實驗問題中“表格三原則分析法”的應用

李云星

(陜西省寶雞市鳳翔區鳳翔中學)

生物學科中有很大一部分知識點與實驗有直接或者間接的關系,幾乎每年高考試卷中都有1～3道實驗探究題,培養學生實驗設計能力和實驗分析能力就顯得極為重要。

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》要求生物學課程培養學生的核心素養:使學生在學習過程中逐步發展科學思維;發現現實世界中的生物學問題,針對特定的生物學現象進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。

人教版新教材(2019)《分子與細胞》第78頁科學方法“控制變量和設計對照實驗”以及第92頁科學方法“對比實驗”對于實驗的設計方法進行了嚴密地描述,筆者將這三段文字進行拆解,厘清概念邊界,提出高中生物實驗設計的三個基本原則,從而使學生能更好領悟實驗設計的科學思維和科學探究思路。

一、高中生物學實驗設計的三個經典原則

(一)控制單一自變量原則

“實驗過程中的變化因素稱為變量,其中人為控制的,對實驗對象進行處理的因素叫自變量,因自變量改變而變化的變量叫因變量”。從邏輯意義上而言,自變量是因變量的原因,因變量是自變量的表現或結果。面對宏大的生物界,探尋復雜生物現象背后的原因必須將復雜的問題簡單化,控制單一自變量原則即是說控制一個自變量,觀察一個因變量或者多個因變量。

(二)無關變量原則

實驗過程中還存在一些對實驗結果造成影響的其他可變因素,叫作無關變量,這些無關變量都保持一致,即等量原則。等量原則要求除單一的自變量外,其余可變因素都保持不變,從而使實驗的結論或者因變量的原因(自變量)具有可靠的、客觀的準確性和確定性。

(三)對照原則

對照原則針對實驗結果而言,對照實驗,一般要求設置對照組和實驗組,對照組不做任何處理,這樣的對照組叫作空白對照;自變量參與的組別叫實驗組,設置兩個或兩個以上的實驗組,通過對結果的比較分析來探究某種因素對實驗對象的影響,這樣的實驗叫作對比實驗,也叫相互對照實驗,對比實驗也是科學探究中常用的方法之一。

針對同一個實驗對象,通過一個自變量在時間上的先后參與體現的對照叫作自身前后對照。

二、高中生物學實驗設計的三個原則之間的邏輯關系

設計生物相關實驗的三個原則既各自獨立,又不可分割、相輔相成,它們有機整合形成一個嚴密的設計生物學實驗的科學方法體系,熟悉并理解它既可以培養學生的科學思維,又可發展成學生科學探究之核心素養。下面我們就參照下圖闡述這三個原則的邏輯關系。

圖1

設計高中生物相關實驗以找準控制單一自變量為起點,其他影響實驗的可變因素為無關變量,對無關變量的處理應盡量保持等量原則,不能保持等量的則將其對實驗的影響降到最低;因變量是自變量引起的結果,其含義廣泛,如實驗現象,底物的消耗,產物的形成等;由自變量的“變與不變”設置對照原則,對照原則之下設置對照組和實驗組。

三、區分實驗組和三種對照組

實驗組和對照組的關系比較復雜,對照組又可以有空白對照、相互對照、自身前后對照。下面舉教材經典實驗進行說明。

(一)實驗組中的相互對照(無空白對照)

實驗探究酵母菌細胞呼吸的方式無關變量原則加入等濃度等量的葡萄糖溶液加入等量的酵母菌對比實驗(相互對照)控制單一自變量反應條件有氧條件無氧條件裝置略略廣義因變量CO2略略酒精略略

(二)空白對照與相互對照

實驗比較不同條件下過氧化氫的分解廣義自變量反應條件常溫90℃FeCl3溶液肝臟研磨液狹義自變量不同溫度(加熱與否)不同種類的催化劑對照原則空白對照實驗組實驗組對比實驗(即相互對照)試管編號1234無關變量原則H2O2濃度3%3%3%3%H2O2劑量2 mL2 mL2 mL2 mL催化劑劑量2滴2滴因變量氣泡產生略略略略衛生香燃燒情況略略略略結論加熱使過氧化氫分解明顯酶比FeCl3催化效率高不同條件下酶的催化效率高

