高考“實驗與探究專題”的二輪復習策略

張韶杰

摘要結合近幾年實驗與探究類高考題，總結歸納實驗設計的五個要素和五個原則，為改進實驗教學，發展學生的生物學核心素養提供理論依據和實驗指南。

關鍵詞探究實驗 自變量 因變量 無關變量

中圖分類號G633.91 文獻標志碼B

近幾年的高考試題及新考試說明無不體現出對實驗與探究能力考查的重視程度，與此同時，考生在這類題目上的信心和得分率也是比較低的。究其原因，是學生平時做題時沒有進行及時的總結歸納，對實驗相關理論的學習從高一開始就是支離破碎的。經過高中的學習，學生對這類題目已經有了量的積累，因此，教師可在二輪復習中向學生系統性地講解實驗相關理論。實驗是依據假設，在人為控制條件下，對實驗變量的變化和結果進行捕獲解釋的科學方法。一個實驗可從五個要素、五個原則進行分析。

1假設與假設驗證原則

這是現代科學研究中常用的一種科學方法，即假說一演繹法，可分為發現問題、提出假說、演繹推理、實驗驗證、得出結論五個步驟。學生大多不太理解“演繹”，其實演繹相當于“紙上談兵”，還沒有進行真正的實驗證明。例如，用遺傳圖解推出一個雜交實驗結果就是演繹。假設驗證是科學實驗的必要環節和應遵循的程序準則。孟德爾兩大遺傳定律的發現、摩爾根證明基因在染色體上、甚至整本必修2教材都明顯地貫穿了假說一演繹法。高考也非常重視對假說一演繹法的考查，尤其是在遺傳探究題目中，如2013新課標Ⅱ卷第32題，2014全國I卷第32題，2016全國I卷第32題等。

2變量與單一變量原則

2.1自變量與因變量

人為改變的變量稱為自變量，隨自變量的變化而變化的變量稱為因變量。自變量和因變量是實驗的靈魂所在，抓住了它們就抓住了實驗的大致思路。很多實驗題目的考查，或者直接回答自變量與因變量，如2015全國I卷第29題，2015安徽卷第29題等;或者要求考生在吃透實驗自變量和因變量的前提下，才能準確作答。如“實驗目的”的書寫可規范為“探究（或驗證）某自變量對某因變量的影響”，實驗標題也同樣如此確定。同理，考生可從實驗目的或實驗標題中尋找自變量和因變量，從而把握實驗的大致設計思路。高考中多次出現書寫實驗思路、實驗步驟的題目，如2002全國卷27題、2003新課標卷27題、2017全國I卷第29題等。

這類題目的書寫可按“四步法”進行：材料分組編號（設置對照試驗）、對不同的對象施以不同的處理（控制自變量）、給以相同且適宜的條件（控制無關變量）、實驗結果的觀察與記錄（檢測因變量）。“四步法”并非一定是四個步驟，而是像作文提綱一樣，有助于考生快速地組織簡練的語言作答。

2.2無關變量

除自變量外，實驗過程中可能還會存在一些可變因素，對實驗結果造成影響。之所以稱之為“無關”，不是因為這些量不發生變化或不會影響實驗結果，而是要求在實驗中嚴格控制好這些無關變量，使它們的變化不能干擾自變量的作用結果，即要遵循單一變量原則。

2.3單一變量原則

這是處理實驗中的復雜變量關系的準則之一，有兩層含義：①確保“單一變量”的實驗觀測，即不論一個實驗中有幾個自變量，都應做到一個自變量對應觀測一個因變量，這也符合函數中映射的概念;②確保“單一變量”的操作規范，即實驗實施中除了要觀察的自變量外，其他變量都應當始終保持相同。只有這樣做才能最大限度地避免無關變量的干擾。分析實驗結果得出相應的實驗結論即是對這一原則的考查，如2013新課標Ⅱ卷第29題，2016全國Ⅲ卷第29題，2016全國Ⅱ卷第31題等。分析時，必須堅持單一變量原則，否則會導致分析混亂，所得結論也不科學嚴謹。

3控制與平衡控制原則

控制主要指實驗要嚴格地均衡無關變量，以消除額外變量。實驗中的無關變量一般是無法避免的，這就需要通過平衡控制來抵消它們的影響，盡量消除實驗誤差，以取得較為精確的實驗結果。常用的方法是增設對照組和進行平行重復實驗。教材中多處體現了平行重復實驗的方法，如“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”時對多個樣本的觀察;“性狀分離比的模擬”實驗中分別從兩個桶內隨機抓取一個小球并記下字母組合，重復該步驟50～100次。

