淺析驗證性實驗設計表述題的解答策略

廣東 王 定

(作者單位：廣東省東莞外國語學校)

《中國高考評價體系說明》提出，對于自然科學類學科而言，實驗設計能力、動手操作能力是實踐操作能力群中的考查重點。然而實驗設計題學生們普遍得分率較低，大部分高中生的生物學實驗探究和科學思維能力較弱。現筆者以幾道高考題為例，介紹典型的驗證性實驗設計的解答技巧及培養學生強化驗證性實驗設計題型的策略。

生物學的選拔性考試試題常常以“情境”作為載體，讓學生在真實的背景下發揮核心價值的引領作用，運用必備知識和關鍵能力去解決實際問題。

1.驗證性實驗填空題型答題策略——化繁為簡，將文字轉換為實驗流程圖

【例1】(2021年，廣東卷，第19題節選)人體缺乏尿酸氧化酶，導致體內嘌呤分解代謝的終產物是尿酸(存在形式為尿酸鹽)。尿酸鹽經腎小球濾過后，部分被腎小管細胞膜上具有尿酸鹽轉運功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收，最終回到血液。尿酸鹽重吸收過量會導致高尿酸血癥或痛風。目前，E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風的常用臨床藥物。為研發新的藥物，研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進行了研究。給正常實驗大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制劑，獲得了若干只高尿酸血癥大鼠，并將其隨機分成數量相等的兩組，一組設為模型組，另一組灌服F設為治療組，一段時間后檢測相關指標，結果如圖1所示。

圖1

(3)與空白對照組(灌服生理鹽水的正常實驗大鼠)相比，模型組的自變量是________。與其他兩組比較，設置模型組的目的是________。

(4)根據尿酸鹽轉運蛋白檢測結果，推測F降低治療組大鼠血清尿酸鹽含量的原因可能是________，減少尿酸鹽重吸收，為進一步評價F的作用效果，本實驗需要增設對照組，具體為________。

這是一道典型的“學習探究情境”題。情境源于真實的研究過程或者實際的探索過程，學生在解決這類情境問題時，必須啟動已有的知識開展智力活動，綜合運用知識和能力解決問題。學生在審題的過程中發現此題文字內容多、實驗設置組數復雜、專業術語表達較多，整體讓學生覺得情境陌生。在回答第(3)(4)問的過程中，大部分學生對模型組、實驗組等關系模糊，因此建議學生首先將題中的文字轉變為實驗流程圖(圖2)。

圖2

隨后再根據第(3)問的設問，補充完善實驗過程(用虛線表示，如圖3)。

圖3

自變量是指可以人為操縱改變的實驗變量，故從圖3可知，模型組的自變量處理是尿酸氧化酶抑制劑；空白對照組指常態下的一組，即健康的小鼠。題干設問要求“與其他兩組相比”，因此模型組與空白組對照，可確定高尿酸血癥動物模型是否構建成功；模型組與治療組對照，則可以比較評估F的降尿酸效果。

而第(4)問，從實驗圖中可知，轉運蛋白與血清尿酸鹽的含量呈負相關，故可以推測F降低尿酸鹽的機理。最后一空要求評價F的療效，則要綜合本實驗的研究目的“為研發新的藥物，研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進行了研究”與題干信息中“E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風的常用臨床藥物。”推知需要增設陽性對照：給模型大鼠灌服E(圖4)。

圖4

本題實際考查“生境熟知”，可利用實驗設計的單一變量原則來解決實際問題。明確實驗過程中的兩個重要變量：自變量及因變量。單一變量原則使實驗結果與單一變量之間形成一一對應關系，便于觀察實驗結果，以分析實驗結果是由哪種因素造成的。流程圖可以使自變量及因變量之間的對應關系一目了然，結合實驗目的后便可正確作答。

因此，明確自變量是解答驗證性實驗設計試題的重點，它須以實驗目的和假設為依據，具有可變性和可操作性。高考還有一種常見的驗證性實驗的考查方式，它往往要求寫出實驗思路及預期結果。對于這種題型，可以采用以下策略解題。

2.驗證性實驗書寫實驗思路類題型答題策略

2.1抓核心，尋“題眼”，把握自變量

明確實驗變量是實驗設計類試題的重點。常見的確認實驗自變量的方式有兩種：一是直接從實驗目的中獲取。實驗課題一般可以描述或轉化為“……對……的作用或影響”或者是“……是……”格式。在“對”或者“是”之前的中心詞就是實驗的自變量，如“探究加酶洗衣粉的最適溫度”實驗中，不同溫度就是自變量。二是通過實驗組和對照組之間的關系推出實驗自變量。

【例2】(2019年，全國卷Ⅰ，第29題節選)將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理，該植物根細胞中溶質濃度增大，葉片中的脫落酸(ABA)含量增高，葉片氣孔開度減小，有研究表明：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。

