生在確定變量基礎上，通過自主思考、小組討論，逐步得出控制變量的方法：

①進行實驗分組和操作自變量：自變量為不同分解條件，依據單一變量原則，實驗分成4組，設置常溫、高溫、FeCl3溶液和過氧化氫酶4種分解條件。通過以上分析，學生意識到可根據自變量種類進行實驗分組，再對每組自變量施加不同處理，讓各組形成對照關系。

②控制無關變量：因試管的潔凈程度等無關變量無法對實驗結果產生額外影響，通過設置對照實驗，使除自變量外的其他條件均保持“相同且適宜”，排除其他因素干擾。因此設計常溫條件下的對照實驗，滴入肝臟研磨液和FeCl3時，不能用同一支滴管，體現“相同”原則;在FeCl3溶液和肝臟研磨液實驗組中自變量是FeCl3溶液和過氧化氫酶，而過氧化氫酶在高溫下失活，故兩組實驗處于常溫條件下，排除溫度對實驗的干擾，體現“適宜”原則。通過以上問題討論，學生明白根據單一變量和對照原則等來設置對照實驗，控制無關變量，才能使實驗設計更科學合理，實驗結論更準確可信。

③檢測因變量：判斷過氧化氫分解的快慢可以根據反應物過氧化氫的減少量或生成物氧氣的生成量，根據檢測方法易操作、簡單直觀原則，選擇氧氣的生成量來判斷。而根據氧氣的理化性質，以氣泡產生的數量或點燃衛生香燃燒猛烈程度作為觀測因變量的方法，進而區分因變量和觀察指標。

以上問題串分別對應自變量處理、無關變量控制、因變量觀測的注意事項，學生對問題進行討論分析，逐步得出各變量的處理方法，為接下來設計實驗奠定基礎，促進學生深入思考探究。

3制定實驗方案

在確定變量、控制變量分析后，學生能明白控制哪些變量及如何控制變量，基本形成實驗設計思路。在此基礎上，學生還需要思考選擇最佳實驗思路，圍繞變量將已確定的變量處理方法變成具體的、可操作的實驗步驟，制定科學合理的實驗方案，從而順利地達到預期效果。

課堂中，教師提供實驗器材，鼓勵學生自主設計實驗，小組討論制定實驗方案。同時，教師巡視指導，選取實驗方案展示，并組織其他小組進行討論、補充、修正，確定方案。最后，教師可以選擇用表格的形式（表1）直觀呈現實驗步驟，使學生認識到確定、控制變量與設計實驗之間的關系，促進學生對控制變量的理解和運用，幫助其領會實驗設計思路，提高科學思維能力。

4實驗指導，比較歸納

根據實驗方案，學生分組進行實驗探究。在實驗操作過程中，因滴加試劑量不一致、順序不當、實驗材料新鮮度不同等，會造成實驗結果出現差異。教師應及時引導學生探討分析原因，使學生認識到無關變量控制是否得當會對實驗結果產生影響，體會控制變量的重要性，形成嚴謹的科學態度。

待實驗結束后，各小組記錄實驗結果并填入表1中的觀測因變量欄。教師結合“控制變量”欄目相關內容，進一步提出以下問題引導學生思考討論：試管3、4能否構成對照實驗？若是，請分析其中的自變量、實驗組、對照組等。這兩組實驗對照可以得出什么結論？如果沒有對照組能得出這個結論嗎？試管1、2，試管1、3，試管1、4分別能構成對照實驗嗎？試管1、2、3、4能否構成對照實驗？第一組實驗有什么作用？可否去除第一組？

學生探究分析各組實驗的自變量、因變量，判斷實驗組和對照組，加深對變量等概念的

學生理解運用，逐步完善表2;對比3、4號試管，分析得出“酶具有高效性”;通過兩兩對比，分析歸納得出實驗中涉及到空白對照、條件對照、相互對照三種對照實驗，并知道設計第一組常溫作為空白對照組是為了控制無關變量，使實驗設計更科學、實驗結論更準確，從而深層次理解“對照原則”和“單一變量原則”。因此，通過以上問題的討論，學生不僅理解變量、對照實驗等概念和實驗設計原則，而且學會設置對照實驗，掌握控制變量的方法，形成科學思維。

本案例從變量分析入手引導學生進行層層實驗探究，領悟實驗設計的過程和方法;以問題串方式引導學生層層深入分析思考，掌握實驗設計原則和方法，學會確定變量、控制變量，從而有效提高學生的生物實驗設計能力，培養其自主探究能力，提高生物學學科核心素養。