以“變量”之鑰啟“科學(xué)探究測(cè)評(píng)”之鎖

河北 蘇洪波

(作者單位：唐山市開(kāi)灤第二中學(xué))

科學(xué)探究是人們獲取、理解生物學(xué)概念的有效途徑，是學(xué)科核心素養(yǎng)四個(gè)方面之一，是《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》中的考查內(nèi)容和關(guān)鍵能力之一。對(duì)科學(xué)探究素養(yǎng)的考查有助于學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的發(fā)展，助力學(xué)生適應(yīng)時(shí)代變革和支撐其長(zhǎng)遠(yuǎn)關(guān)鍵能力發(fā)展的培育。在現(xiàn)行紙筆測(cè)試的環(huán)境下，科學(xué)探究能力測(cè)評(píng)通常為能夠?qū)ο嚓P(guān)生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)探究，如分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、預(yù)測(cè)結(jié)果并得出結(jié)論或作出解釋?zhuān)莆湛茖W(xué)探究的整個(gè)流程。科學(xué)探究的目的是“在最大程度控制無(wú)關(guān)變量的基礎(chǔ)上研究自變量和因變量的關(guān)系”，因此“變量”在解決“科學(xué)探究測(cè)評(píng)”中具有重要意義。本文嘗試從變量的數(shù)量、變量間的關(guān)系對(duì)“科學(xué)探究測(cè)評(píng)”進(jìn)行分析。

1.單因素實(shí)驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)是研究一種自變量與因變量之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，可用結(jié)構(gòu)方程Y=f(X)表示，其中Y表示因變量，X表示一種自變量。根據(jù)自變量施加的組別、自變量是否具有數(shù)量變化分為如下三種：(1)自身對(duì)照實(shí)驗(yàn)；(2)對(duì)照實(shí)驗(yàn)；(3)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.1自身對(duì)照實(shí)驗(yàn)

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的操作都在同一研究對(duì)象上進(jìn)行，如植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)。

【例1】(2018年，全國(guó)卷Ⅰ，第31題節(jié)選)為探究不同因素對(duì)尿量的影響，某同學(xué)用麻醉后的實(shí)驗(yàn)兔進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

a.記錄實(shí)驗(yàn)兔的尿量(單位：滴/分鐘)。

b.耳緣靜脈注射垂體提取液0.5 mL，記錄尿量。

c.待尿量恢復(fù)后，耳緣靜脈注射20%葡萄糖溶液15 mL，記錄尿量。取尿液做尿糖定性實(shí)驗(yàn)。

回答下列問(wèn)題:

(1)該同學(xué)發(fā)現(xiàn),與a相比,b處理后實(shí)驗(yàn)兔尿量減少,其主要原因是________。

(2)c處理后,腎小管腔內(nèi)液體的滲透壓會(huì)升高,實(shí)驗(yàn)兔的尿量會(huì)________。

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的作出解釋和預(yù)測(cè)結(jié)果兩個(gè)維度。第(1)小題要求考生理解必備知識(shí)“抗利尿激素是由垂體釋放的激素”和分析實(shí)驗(yàn)步驟b得出自變量是抗利尿激素。根據(jù)抗利尿激素的生理作用，對(duì)“注射垂體提取液后，實(shí)驗(yàn)兔尿量減少”作出的解釋是“垂體提取液中含有抗利尿激素，促進(jìn)了腎小管和集合管重吸收水”。第(2)小題要求考生根據(jù)必備知識(shí)“滲透壓”和獲取的信息“腎小管腔內(nèi)液體的滲透壓會(huì)升高”預(yù)測(cè)結(jié)果，即尿量增加。

1.2對(duì)照實(shí)驗(yàn)

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是對(duì)照組不做任何處理，實(shí)驗(yàn)組施加自變量，如比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解實(shí)驗(yàn)中，1號(hào)試管就是對(duì)照組，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)試管是實(shí)驗(yàn)組。

【例2】(2017年，全國(guó)卷Ⅱ，第30題節(jié)選)將室溫(25℃)飼養(yǎng)的某種體溫為37℃的哺乳動(dòng)物(動(dòng)物甲)隨機(jī)分為兩組，一組放入41℃環(huán)境中1 h(實(shí)驗(yàn)組)，另一組仍置于室溫環(huán)境中(對(duì)照組)。期間連續(xù)觀察并記錄這兩組動(dòng)物的相關(guān)行為。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)初期，實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物的靜臥行為明顯減少、焦慮不安行為明顯增加。回答下列問(wèn)題：

