以變量分析為核心的實驗設計解題建模和指導

王志國

摘 要：生物實驗設計題作為一種經典的高考題型，學生答題結果依然不盡人意。主要原因是學生沒有形成一套連貫完整的變量分析方法。如何幫助學生培養和提高對實驗的分析和解決能力，本文以高考生物實驗設計題為例，介紹筆者在教學實踐中建立的基于“變量分析”的實驗設計解題建模和應用，以供參考。

關鍵詞：變量分析;實驗設計;.教學模型;解題指導

1.建立以“變量分析”為核心的解題模型

實驗設計題是生物高考必考題型，在浙江生物高考卷中的出現實驗設計題更是體現浙江高考命題的特色，在2015的新選考卷中仍延續于今。但學生對這類實驗設計題的答題情況總是丟三落四，總認為都是不小心導致錯誤。從本質看，是學生沒有形成一套針對實驗設計題的科學分析方法。在復習實驗設計時，培養和提高學生的科學思維和方法，如何培養學生從題干信息中獲取有效信息，形成一套完整的有效解決問題的分析方法，讓學生真正學會思考，學會解決問題，是教學的核心目標。生物實驗的各種結果都是由于實驗中的變量引起，而實驗操作時又必須保證控制好無關（額外）變量來觀測實驗結果，基于變量分析法是解決實驗設計的科學方法。縱觀各省歷年高考中出現的生物實驗設計題，都有一套較為固定的命題模式。整個試題都由題干描述、實驗材料和用具、答題要求三部分組成，而在題干文字描述部分，都會出現實驗目的的描述，實驗目的中都指明了本實驗要控制的實驗自變量和因變量，實驗分析和解決能力的培養完全可以從實驗目的展開變量分析。若學生對實驗過程中要施加和控制自變量和無關變量清楚了，要檢測的因變量清析了，就把握了整個實驗設計核心思維了。授以學生以魚，不如授學生以漁，筆者在多年高三復習教學中，針對歷年高考卷中出現的實驗設計題，建構了始于實驗目的的變量分析模型，用于指導學生解題，效果很好，所建模型如下圖所示。

以浙江高考為例，例析以上解題模型在指導學生解題過程的應用;

試題：（浙江高考）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、顯微鏡、血球計數板、蓋玻片。

（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，加入胰蛋白酶，搖勻，取1滴樣液到_______的方格區，蓋上蓋玻片，在________下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）：

2.應用模型指導學生解題教學實踐

2.1尋找實驗目的明確實驗性質

任何一個實驗設計試題的題干文字表述部分中總能找到本實驗的實驗目的，學生在閱讀本題時，不難發現本題中的實驗目的即“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”。從實驗目的表述來看，本實驗就是驗證類實驗，驗證性實驗的實驗結果和實驗結論是可知的，也是明確的，就是促進分裂作用，因此若要把實驗結果畫成坐標圖形，其圖形也是唯一的，也就是加了生物制劑W的實驗組相比對照組都會促進。但若實驗的性質是探究性質，那么生物制劑W的作用就不唯一了，可能促進分裂，可能抑制分裂，也可能無作用;所以把握實驗的性質對實驗結果的預測都有重要的幫助;

2.2確定實驗自變量和分清實驗組數

自變量的確定較為容易，從實驗目的中就可以清晰的確定本實驗的自變量是生物制劑W和不同細胞兩個自變量。但實驗組數的確定往往是學生最困難最易錯之處，實驗組數的精準確定至關重要，組數過多會導致人力物力的浪費，組數過少會引起實驗數據的缺乏可信度而導致結果的不科學性;當然按評分標準來看，組數多了或少了都是不得分的。如何確定實驗的組數呢？從兩個方面考慮，一個是從自變量本身考慮，一個是從提供的材料數量考慮;顯然本題的實驗對象沒有任何的限制，因此本題可分多組。本題從自變量角度分析，為體現對照原則，每個自變量都有實驗組和對照組之分，即同種細胞加入生物制劑W和不加生物制劑W，因此兩個自變量可確定分為四組，即只加體細胞、加體細胞和W、只加癌細胞、加癌細胞和W四組（本題答案）;實驗組數確定了，實驗步驟的書寫就可基本確定。為體現單因子變量原則，所加的一切物質都要體現等量;

