基于科學(xué)思維的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題解題對(duì)策與方法

柳軍

摘 要：以高中生物學(xué)典型實(shí)驗(yàn)題型為載體，概括出辨析驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)的基本方法，闡明了確立實(shí)驗(yàn)自變量、控制實(shí)驗(yàn)無關(guān)變量、觀測(cè)實(shí)驗(yàn)因變量的要點(diǎn)和技巧，歸納了實(shí)驗(yàn)題的常見設(shè)問類型與三種實(shí)驗(yàn)變量的關(guān)系，總結(jié)出高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題的解題對(duì)策與方法。

關(guān)鍵詞：高中生物;實(shí)驗(yàn)題;解題對(duì)策與方法

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作與考查，能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流與討論等科學(xué)探究能力，也能夠通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用演繹與推理、模型與建模、歸納與概括等科學(xué)思維方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象、規(guī)律及本質(zhì)，進(jìn)而培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。因此，在高中生物學(xué)教學(xué)與評(píng)價(jià)，特別是全國(guó)各省市歷年的高考生物試題中，實(shí)驗(yàn)題的設(shè)置，不但能充分體現(xiàn)高中生物學(xué)課程的學(xué)科特點(diǎn)和育人價(jià)值，而且能夠考查學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展水平。筆者通過對(duì)典型“高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題”（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)題”）的分析與比較，概括出了高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題的解題對(duì)策與方法，希望對(duì)高中廣大師生有所幫助。

一、典型例題及解析

某生物興趣小組通過查詢資料得知，人體腎小球發(fā)生病變時(shí)，會(huì)患腎小球腎炎，該病患者尿液中含有蛋白質(zhì)?，F(xiàn)提供質(zhì)量濃度為0.01g/mL的CuS04溶液、0.05g/ml的CuS04.溶液、0.1g/ml的Na0H溶液、雞蛋清水溶液（含蛋白質(zhì)）、清水、某腎小球腎炎患者的尿液、試管和必需的實(shí)驗(yàn)用品。請(qǐng)幫助該興趣小組從中挑選指定濃度的試劑來設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質(zhì)。要求寫出實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

【解析】實(shí)驗(yàn)原理：雙縮脲試劑能與蛋白質(zhì)發(fā)生顏色反應(yīng)出現(xiàn)紫色。方法步驟：①取3支試管分別標(biāo)號(hào)為甲、乙、丙。②向甲試管中加入2ml清水，乙試管中加入2ml雞蛋清水溶液、丙試管中加入2ml腎小球腎炎患者的尿液;③向甲、乙、丙三支試管中分別加入2ml0.1g/ml的NaOH溶液，搖勻;再分別滴加3—4滴0.01g/ml的CuSO4溶液，搖勻，在溫度等環(huán)境條件適宜且相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。④觀察并記錄三支試管中液體顏色變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：甲試管中液體變?yōu)樗{(lán)色，乙和丙試管中液體均出現(xiàn)紫色。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質(zhì)。

【引申】將上題中“證明腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質(zhì)”變?yōu)椋骸白C明腎小球腎炎患者的尿液中是否含有蛋白質(zhì)？”要求寫出實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)假設(shè)、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

引申題的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和原題解析完全相同，但與原題相比較：第一，原題的設(shè)問中沒有實(shí)驗(yàn)假設(shè)，而引申的題目中有，且實(shí)驗(yàn)假設(shè)有兩種：假設(shè)一“腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質(zhì)”;假設(shè)二“腎小球腎炎患者的尿液中不含有蛋白質(zhì)”。在作答時(shí)，只答其中的一種假設(shè)即可。第二，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表述不同，引申題目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：若甲試管中液體沒有出現(xiàn)紫色，乙和丙試管中液體均出現(xiàn)紫色，則證明腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質(zhì)。若甲和丙試管中液體沒有出現(xiàn)紫色，而乙試管中液體出現(xiàn)紫色，則證明腎小球腎炎患者的尿液中不含有蛋白質(zhì)。

二、自變量、無關(guān)變量、因變量等實(shí)驗(yàn)變量的辨析

實(shí)驗(yàn)過程中的變化因素稱為變量。其中人為控制的對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行處理的因素叫作自變量，上述實(shí)驗(yàn)中向試管中加入清水、雞蛋清水溶液、腎小球腎炎患者的尿液三種不同的液體屬于自變量。因自變量改變而變化的變量叫作因變量，上述實(shí)驗(yàn)中試管中液體顏色就是因變量。除自變量外，實(shí)驗(yàn)過程中還存在一些對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的可變因素，叫作無關(guān)變量，如上述實(shí)驗(yàn)中清水、雞蛋清水溶液及腎小球腎炎患者的尿液三種不同液體的量均為2ml，三支試管中都加入2ml0.1g/ml的NaOH溶液、3—4滴0.01g/ml的CuSO4溶液、反應(yīng)時(shí)間、溫度等無關(guān)變量都保持一致。