(3)本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置對(duì)照組的目的是________。

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的分析問(wèn)題維度，考查考生基于對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的理解，分析得出實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖恰案邷?41℃)對(duì)某種哺乳動(dòng)物相關(guān)行為的影響”，即自變量是高溫(41℃)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是研究自變量和因變量的關(guān)系，因此對(duì)照組的目的是排除非實(shí)驗(yàn)因素的干擾，即“排除41℃以外因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，以保證本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是由41℃引起的”。

1.3對(duì)比實(shí)驗(yàn)

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)不另設(shè)對(duì)照組，而是在進(jìn)行的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組之間形成對(duì)比，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)方程是Y1=f(X1)、Y2=f(X2)、Y3=f(X3)……Yn=f(Xn)，如探究溫度(或pH)對(duì)酶活性影響的實(shí)驗(yàn)。

【例3】BTB是一種酸堿指示劑。BTB的弱堿性溶液顏色可隨其中CO2濃度的增高而由藍(lán)變綠再變黃。某同學(xué)為研究某種水草的光合作用和呼吸作用，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：用少量的NaHCO3和BTB加水配制成藍(lán)色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2使溶液變成淺綠色，之后將等量的綠色溶液分別加入到7支試管中。其中6支加入生長(zhǎng)狀況一致的等量水草，另一支不加水草，密閉所有試管。各試管的實(shí)驗(yàn)處理和結(jié)果見(jiàn)下表。

試管編號(hào)1234567水草無(wú)有有有有有有距日光燈的距離(cm)20遮光*1008060402050 min后試管中溶液的顏色淺綠色X淺黃色黃綠色淺綠色淺藍(lán)色藍(lán)色

*遮光是指用黑紙將試管包裹起來(lái)，并放在距日光燈100 cm的地方。

若不考慮其他生物因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，回答下列問(wèn)題：

本實(shí)驗(yàn)中，50 min后1號(hào)試管的溶液是淺綠色，則說(shuō)明2至7號(hào)試管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是由________引起的。

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的分析問(wèn)題和作出解釋兩個(gè)維度，考查考生基于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理解，分析出實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖恰安煌庹諒?qiáng)度對(duì)水草的光合作用和呼吸作用的影響”。大部分考生錯(cuò)答“水草的光合作用和呼吸作用”，說(shuō)明考生沒(méi)有分析出自變量是“水草距日光燈的距離”及其代表的生物學(xué)含義是“光照強(qiáng)度”。

2.多因素實(shí)驗(yàn)

多因素實(shí)驗(yàn)是研究?jī)煞N或兩種以上自變量與因變量之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，可用結(jié)構(gòu)方程Y=f(X,U)表示，其中Y表示因變量，X、U表示不同種自變量。如果自變量X與因變量Y的關(guān)系受到自變量U的影響,則U稱(chēng)為調(diào)節(jié)變量；如果自變量X通過(guò)自變量U來(lái)影響因變量Y，則U稱(chēng)為中介變量。根據(jù)“自變量U”的種類(lèi)將多因素實(shí)驗(yàn)分為“調(diào)節(jié)變量型”和“中介變量型”兩個(gè)維度。

2.1調(diào)節(jié)變量型

2.1.1協(xié)同型

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是自變量X和自變量U對(duì)因變量Y都有影響，并且同時(shí)施加自變量X和U達(dá)到增強(qiáng)效應(yīng)的結(jié)果，如生長(zhǎng)激素和甲狀腺激素對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的作用。

【例4】為研究赤霉素(GA3)和生長(zhǎng)素(IAA)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，切取菟絲子莖頂端2.5 cm長(zhǎng)的部分(莖芽)。置于培養(yǎng)液中無(wú)菌培養(yǎng)(圖1)，實(shí)驗(yàn)分為A、B、C三組，分別培養(yǎng)至第1、8、15天，每組在適宜濃度的激素處理30天，測(cè)量莖芽長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1