(三)自身前后對照

實驗植物細胞的吸水和失水步驟第一步第二步第三步第四步第五步第六步制作洋蔥鱗片葉外表皮的臨時裝片 用低倍顯微鏡觀察洋蔥鱗片葉外表皮細胞中的中央液泡的大小,以及原生質層的位置從蓋玻片上的一側滴入蔗糖溶液,在蓋玻片的另一側用吸水紙吸引。這樣重復幾次,蓋玻片下面的洋蔥鱗片葉表皮就浸潤在蔗糖溶液中用低倍顯微鏡觀察,看細胞的中央液泡是否逐漸變小,原生質層在什么位置,細胞大小是否變化在蓋玻片的一側滴入清水,在蓋玻片的另一側用吸水紙吸引。這樣重復幾次,洋蔥鱗片葉表皮又浸潤在清水中用低倍顯微鏡觀察,看中央液泡是否逐漸變大,原生質層的位置有沒有變化,細胞的大小有沒有變化自身(前后)對照觀察結果略略略

四、“表格三原則分析法”的應用

(一)單因子影響的實驗分析

例1.(2022海南卷,3題)某小組為了探究適宜溫度下CO2對光合作用的影響,將四組等量菠菜葉圓片排氣后,分別置于盛有等體積不同濃度NaHCO3溶液的燒杯中,從燒杯底部給予適宜光照,記錄葉圓片上浮所需時長,結果如圖2。下列有關敘述正確的是

圖2

(B)

A.本實驗中,溫度、NaHCO3濃度和光照都屬于自變量

B.葉圓片上浮所需時長主要取決于葉圓片光合作用釋放氧氣的速率

C.四組實驗中,0.5% NaHCO3溶液中葉圓片光合速率最高

D.若在4℃條件下進行本實驗,則各組葉圓片上浮所需時長均會縮短

解題思路分析：根據題干信息分析如表所示:

無關變量狹義自變量因變量“適宜溫度下” “四組等量菠菜葉圓片排氣后,分別置于盛有等體積不同濃度NaHCO3溶液的燒杯中,從燒杯底部給予適宜光照”“不同濃度NaHCO3溶液”即不同濃度的“CO2”將記錄葉圓片上浮所需時長

(二)多因子影響的實驗分析

例2.(2022重慶卷,7題)植物蛋白酶M和 L能使肉類蛋白質部分水解,可用于制作肉類嫩化劑。某實驗小組測定并計算了兩種酶在37℃、不同pH下的相對活性,結果見下表。下列敘述最合理的是

(D)

酶pH357911M0.71.01.01.00.6L0.51.00.50.20.1

A.在37℃時,兩種酶的最適pH均為5

B.在37℃長時間放置后,兩種酶的活性不變

C.從37℃上升至95℃,兩種酶在pH為5時仍有較高活性

D.在37℃、pH為3～11時,M更適于制作肉類嫩化劑

解題思路分析：從題干和表格中分析發現:自變量有兩個:不同的pH和不同的酶。以上述的原則分析,以其中一個為自變量,則其他的均按照無關變量處理。

利用表格對選項分析如下:

選項無關變量狹義自變量因變量分析A在37℃時,兩種酶兩種酶的最適pHM的最適pH是5～9B在37℃長時間放置后,兩種酶兩種酶的活性C在37℃上升至95℃,在pH為5時,兩種酶兩種酶活性D在37℃、pH為3～11時,M(L)M比L的相對活性高M比L更適于制作肉類嫩化劑

例3.(2022北京卷,2題)光合作用強度受環境因素的影響。車前草的光合速率與葉片溫度、CO2濃度的關系如圖3。據圖分析不能得出

圖3

(D)

A.低于最適溫度時,光合速率隨溫度升高而升高

B.在一定的范圍內,CO2濃度升高可使光合作用最適溫度升高

C.CO2濃度為200 μL·L-1時,溫度對光合速率影響小

D.10℃條件下,光合速率隨CO2濃度的升高會持續提高

解題思路分析：從選項的角度分析如下表:

選項遷移無關變量狹義自變量因變量ACO2濃度低于最適溫度時的溫度光合速率B在一定的范圍內的CO2濃度光合作用最適溫度CCO2濃度為200 μL·L-1溫度光合速率D10℃CO2濃度光合速率