三、實(shí)驗(yàn)類型的辨析

通過對(duì)上述原例題和引申例題的設(shè)問及解答的分析、比較不難看出：原例題和引申例題是兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)，其中原例題為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)類型，而引申例題為探究性實(shí)驗(yàn)類型。結(jié)合這兩道例題，對(duì)這兩類實(shí)驗(yàn)的不同點(diǎn)和相同點(diǎn)概括如下：

通過以上兩道例題的分析和表格的比較可以看出：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)的最主要區(qū)別是實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表述不同。

四、實(shí)驗(yàn)題中幾種常見設(shè)問類型的解題對(duì)策與方法

這里僅對(duì)高考中考查頻率較高的四種設(shè)問類型，如“實(shí)驗(yàn)課題名稱的確立”“實(shí)驗(yàn)步驟”“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路”“實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論”的解題對(duì)策與方法進(jìn)行歸納與概括。

（一）實(shí)驗(yàn)課題名稱的確立

例如：“在用赤霉素促進(jìn)某植物枝條長(zhǎng)高的實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)枝條長(zhǎng)高情況不一，分析其原因，認(rèn)為可能與赤霉素的濃度有關(guān)。請(qǐng)據(jù)此擬定一個(gè)相關(guān)研究的課題。要求寫出課題名稱及相關(guān)研究中的觀察指標(biāo)和影響這一指標(biāo)的因素”。

課題名稱為“探究赤霉素濃度對(duì)該植物枝條長(zhǎng)高的影響”，觀察指標(biāo)為“枝條長(zhǎng)高程度”，影響這一指標(biāo)的因素為“赤霉素濃度”。其中“赤霉素濃度”為實(shí)驗(yàn)的自變量，“枝條長(zhǎng)高程度”為實(shí)驗(yàn)的因變量。因此，課題名稱的解題對(duì)策與方法是：只需用最簡(jiǎn)潔的語言表述清楚自變量與因變量的關(guān)系即可，通常不涉及無關(guān)變量。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)

首先要確立自變量，其中對(duì)照實(shí)驗(yàn)的自變量必須遵循單一變量原則，如上述例題中單一變量為加入試管中的“清水、雞蛋清水溶液和腎小球腎炎患者的尿液”這一項(xiàng)，其中清水組和雞蛋清水溶液組分別為對(duì)照組，腎小球腎炎患者的尿液組為實(shí)驗(yàn)組，此實(shí)驗(yàn)屬于對(duì)照實(shí)驗(yàn)。自變量確定后，該實(shí)驗(yàn)分幾組也就確定了。

其次要強(qiáng)調(diào)無關(guān)變量，無關(guān)變量可用“適宜且相同”五個(gè)字概括，通常包括適宜且相同的實(shí)驗(yàn)取材、試劑用量以及環(huán)境條件（如反應(yīng)時(shí)間、溫度等）三方面，如上述例題中“清水、雞蛋清水溶液和腎小球腎炎患者的尿液均為2ml;向甲、乙、丙三支試管中分別加入“2ml 0.1g/ml的NaOH溶液，搖勻;再分別滴加3—4滴0.01g/ml的CuSO4溶液，搖勻”等均為無關(guān)變量。

最后要提及因變量，如上述例題中“觀察并記錄液體顏色變化”為因變量。因變量實(shí)際上就是“實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象”。因此，實(shí)驗(yàn)步驟的解題對(duì)策與方法是：首先要確立自變量，其次要強(qiáng)調(diào)無關(guān)變量，還要提及因變量，三者缺一不可。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的表述

例如：將雞的新鮮肝臟研磨成勻漿，過濾后得到提取液。取6支試管1和1’（甲組）、2和2’（乙組）、3和3’（丙組）。在1，2，3號(hào)試管中分別加入等量的H2O2溶液;1’，2’，3’號(hào)試管中分別加入等量的新鮮肝臟研磨勻漿提取液。將甲組、乙組、丙組中的液體分別調(diào)整到pH為2，7，12。一段時(shí)間后，在常溫下分別將1和1’中液體混合均勻，2和2’中液體混合均勻，3和3’中液體混合均勻。觀察發(fā)現(xiàn)：乙組中氣泡的產(chǎn)生速率最快且使帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃劇烈，而甲、丙兩組幾乎無氣泡產(chǎn)生且?guī)Щ鹦堑男l(wèi)生香不復(fù)燃。

以上實(shí)驗(yàn)的三種處理pH不一定是肝臟研磨液中H2O2酶促使H2O2分解的最適pH。你怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)才能確定最適pH？（只要求寫出設(shè)計(jì)思路）