圖2

從圖2中B組的數(shù)據(jù)可知，兩種激素聯(lián)合處理對(duì)莖芽伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用是GA3單獨(dú)處理的________倍、IAA單獨(dú)處理的________倍，由此可以推測(cè)GA3和IAA在對(duì)莖芽伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的作用上存在________的關(guān)系。

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和得出結(jié)論兩個(gè)維度。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖恰把芯砍嗝顾睾蜕L(zhǎng)素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響”，可分解為如下3個(gè)子目的：①研究赤霉素(自變量X)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響；②研究生長(zhǎng)素(自變量U)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響；③研究赤霉素(自變量X)和生長(zhǎng)素(自變量U)在植物生長(zhǎng)作用上的關(guān)系。分析B組數(shù)據(jù)可知：①赤霉素處理組莖芽伸長(zhǎng)量(6.5～2.5 cm)大于對(duì)照組莖芽伸長(zhǎng)量(4.0～2.5 cm)，得出“赤霉素促進(jìn)莖芽伸長(zhǎng)生長(zhǎng)”；同理得出②“生長(zhǎng)素促進(jìn)莖芽伸長(zhǎng)生長(zhǎng)”；③赤霉素和生長(zhǎng)素聯(lián)合處理組莖芽伸長(zhǎng)量(13.0～2.5 cm)既大于赤霉素處理組，又大于生長(zhǎng)素處理組，得出“赤霉素和生長(zhǎng)素在對(duì)莖芽伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的作用上存在協(xié)同的關(guān)系”。

2.1.2拮抗型

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是自變量X和自變量U對(duì)因變量發(fā)揮相反的作用，如胰島素和胰高血糖素對(duì)血糖含量的調(diào)節(jié)。

【例5】(2017年，全國(guó)卷Ⅰ，第3題)通常，葉片中葉綠素含量下降可作為其衰老的檢測(cè)指標(biāo)。為研究激素對(duì)葉片衰老的影響，將某植物離體葉片分組，并分別置于蒸餾水、細(xì)胞分裂素(CTK)、脫落酸(ABA)、CTK+ABA溶液中，再將各組置于光下，一段時(shí)間內(nèi)葉片中葉綠素含量變化趨勢(shì)如圖3所示。據(jù)圖判斷，下列敘述錯(cuò)誤的是 ( )

圖3

A.細(xì)胞分裂素能延緩該植物離體葉片的衰老

B.本實(shí)驗(yàn)中CTK對(duì)該植物離體葉片的作用可被ABA削弱

C.可推測(cè)ABA組葉綠體中NADPH合成速率大于CTK組

D.可推測(cè)施用ABA能加速秋天銀杏樹(shù)的葉由綠變黃的過(guò)程

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的分析問(wèn)題、得出結(jié)論和預(yù)測(cè)結(jié)果三個(gè)維度。考生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(數(shù)學(xué)模型)可得出實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖恰把芯緾TK和ABA對(duì)葉片衰老的影響”。根據(jù)單一變量原則，得出如下結(jié)論：①CTK具有減弱葉片衰老程度的作用；②ABA具有加大葉片衰老程度的作用；③CTK和ABA在調(diào)控離體葉片衰老上具有拮抗作用。CD選項(xiàng)考查考生應(yīng)用必備知識(shí)“光合作用”和獲得結(jié)論預(yù)測(cè)結(jié)果，在此不再贅述。

2.1.3共同型

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)是單獨(dú)施加自變量X或自變量U對(duì)因變量無(wú)影響，只有同時(shí)施加自變量X和自變量U才對(duì)因變量有影響，如H+泵運(yùn)輸H+既需要ATP供能，又需要載體蛋白。

【例6】(2019年，全國(guó)卷Ⅱ，第3題)某種H+-ATPase是一種位于膜上的載體蛋白，具有ATP水解酶活性，能夠利用水解ATP釋放的能量逆濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)H+。①將某植物氣孔的保衛(wèi)細(xì)胞懸浮在一定pH的溶液中(假設(shè)細(xì)胞內(nèi)的pH高于細(xì)胞外)，置于暗中一段時(shí)間后，溶液的pH不變。②再將含有保衛(wèi)細(xì)胞的該溶液分成兩組，一組照射藍(lán)光后溶液的pH明顯降低；另一組先在溶液中加入H+-ATPase的抑制劑(抑制ATP水解)，再用藍(lán)光照射，溶液的pH不變。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下列推測(cè)不合理的是 ( )

