例析高中生物實驗設計題的解題策略

桂威

近幾年高考中，生物試題對實驗設計的考察愈加重視。考試大綱要求考生在理解實驗目的、原理、方法的基礎上，運用實驗設計的方法和技能解決真實問題;高考評價體系也引導我們，生物學作為自然科學類學科，實驗設計能力是實踐操作能力群的考察重點。筆者在研究近幾年高考實驗設計題的基礎上，通過對一些題目的整理和改編，總結了這類題型的一般解題步驟和策略。

一、明確實驗目的

實驗設計要解決的首要問題，是判斷實驗的類型：這是一個探究性實驗還是驗證性實驗？這兩類實驗的根本區別是有無先給出明確的實驗結論，而不能機械地尋找“探究”“驗證”等詞來確定實驗類型。

對于探究性實驗，它要根據現有的科學事實、理論，判斷、探究未知生物學新問題，可能存在多種假設與結論。如2017年全國Ⅰ卷第29題，要求用給定的材料和方法確定一種新病毒的類型。結合題干中對病毒分類方法的說明，可知其本質是“探究”該病毒遺傳物質是DNA還是RNA，因此這是一個探究性實驗。

對于驗證性實驗，它要驗證、證明已知的生物學事實，因其結論是已知的，故不存在假設。如2019年全國Ⅰ卷第29題，題目首先就給出了“干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的”這個科研結論，所以這是一個驗證性實驗。它的創新之處在于結論采用“不是……，而是……”的形式，兩個分結論均需要驗證。

二、理清實驗變量

理清實驗的三種變量及其相互關系，是做好實驗設計題的關鍵。實驗變量可以根據題目內容分析確定，多數直接來自實驗目的，有些隱含在實驗原理中。“拆開”實驗情境的包裝后，應以實驗目的為方向，排除無關變量的影響，搭建自變量通向因變量的橋梁。有多組對照的實驗中，根據研究因素的不同，自變量和無關變量還可以相互轉換。

例1 （2010年天津卷第8題改編）某生物興趣小組取小鼠若干只，手術切除它們的垂體和胰腺，一段時間后將其隨機均分為四組，分別注射相關激素及生理鹽水，結果如下圖。

（1）請為他們的實驗探究擬定課題名稱：_____________。

（2）每次注射不同激素時應按小鼠當時體重乘以單位體重注射量計算，同種激素注射量應保證比例_____________。本實驗的無關變量還有：_____________（答兩點）。

分析：該實驗結果用坐標曲線圖的形式呈現，找準各組對應的變量及其相互關系后，實驗目的可概括為“探究自變量對因變量的影響”。改編后設置的幾個小問題，著重考察對實驗目的的理解，以及對實驗變量的控制。課題的名稱擬定，就是根據實驗目的簡潔、準確地表述研究的具體問題。控制實驗變量，一要注意取材的隨機性與科學性，二要遵循實驗設計的對照原則與單一變量原則。

答案：（1）探究胰島素和生長激素對小鼠生長（體重）的影響; ?（2）相同且適宜 ?小鼠品種、健康狀況、日齡（飼養天數）、藥物注射天數等（任寫兩點，合理即可）。

三、明晰實驗原理

實驗原理是設計實驗的理論依據，它來自題干的提煉總結或者學科基本知識，往往也是對課本的遷移運用。我們需要明晰兩個方面的原理：一是自變量對因變量的具體影響，這就需要結合實驗情境與相關生物學知識分析其影響的過程及結果;二是因變量的觀察與檢測，也就是在實驗材料、方法等的選取時就要明晰實驗結果檢測的方法與原理。

例2（2019年全國Ⅲ卷第29題改編）植物主要以銨態氮（NH4+）和硝態氮（NO3-）的形式吸收氮元素。已知當營養液中同時存在NH4+和NO3-時，作物甲對其中一種離子的吸收量大于另一種。請設計實驗驗證植物甲的這種偏好性，要求簡要寫出實驗思路。

分析：首先，實驗目的與其說是“驗證”作物甲對NH4+和NO3-的吸收具有偏好性，不如說是“探究”該作物對這兩種離子的吸收有無差別，這樣在實驗設計與結果預測上更方便、直觀;然后，要對同一營養液中NH4+和NO3-的吸收進行實驗，營養液的配制（以NH4NO3為唯一氮源）和對照組的設置（組內相互對照與自身對照）是關鍵;最后，要判斷作物對一種離子的吸收量比另一種多，直接檢測植物體內相關離子或其合成產物的含量均不科學，實驗結果檢測的方法及其原理也是動筆之前需要考慮清楚的。

答案：實驗思路：將作物甲培養在以硝酸銨（NH4NO3）為唯一氮源的營養液中，一段時間后檢測并比較營養液中NH4+和NO3-剩余量。

四、條理書寫實驗過程

完整的實驗過程一般包含以下步驟：取材—分組編號—設置對照—條件處理—觀察記錄。實驗設計題一般重在方法和思路，書寫時可以將其中一些步驟精簡合并，使答案簡潔而層次分明。

1.取材

題目中如果給定了部分材料和用具，這對解題往往是思路的提示，也是方法的限制;如果需要自主選擇，關鍵材料往往是重要采分點;遺傳實驗設計中甚至要結合實驗目的，通過雜交等方法創造、選擇合適的實驗材料。

2.分組編號

根據實驗中的變量，將實驗材料和用具隨機均分為若干組，并編號標記。如將長勢相同的植物材料，年齡、體重相同的實驗動物，或者多支相同且干凈的試管等分組編號。

3.設置對照

根據實驗變量設置對照，施加自變量為實驗組，不施加自變量為對照組;根據實驗目的和材料，除了常見的空白對照外，有時候可以采用相互對照或者自身對照。

4.條件處理

將設置對照后的各組材料，在相同且適宜的條件下進行處理。除自變量不同外，要控制好無關變量的條件。

5.觀察記錄

選擇科學而明顯的觀測指標，觀察實驗現象，記錄實驗數據。

五、準確匹配結果與結論

1.預期實驗結果

實驗結果是實驗中所觀察和記錄的現象、數據等，考場上學生是根據現有知識和經驗預期實驗結果。實驗設計中應選用簡潔直觀、現實可行的方法，這樣實驗結果更加明顯、準確。

2.得出實驗結論

實驗結論是分析實驗現象和結果后推導得出的普遍事實或規律。驗證性實驗可對應實驗目的和唯一結果，概括提升后作出唯一肯定性結論;探究性實驗可根據不同條件和對應結果，采用“若……則……”的形式分類來寫。

【注：本文系廣東省教育科研“十三五”規劃課題“新高考背景下利用生物原創試題培養學生高階思維能力的研究”（課題編號：2016YQJK067）的研究成果。】

責任編輯 ? ?黃博彥