例4.(2022遼寧卷,22題節選)滸苔是形成綠潮的主要藻類。綠潮時滸苔堆積在一起,形成大量的“藻席”,造成生態災害。為研究滸苔瘋長與光合作用的關系,進行如下實驗:

(4)酶Y活性測定:取一定量的粗酶液加入酶Y活性測試反應液中進行檢測,結果如圖4。

圖4

在圖4中,不考慮其他因素的影響,滸苔甲酶 Y活性最高時的光照強度為1 800μmol·m-2·s-1(填具體數字),強光照會抑制滸苔乙酶Y的活性。

解題思路分析：

狹義自變量因變量光照強度酶活性

例5.(2021廣東卷,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,結果見圖5。

回答下列問題:

(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)……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。

解題思路分析：以下分析中尿酸氧化酶抑制劑簡稱酶抑制劑;高尿酸血癥或痛風簡稱痛風。

第(3)問:從題干信息分析,建立信息模型(圖6):

圖6

表格分析如下:

實驗對天然化合物F的降尿酸作用進行研究第一步無關變量原則正常實驗大鼠(有尿酸氧化酶)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第二步對照原則空白對照組相互對照模型組治療組第三步狹義自變量無處理酶抑制劑處理酶抑制劑處理+藥物F第四步因變量正常痛風正常

通過表格分析,與空白對照組比較,模型組灌服了尿酸氧化酶抑制劑,所以該組不僅可以作為高尿酸血癥的疾病模型,還可以作為空白對照組和治療組的對照。

本題需增設對照組,將高尿酸血癥大鼠灌服E,并檢測血液尿酸鹽含量和相關蛋白含量,對比E與F的作用效果。

第(4)問:治療組中相互對照即對比實驗,表格分析如下:

實驗藥物E和藥物F對痛風的治療效果第一步無關變量原則給正常實驗大鼠(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第二步狹義自變量相互對照灌服F灌服E第三步因變量觀察效果觀察效果

通過表格分析可知:向高尿酸血癥大鼠灌服E,與向高尿酸血癥大鼠灌服F形成相互對照,觀察哪一種藥物的療效更好。

(三)表格法分析實驗設計類

例6.(2015浙江卷,33題節選)現有一種細菌M能夠合成某種酶,并能分泌到細胞外。為了研究其培養時間與細胞數、細胞外酶濃度和總酶濃度的變化關系,請根據以下提供的實驗材料寫出實驗思路,并預測實驗結果。

實驗材料:若干個培養瓶、培養液、細菌M

(要求與說明:實驗僅設一組;實驗儀器、試劑、用具及操作不做要求;實驗條件適宜)請回答:

(1)實驗思路:。

分析解題思路：

實驗思路大致如下:①取細菌M稀釋后,分別等量接種于若干個含等量培養液的培養瓶中;②取其中的培養瓶,分別測定細胞數、細胞外酶濃度和總酶濃度,并記錄各組數值;③在培養過程中,每隔相同的時間,重復②過程;④對所得實驗數據進行分析與處理,繪制成曲線。

題目信息分類題目信息整理狹義自變量培養時間③在培養過程中,每隔一段時間重復②因變量細胞數、細胞外酶濃度和總酶濃度②取其中的培養瓶,分別測定細胞數、細胞外酶濃度和總酶濃度,并記錄。④對所得實驗數據進行分析與處理無關變量原則若干個培養瓶、培養液、細菌M等①取細菌M稀釋后,分別等量接種于若干個含等量培養液的培養瓶對照原則實驗僅設一組(自身前后對照)③在培養過程中,每隔一段時間重復②

綜上,高中生物實驗設計和分析是科學思維、科學探究繞不開的能力點,生物實驗的分析、理解與遷移應用,科學證據的獲取,都離不開實驗設計,筆者以教材“科學方法”為藍本,厘出設計生物實驗的三原則,以“三原則表格分析法”訓練學生的實驗分析能力,幫助學生理解、應用實驗設計的基本思路和基本方法,更加清晰地實現學生科學思維和科學探究核心素養的發展,在有關生物實驗教學中和生物實驗問題的解決中,能夠使學生迅速找準實驗分析和實驗設計的起點,把握生物實驗問題的主線,從而提高學生解決問題的嚴密邏輯思維能力。