A.H+-ATPase位于保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上，藍(lán)光能夠引起細(xì)胞內(nèi)的H+轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外

B.藍(lán)光通過(guò)保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上的H+-ATPase發(fā)揮作用導(dǎo)致H+逆濃度梯度跨膜運(yùn)輸

C.H+-ATPase逆濃度梯度跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)H+所需的能量可由藍(lán)光直接提供

D.溶液中的H+不能通過(guò)自由擴(kuò)散的方式透過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的得出結(jié)論維度。由“懸浮有氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的溶液在暗中pH不變，照射藍(lán)光后溶液的pH明顯降低”得出照射藍(lán)光(自變量X)能促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞中的H+進(jìn)入外界溶液；由“在溶液中加入H+-ATPase的抑制劑，再用藍(lán)光照射，溶液的pH不變”，說(shuō)明H+的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)需要保衛(wèi)細(xì)胞的H+-ATPase完成，藍(lán)光激活H+-ATPase；由“H+向外轉(zhuǎn)運(yùn)是逆濃度梯進(jìn)行”和“H+-ATPase……ATP水解酶活性”，說(shuō)明H+的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)需要的能量是由ATP(自變量U)提供的，而不是由藍(lán)光直接提供的。綜上分析得出H+-ATPase運(yùn)輸H+需要藍(lán)光激活和ATP直接供能。

2.2中介變量型

中介變量作用的模型如圖4。

圖4

圖中a、b、c含義是影響。若c=0，則稱(chēng)為完全中介；若c>0，則稱(chēng)為部分中介。

2.2.1完全中介

【例7】(2019年，全國(guó)卷Ⅰ，第29題節(jié)選)有研究表明：干旱條件下氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。請(qǐng)以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論，要求簡(jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)結(jié)果兩個(gè)維度。考生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹案珊禇l件下氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的”，可以得出：(1)干旱(自變量X)完全通過(guò)ABA(中介變量U)影響氣孔開(kāi)度(因變量Y)；(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆纸鉃?個(gè)子目的：①干旱條件下，氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的；②干旱條件下，氣孔開(kāi)度減小是由ABA引起的。題目限定以該種植物的ABA缺失突變體植株為材料，因此子目的①的方案設(shè)計(jì)是ABA缺失突變體植株是否經(jīng)干旱處理；子目的②的方案設(shè)計(jì)是ABA缺失突變體植株在干旱條件下，是否經(jīng)ABA處理。中介變量模型如圖5。

圖5

2.2.2部分中介

【例8】(2019年，全國(guó)卷Ⅰ，第4題)動(dòng)物受到驚嚇刺激時(shí)，興奮經(jīng)過(guò)反射弧中的傳出神經(jīng)作用于腎上腺髓質(zhì)，使其分泌腎上腺素；興奮還通過(guò)傳出神經(jīng)作用于心臟。下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是 ( )

A.興奮是以電信號(hào)的形式在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的

B.驚嚇刺激可以作用于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或觸覺(jué)感受器

C.神經(jīng)系統(tǒng)可直接調(diào)節(jié)、也可通過(guò)內(nèi)分泌活動(dòng)間接調(diào)節(jié)心臟活動(dòng)

D.腎上腺素分泌增加會(huì)使動(dòng)物警覺(jué)性提高、呼吸頻率減慢、心率減慢

【分析】本題測(cè)評(píng)科學(xué)探究中的得出結(jié)論維度。考生獲取信息可以構(gòu)建心臟活動(dòng)調(diào)節(jié)的模型：驚嚇刺激動(dòng)物感受器后，興奮傳遞到①腎上腺髓質(zhì)，其分泌的腎上腺素作用于心臟(神經(jīng)-體液調(diào)節(jié))；②心臟(神經(jīng)調(diào)節(jié))。中介變量模型如圖6。

圖6

科學(xué)探究素養(yǎng)的測(cè)評(píng)有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，有助于學(xué)生適應(yīng)時(shí)代變革和支撐其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展關(guān)鍵能力的培育。“變量”分析不僅利于學(xué)生突破科學(xué)探究測(cè)評(píng)，提升科學(xué)探究和科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)；同時(shí)也可以為教師命制試題提供方向。