依據對象和變量 構建定性和定量實驗分組模型

浙江

合理的實驗分組是建立正確實驗思路的前提，對照是實驗控制的手段之一，一個實驗通常需要設置實驗組和對照組，實驗組是指接受實驗變量處理的對象組；對照組也稱控制組，是不接受實驗變量處理的對象組。實驗可根據實驗對象和實驗變量分為單對象單因子實驗、單對象多因子實驗、多對象單因子實驗和多對象多因子實驗四類。定性實驗中的實驗組數量（p）為實驗對象數（a）和實驗變量數（b）的乘積，定量實驗視具體情況再增加個別分組，另外，需要考慮是否設置空白對照組。

1.單對象單因子實驗

單對象單因子實驗的分組，若是不考慮實驗變量梯度的定性實驗，通常將實驗對象均勻分成兩組；若是考慮實驗變量梯度的定量實驗，通常將實驗對象均勻分成三組或多組；其余條件保持相同且適宜，再給予不同的實驗變量處理。此類實驗的分組情況可以用表1 所示模型表示。

表1 單對象單因子實驗分組

【例1】（2019 年4 月，浙江選考卷，第33 題節選 ）欲驗證胰島素的生理作用，根據以下提供的實驗材料與用具，提出實驗思路，預測實驗結果并進行分析。

材料與用具：小鼠若干只，胰島素溶液，葡萄糖溶液，生理鹽水，注射器等。

（要求與說明：血糖濃度的具體測定方法及過程不作要求，實驗條件適宜）

【解析】分析題干信息可知，實驗對象是小鼠，實驗變量是胰島素溶液處理，屬于單對象單因子實驗。在不考慮實驗變量梯度的前提下，從定性角度考慮，定性實驗中實驗組數量（p）=實驗對象數（a=1）×實驗變量數（b=1）=1組，再考慮空白對照，可以分成如下兩組：

組A：對小鼠注射葡萄糖溶液；

組B：對小鼠注射生理鹽水。

2.多對象單因子實驗

多對象單因子實驗是指用同一個實驗變量處理兩個或多個實驗對象的類型。應依據實驗對象進行分組，即分別對不同的實驗對象進行相同的實驗變量處理。該類實驗分組可以先采用單對象單因子實驗分組法，即先對某一實驗對象進行實驗變量處理，然后對其余實驗對象逐個進行相同的實驗變量處理；也可以同時分別處理多個實驗對象，確保各實驗組同時出現實驗結果，便于對比。以3 個實驗對象為例，多實驗對象實驗的分組情況可以用表2 所示模型表示。

表2 多對象單因子實驗分組

續表

【例2】（2017 年，北京卷，第31 題節選）瘧原蟲是一種單細胞動物。它能使人患瘧疾，引起周期性高熱、寒戰和出汗退熱等臨床癥狀，嚴重時致人死亡。

（5）臨床應用青蒿素治療瘧疾取得了巨大成功，但其抗瘧機制尚未完全明了。我國科學家進行了如下實驗。

表3 探究青蒿素對線粒體膜電位的影響

【解析】分析題干信息可知，實驗對象是瘧原蟲的線粒體和倉鼠細胞的線粒體，實驗變量是青蒿素處理，屬于多對象單因子實驗。依據實驗對象進行分組，從定性角度考慮，定性實驗中實驗組數量（p）=實驗對象數（a=2）×實驗變量數（b=1）=2 組，每個實驗對象再考慮不加青蒿素的兩組空白對照實驗，可以分成如下四組：

組A：瘧原蟲的線粒體，不加入青蒿素；

組B：倉鼠細胞的線粒體，不加入青蒿素；

組C：瘧原蟲的線粒體，加入青蒿素；

組D：倉鼠細胞的線粒體，加入青蒿素。

3.單對象多因子實驗

單對象多因子實驗是指實驗對象固定，同時存在兩個或多個實驗變量處理的實驗類型。該類實驗分組可以先采用單對象單因子實驗分組法，對各個變量進行逐一對照處理，然后對各處理所得結果進行綜合分析。常用方法為組A 不做任何處理作為空白對照組，組B 針對實驗變量1 做實驗組處理，組C 針對實驗變量2 做實驗組處理，組D 針對實驗變量3 做實驗組處理，以此類推。若考慮變量之間的復合作用，還需要設置各實驗變量同時處理或先后處理的組E 等，例如組E 為實驗變量1 和實驗變量2 同時處理，組E′為先實驗變量1 處理后實驗變量2 處理，其余以此類推，故此類定性實驗的分組情況為組A、組B、組C、組D 和組E（E′）；同理，相關類型的定量實驗的分組情況做相應改變即可。其中A、B 兩組因實驗變量1 形成對照，A、C 兩組因實驗變量2 形成對照，A、D 兩組因實驗變量3 形成對照，A、E（E′）兩組因實驗變量1 和實驗變量2 的復合作用形成對照，以此類推。該類實驗的分組情況可以用表4 所示模型表示。