2.3推敲實驗的觀測指標和處理

每一個實驗都有觀測指標，實驗觀測指標是記錄實驗數據的重要途徑。如何確定實驗觀測指標呢？其實很簡單，可提示學生認真閱讀題目提供的“實驗材料”這段文字的描述。因為實驗提供的材料和用具中，除了必備的試劑、藥品和實驗中會用到的儀器，如試管、燒杯、量筒等實驗器皿外，一般都會提供本實驗觀測的設備，如顯微鏡或測量儀等設備。就可指導學生思考，提供的設備和實驗的觀測指標之間的聯系，不難就可以推敲出實驗的觀測指標。如本題中的“實驗材料”文字中有“顯微鏡、血球計數板”，顯然實驗的結果就是在顯微鏡下用血球計數板計數細胞的數量。

但實驗觀測指標的測量次數的確定，也是學生犯錯率很高地方。有的實驗需要進行實驗前的測量，施加自變量后再次進行測量，否則最后的測量數據是沒有可信度的。本題中關于細胞數量的計數，開始加入的是等量的細胞，因此沒必要實驗前測，只需培養一段時間后再測就可。解決這類問題的有效方法就是收集針對本類的近年各省的高考試題，請學生根據不同的實驗情境確定觀測次數訓練，可顯著提高學生對此類問題的敏感度。

此外，若一個組內實驗對象有多個，還需對觀測數據進行平均值處理，提高數據的準確度。如果試題要求測量隨時間變化情況，還需對同一組實驗對象進行間隔時間多次測量獲得過程變化數據。獲得實驗全部數據后，都需要對實驗數據進行整理統計分析比較得出結論;

3.依托變量分析的實驗步驟語言表述

根據以上的分析，相信學生對整個實驗設計的核心和細節問題都會比較清楚，對學生書寫實驗步驟的書面表達能起到指向性較強的指導作用。實驗步驟的安排順序其實就是實驗變量分析的過程，有一般的規律性可循?，F將實驗步驟的書面表達過程模式總結如下：

第一步：取材、分組、編號、實驗前觀測;（取材時注意平行對照原則，實驗的組數依據材料和變量而定，編號最好不要用阿拉伯數字以免和步驟號碼混淆，看清是否需要實驗前觀測記錄現象）

第二步：施加控制實驗變量;（根據分組情況對不同的組別進行實驗變量的施加和控制，并注意等量原則）

第三步：培養、觀測、記錄;（寫清楚應在相同且適宜的培養條件和實驗的具體觀測指標）

教學過程可提供幾個具有代表性的實驗，進行學生自主書寫實驗步驟的書面表達訓練，對學生的書寫情況，利用高拍儀即時評價提出不規范之處，并進行逐步分析評價要點是否到位。

4.本模式教學中存在的問題及反思

在使用本模式組織教學時，學生的分析過程仍有些零亂，因為即時改變學生的思維習慣有些難度。在教學過程中，可設計學生活動，邀請學生同伴互助合作，針對實驗進行分析互相點評，效果更加顯著。在學生訓練中幫助學生自主總結簡化的思維要點，思維要點總結如下，一找自變量，知道自變量控制方法;二定實驗的組數;三找因變量，推測因變量的觀測方法，要不要實驗前測量;四明了探究還是驗證，知道結果預測有幾種。按以上四要點來整體把握實驗設計的要點和細節，教學實踐證明更能有效指導學生實驗設計。5C8F148E-E448-4D93-B607-8796433F5E33