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路為：“在pH為1和12之間每隔一定pH設(shè)置一個(gè)實(shí)驗(yàn)組，其他實(shí)驗(yàn)條件保持一致。以氣泡的產(chǎn)生速率及帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃程度為指標(biāo)確定最適pH”。其中“pH為1和12間的pH梯度”為實(shí)驗(yàn)的自變量，“氣泡的產(chǎn)生速率及帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃程度”為實(shí)驗(yàn)的因變量，“相同的溫度等實(shí)驗(yàn)條件、各組試管中分別加入相同且等量的反應(yīng)液”為實(shí)驗(yàn)的無關(guān)變量，搞清楚這三個(gè)實(shí)驗(yàn)變量及關(guān)系后，用準(zhǔn)確的語言文字加以表述即可。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的解題對(duì)策與方法是：關(guān)鍵要表述清楚自變量與因變量的關(guān)系，提一下無關(guān)變量即可。

以上三種類型實(shí)驗(yàn)題的設(shè)問，在解答時(shí)通常不考慮該實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性還是探究性實(shí)驗(yàn)。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

這是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)的最主要區(qū)別，是考查學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)的有效手段，所以是全國(guó)各省市歷屆高考生物實(shí)驗(yàn)題中考查頻率最高的問題之一，對(duì)這兩類問題的解題對(duì)策與方法，分析歸納如下。

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

由于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已知，實(shí)驗(yàn)結(jié)論一定，所以只需從題干中找出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，再通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象即可。如上述原例題，實(shí)驗(yàn)結(jié)論就是題干中的“腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質(zhì)”，由此可推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：加“腎小球腎炎患者的尿液”的試管中，液體遇雙縮脲試劑變?yōu)樽仙?/p>

2.探究性實(shí)驗(yàn)

由于結(jié)果未知，結(jié)論多種，故只有合理分析推理，才能準(zhǔn)確作答。例如：某雌雄異株植物，已知高莖對(duì)矮莖為顯性，控制高莖的基因?yàn)锳，控制矮莖的基因?yàn)閍。現(xiàn)有純合的高莖和矮莖植株若干，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“控制高莖/矮莖的基因A/a，是位于常染色體上還是X染色體上”（要求寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出相應(yīng)的結(jié)論）。

分析推理：從題干不難看出，此實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果未知，實(shí)驗(yàn)結(jié)論只有兩種，即控制高莖/矮莖的基因A/a，位于常染色體上和X染色體上。假設(shè)控制高莖/矮莖的基因A/a位于常染色體上時(shí)，選取純合的♀矮莖（aa）和♂高莖（AA）親本雜交，F(xiàn)1全為高莖（Aa）;同理，假設(shè)控制高莖/矮莖的基因A/a位于X染色體上時(shí)，選取純合的♀矮莖（XaXa）和♂高莖（XAY）親本雜交，F(xiàn)1中♀全為高莖（XAXa），♂全為矮莖（XaY）。

錯(cuò)誤解答：選取純合的♀矮莖和♂高莖親本雜交，若控制高莖/矮莖的基因A/a位于常染色體上，則F1全為高莖;若控制高莖/矮莖的基因A/a位于X染色體上，則F1中♀全為高莖，♂全為矮莖。顯然該解答將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論的因果關(guān)系搞反了。

準(zhǔn)確解答：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路為“選取純合的♀矮莖和♂高莖親本雜交，觀察F1植株與莖高矮相關(guān)的表現(xiàn)型及比例”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的結(jié)論為“若F1全為高莖，則控制高莖/矮莖的基因A/a位于常染色體上;若F1中♀全為高莖，♂全為矮莖，則控制高莖/矮莖的基因A/a位于X染色體上”。

探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論的解題對(duì)策與方法是：先從實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析入手，確定共有哪幾種實(shí)驗(yàn)結(jié)論，再根據(jù)每種實(shí)驗(yàn)結(jié)論分別推出相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象。特別要注意：作答時(shí)一定要先寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象，后寫得出的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即按“若xx實(shí)驗(yàn)結(jié)果，則xx實(shí)驗(yàn)結(jié)論”的方式書寫。

結(jié)束語

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)題的考查，最能體現(xiàn)普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）的基本理念，也能很好地考查學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)思維等生物學(xué)核心素養(yǎng)，是今后高考考查的重中之重，因此，在平時(shí)的教學(xué)中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)與探究能力的培養(yǎng)，注重科學(xué)思維的訓(xùn)練;在評(píng)價(jià)方面，要倡導(dǎo)以“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”的實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)。要授人以魚，更要授人以漁！

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]普通高中教科書：生物學(xué)：必修1分子與細(xì)胞2019年6月第1版[M].人民教育出版社.

本文系2019年度寧夏哲學(xué)社會(huì)科學(xué)（教育學(xué)）規(guī)劃項(xiàng)目課題“寧夏學(xué)科名師工作室建設(shè)個(gè)案研究”，課題批準(zhǔn)號(hào)19XNJB09。寧夏第五屆基礎(chǔ)教育教學(xué)課題 “極課大數(shù)據(jù)在中學(xué)生物教學(xué)中有效應(yīng)用的實(shí)踐研究”，課題批準(zhǔn)號(hào)JXKT-SW-05-002。

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