表4 單對象多因子實驗分組

續表

單對象多因子的實驗變量之間產生復合作用時，為了簡化實驗，通常省略組A、組B、組C和組D，只保留組E（E′），即用實驗變量1 和實驗變量2 同時處理或先后處理同一實驗對象，觀察實驗變量之間的影響。鑒于實驗對象相同，若實驗變量之間的影響被抵消，可以減少分組數量甚至不分組。

【例3】（2020 年7 月，浙江卷，第30 題節選）欲研究生理溶液中K+濃度升高對蛙坐骨神經纖維靜息電位的影響和Na+濃度升高對其動作電位的影響。請完善以下實驗思路，預測實驗結果，并進行分析與討論。（要求與說明：已知蛙坐骨神經纖維的靜息電位為-70 mV，興奮時動作電位從去極化到反極化達+30 mV。測量的是膜內外的電位變化。K+、Na+濃度在一定范圍內提高。實驗條件適宜）

【解析】分析題干信息可知，實驗對象是蛙坐骨神經纖維，實驗變量是K+濃度和Na+濃度，因此屬于單對象多因子實驗。依據實驗變量進行分組，該題不考慮實驗變量之間的復合作用，從定性角度考慮，定性實驗中實驗組數量（p）=實驗對象數（a=1）×實驗變量數（b=2）=2 組，再考慮每個實驗變量（K+、Na+濃度）分高、低兩種濃度，外加考慮生理溶液a 的空白對照，可以分成如下五組：

組A：蛙坐骨神經纖維+生理溶液a，測量靜息電位和受刺激后的動作電位；

組B：蛙坐骨神經纖維+低濃度K+溶液，測量靜息電位；

組C：蛙坐骨神經纖維+高濃度K+溶液，測量靜息電位；

組D：蛙坐骨神經纖維+低濃度Na+溶液，刺激后，測量動作電位；

組E：蛙坐骨神經纖維+高濃度Na+溶液，刺激后，測量動作電位。

4.多對象多因子實驗

多對象多因子實驗是指實驗中存在兩個或多個實驗對象，并同時存在兩個或多個實驗變量的實驗類型。應同時依據實驗對象和實驗變量進行分組，可以將表2 的“依據實驗對象分組”和表4 的“依據實驗變量分組”進行整合，此類實驗較為復雜，往往分組較多。例如有三個實驗對象和三個實驗變量，若實驗變量處理有梯度變化，實驗變量之間無復合作用，此類實驗分組的情況可以用表5 所示模型表示。

表5 多對象多因子實驗分組

續表

若實驗變量之間有復合作用，亦可參照表4 的“變量之間復合作用”處理方法，對各實驗變量組合逐一處理，但分組數量將大大增加，此類情況在實際考試中較為罕見。

【例4】（2016 年10 月，浙江選考卷，第33 題節選）設水稻細胞與染色劑甲反應呈紅色，小麥細胞與染色劑乙反應呈黃色，大麥細胞與染色劑丙反應呈綠色。現有A、B、C 三瓶不同的細胞懸液，每瓶中可能含有一種或多種上述細胞。欲用染色劑甲、乙、丙鑒別這三瓶細胞懸液中有幾種細胞，請根據以下提供的實驗材料，提出實驗思路，預測實驗結果和結論。

材料與用具：染色劑甲、乙、丙溶液各1 瓶，A、B、C 細胞懸液各1 瓶，試管若干支，顯微鏡。（要求與說明：一種染色劑只與一種細胞產生反應，每支試管中只能加一種染色劑；裝片的具體制作過程不作要求；實驗條件適宜）

請回答：

（1）實驗思路（其中實驗分組用表格形式表示）：

【解析】分析題干信息可知，實驗對象是A、B、C 三種細胞懸液，實驗變量是甲、乙、丙三種染色劑，屬于多對象多因子實驗。依據實驗對象和實驗變量進行分組，不涉及實驗變量間的復合作用，實驗對象和實驗變量需逐一組合，從定性角度考慮，定性實驗中實驗組數量（p）=實驗對象數（a=3）×實驗變量數（b=3）=9 組，由于各實驗組之間相互對照，不需空白對照組，因此可以分成九組，具體如表6 所示。

表6 不同染色劑鑒別不同細胞懸液的實驗分組

綜上所述，定性實驗中實驗分組數量由實驗對象數和實驗變量數的乘積決定。實際操作中，除需要根據具體情況考慮定性分組和定量分組外，還要考慮實驗變量之間是否產生復合作用。縱觀歷年高考的實驗題，出現頻率較高的實驗類型為單對象單因子實驗和多對象單因子實驗，而單對象多因子實驗和多對象多因子實驗由于分組比較復雜，在高考中極為少見，但是真正的科學研究往往需要開展多對象多因子實驗。通過構建上述四類實驗分組模型，可將實驗情境化難為易、化繁為簡，使得實驗思路撥開云霧、柳暗花明，實驗問題駕輕就熟、迎刃而解。