4對照與實驗對照原則

除了一個因素其余因素都保持不變的實驗叫對照實驗。對照實驗一般要設置對照組和實驗組。實驗組是接受自變量處理的對象組;對照組也稱控制組，對實驗假設而言，是不接受自變量處理的對象組。理論上，由于實驗組與對照組的無關變量的影響是相等的、被平衡了的，故實驗組與對照組兩者之差異，可以認定為是來自自變量的效果，這樣的實驗結果是可信的。2017全國Ⅱ卷第30題就直接考查了設置對照組的目的：既可排除無關變量的影響，保證實驗結果是由自變量引起的，又可增加實驗結果的可信度和說服力。

對照實驗可分為以下幾種類型。

4.1空白對照

空白對照指不做任何實驗處理的對象組，能明白地對比和襯托出實驗組的變化和結果，增強了說服力。例如，在“探究土壤微生物的分解作用”實驗中，學生往往不理解為何不做處理的土壤組是對照組，而高溫滅菌過的土壤組卻是實驗組。教材中“落葉是在土壤微生物的作用下腐爛的嗎”這句話可看作本實驗的目的，同時也表明白變量為“是否有土壤微生物”。對于土壤中的落葉，存在微生物才是自然狀態，是未處理狀態，故為對照組。

4.2自身對照

自身對照指實驗與對照在同一對象上進行，不另設對照。自身對照方法簡便，關鍵是要理解實驗處理前后實驗對象本身變化的差異。

例如，“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”實驗中每隔一段時間酵母菌的數量就形成了自身對照。又如，在“探究植物細胞的吸水和失水”中，對洋蔥鱗片葉外表皮細胞進行的三次觀察構成了自身對照等。

4.3條件對照

條件對照指雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理不是實驗假設所給定的自變量。設置條件對照，能更充分地說明自變量對因變量的影響。

例如，以蝌蚪為實驗材料，甲組（實驗組）飼喂甲狀腺激素;乙組（條件對照）飼喂甲狀腺激素抑制劑;丙組（空白對照組）對蝌蚪不做任何處理。本實驗的自變量是有無甲狀腺激素，通過比較、對照更能說明實驗變量——甲狀腺激素有促進動物生長發育的作用。又如，艾弗里證明DNA是遺傳物質的實驗中，第三組加入S型菌的DNA和DNA酶也可看作是條件對照。

4.4相互對照

相互對照也叫對比實驗，即設置兩個或兩個以上的實驗組，而不另設對照組，通過對結果的比較分析，來探究某種因素與實驗對象的關系。例如，在“探究酵母菌細胞呼吸的方式”中，需要設置有氧和無氧兩種條件，探究酵母菌在不同O：條件下細胞呼吸的方式。這兩個組的結果都是事先未知的，都可看作實驗組。再如，魯賓和卡門利用同位素標記法探究O：中的氧是來自H20還是COs，赫爾希和蔡斯利用同位素標記法探究噬菌體的遺傳物質是DNA還是蛋白質等。2017全國I卷第29題考查了學生如何設計對比實驗。5捕獲解釋和真實客觀原則

捕獲指捕捉、記錄實驗中的現象和數據，解釋指論證、說明實驗中的自變量與因變量的因果關系，從而得出結論。真實客觀原則是科學實驗所必須遵循的基本準則，即實驗中的捕獲解釋一定要實事求是，使獲取的現象和數據盡可能地反映客觀事物的本來面目。高考對這一原則的考查主要體現在要求學生通過某些實驗數據得出合理的實驗結論，考生所犯錯誤主要集中在主觀臆測、憑空胡謅、片面武斷等，如2016全國I卷第30題，2013新課標Ⅱ卷第29題等。

以上實驗的五個要素和五項原則，是相互聯系、整合為一體的。教材雖然有相關介紹，但較為零散且缺乏更多的實例輔助。在學生己積累了大量實驗類題目的基礎上，教師引導學生對實驗基本理論進行系統性的整理歸納，可以使學生的實驗與探究能力得到質的提升。實驗基本理論的探討，也為改進實驗教學，發展學生的生物學核心素養提供了理論依據和實驗指南。