(3)請以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料，設計實驗來驗證這一結論，要求簡要寫出實驗思路和預期結果。

【學生誤區】瀏覽題目后，學生往往快速判斷出“ABA的有無”為自變量，與題目中的“ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株和正常植株”剛好對應。因此學生選擇這兩種植株，在干旱條件下設計分組實驗。但是忽略了題干的要求，即以ABA缺失突變體為材料。

教師引導學生進行變量分析：審題后鎖定實驗對象，確定圍繞“ABA缺失突變體”設計實驗。根據實驗目的中的關鍵詞“……不是‘缺水’……而是‘由ABA引起’……”再根據題干信息“水分正常”“干旱處理”，初步判斷本實驗首先需排除“缺水”造成的氣孔開度減小，再在干旱的情況下，設計“有無ABA”再觀察實驗結果。因此，本實驗的自變量有“是否缺水”及“有無ABA”。綜上，可利用減法原理操縱實驗變量“是否缺水”。因給定實驗對象“不能合成ABA”，故利用加法原則設計“ABA的有無”。

利用簡單的文字和箭頭，呈現實驗流程，如圖5。

圖5

確定正確的自變量，根據實驗目的確定因變量——氣孔的開度，遵循實驗設計的對照原則(空白對照)，根據簡圖，文字描述其實驗思路。

此外，把握自變量后，本題的實驗設計還可采用自身前后對照的思路來設計：取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經干旱處理后，再測定氣孔開度。將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進行ABA處理，另一組作為對照組，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。

2.2觀現象，測結果，點睛“因變量”

因變量是實驗研究是否成功的證據，應具有可測性和客觀性，但某些物質轉化的實驗由于實驗結果不能通過視覺、嗅覺直接判斷，需要利用相關化學原理進一步明確檢測實驗結果。基于此，例2的預期結果是干旱處理前后氣孔開度不變。ABA處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。

培養學生確認和操作實驗因變量的方式有以下幾點。

一是直接從實驗目的中獲取。實驗課題一般可以描述或轉化為“……對……的作用或影響”或者是“……是……”格式。在“對”或者“是”之后的內容即為因變量，如“探究加酶洗衣粉的最適溫度”實驗中，洗滌效果即為因變量，觀測指標是“相同時間內污物去除效果”或者是“污物完全除盡所需的時間”。

二是根據實驗原理來確定并對因變量進行觀測。如“探索溫度對淀粉酶活性的影響”實驗中，不能用感官直接觀察因變量——酶活性的變化，故只能利用酶的理化性質借助相關的顯色反應來判斷因變量的變化。淀粉酶可將淀粉分解為葡萄糖，故酶活性的高低可用化學反應的速率來衡量。因此，因變量的觀測指標是通過淀粉的減少量或者葡萄糖的增加量來確定，但檢測產物葡萄糖所用的斐林試劑需在加熱條件下進行，會影響到自變量“不同溫度”下淀粉酶的催化效果，故因變量檢測指標應選擇碘液，利用藍色的深淺來判斷反應物(淀粉)剩余量的變化。

2.3保變量，正確處理無關變量

在實驗過程中，還會存在一些可變因素對實驗結果造成影響，即無關變量。在對照實驗中，為了保證實驗結果的產生只與自變量有關，無關變量都應當始終保持相同，這樣觀測指標即“因變量”才是唯一需要關注的。在具體探究實驗表達中，可用如下方式來描述，如“選擇長勢一致、大小相同的同種植物隨機等量分組”“選擇生理特征相似、健康狀況一致、性別相同的同種動物隨機等量分組”“在相同且適宜的條件下培養一段時間/反應相同時間”等。

對近幾年各地高考真題進行分析后，筆者發現設計驗證性實驗書寫實驗思路是常考題型，此類題型考查學生理解能力、分析能力、綜合能力、收集及處理信息能力、邏輯思維能力、語言文字表達能力等，掌握此類題型答題模式可以有效提高應考技巧。實驗思路關注的是自變量、因變量的確定以及因變量的觀測指標。隨后根據實驗原理選擇實驗材料，最后合理描述即可。實驗思路簡化描述為分組+自變量+觀測因變量。

2.4重回“目的”，寫預期，下結論

實驗預期大都隱含在“實驗原理”中，這類試題需要學生運用已有的理論知識或試題給出的信息去判斷、分析和預測實驗的可能結果，一般是從已知推測未知。但針對驗證性實驗，如2019年全國卷Ⅰ第29題(3)中實驗目的是驗證“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”，故這類實驗是基于實驗來驗證某結論的準確性，其預期結果與實驗目的一一對應。

在高三的復習過程中，培養學生書寫設計驗證性實驗的思路或者步驟時應當注意選題，要以問題情境為載體，加強對基本概念、原理、思想方法的引導；也要注意不同知識內容間的聯系，考查學生綜合運用知識和能力的水平，培養其創造性運用知識去解決問題的創新思維和意識。