聚焦實驗教學 例析易混概念

賈文俊

(陜西省寶雞中學)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》指出“通過探究性學習活動或完成工程學任務,加深對生物學概念的理解,提升應用知識的能力,培養創新精神,進而能用科學的觀點、知識、思路和方法,探討或解決現實生活中的某些問題”,可見概念教學在學科素養提升方面具有重要作用。概念學習中,學生面對跳躍性或模糊性的知識時容易出現思路偏差等錯誤。本文結合實踐教學,對學生易出現“認知模糊”的實驗概念進行分類例析。

1.自變量、因變量和無關變量

任何一個系統(或模型)都是由各種變量構成的,當分析這些系統(或模型)時,可以選擇研究其中一些變量對另一些變量的影響,那么選擇的這些變量就稱為自變量(也稱實驗變量),而被影響的量就被稱為因變量(也稱反應變量)。簡單的說自變量是指實驗中由實驗者所控制的因素或條件;因變量則指實驗中由自變量引起的變化和結果。通常自變量是原因,因變量是結果。無關變量(也稱控制變量),是指實驗中除實驗變量以外的影響實驗現象或結果的因素或條件,他們對實驗的因變量會產生影響或干擾,因此無關變量控制的原則是相同且適宜原則。

【例1】(2021·海南省·第19題)某課題組為了研究脫落酸(ABA)在植物抗旱中的作用,將剛萌發的玉米種子分成4組進行處理,一段時間后觀察主根長度和側根數量,實驗處理方法及結果如圖1所示。下列有關敘述正確的是

(C)

圖1

A.與第1組相比,第2組結果說明干旱處理促進側根生長

B.與第2組相比,第3組結果說明缺少ABA時主根生長加快

C.本實驗中自變量為干旱和ABA合成抑制劑

D.設置第4組的目的是驗證在干旱條件下ABA對主根生長有促進作用

【技巧點撥】①自變量的處理辦法,“加”或“減”,如例1第3組實驗添加ABA合成抑制劑就是使用了“加”的原理;二是“換”,對自變量無法“加”或“減”時,就可采用“換”的方法。②一般情況下,一組對照實驗中自變量僅有一組,但有些實驗自變量不止一組,如例1的自變量包括蒸餾水的有無(是否干旱)和是否添加ABA合成抑制劑。③因變量是自變量干涉的結果,一般具有可觀測性、可測量性等,如例1的因變量包括主根長度和側根數量兩個方面。④實驗步驟有多個變量時,通過拆分法,減少實驗變量,遵循單一變量原則,構建多組單一變量實驗,逐組進行分析,如例1的實驗共四組,包含兩個自變量,分析時可以拆分為三組:第1組和第2組,分析蒸餾水的有無產生的結果(干旱處理可以促進主根長度增加,但抑制側根生長);第2組和第3組,分析是否添加ABA合成抑制劑產生的結果(缺少ABA時主根生長變慢);第2組、第3組和第4組,以第2組為對照組,分析添加ABA合成抑制劑后是否添加ABA產生的結果(ABA合成抑制劑可以減緩ABA在干旱條件下促進主根生長的作用)。⑤自變量、因變量和無關變量之間關系見圖2。

圖2

2.對照組和實驗組

對照組和實驗組可通過列表的方法進行比較。

表 實驗組和對照組的比較

【例2】(2023·海南省·第14題)禾谷類種子萌發過程中,糊粉層細胞合成蛋白酶以降解其自身貯藏蛋白質,為幼苗生長提供營養。為探究赤霉素在某種禾谷類種子萌發過程中的作用,某團隊設計并實施了A、B、C三組實驗,結果如圖3。下列有關敘述正確的是

(D)

圖3

A.本實驗中只有A組是對照組

B.赤霉素導致糊粉層細胞中貯藏蛋白質的降解速率下降

C.赤霉素合成抑制劑具有促進種子萌發的作用

D.三組實驗中,蛋白酶活性由高到低依次為B組、A組、C組

【技巧點撥】①實驗組和對照組的判定:生物體原有生存條件等因素未發生改變的就是對照組,生物體原有生存條件等因素被實驗者進行改變或限制的則為實驗組;運用加(減)法設計的實驗,做了加(減)法處理的是實驗組,沒有做加(減)法處理的是對照組。②如何科學設計實驗組和對照組:絕大多數實驗題中都給出了材料、用具、試劑等信息,這些信息是實驗組和對照組設計的關鍵,如例2中給出的試劑蒸餾水、赤霉素、赤霉素合成抑制劑,因此可設計施加蒸餾水、赤霉素、赤霉素合成抑制劑三組實驗,若需要補充實驗,則可在施加赤霉素合成抑制劑一段時間后再施加赤霉素。③實驗探究中有多組實驗時,在不同的對照系中實驗組和對照組可能發生變化,如例2中A組、B組和C組比較時,A組為對照組,但與第1天、第5天、第9天比較時,時間為0的A組、B組和C組均為對照組,由此可見,實驗中對照組往往不是單一固定的某一組實驗。④在對比實驗中沒有單獨設立的對照組,例如探究酵母菌呼吸方式的實驗中有氧組和無氧組互為對照。

3.實驗目的和實驗原理

實驗目的是實驗所要達到的目標,是生物學實驗的靈魂,其內容包含研究對象、實驗現象(因變量)和作用于實驗對象的因素(自變量)等。高中生物學實驗的實驗目的通常可以描述為“探究(驗證)自變量對因變量的影響”或“探究(驗證)自變量與因變量之間的關系”。實驗原理是進行實驗的理論依據,包括選擇實驗材料的依據、作出實驗假設的依據、設置實驗步驟的依據、分析現象結果的依據和確定觀測指標的依據。一般實驗原理的描述包括自變量和因變量的關系、因變量的觀測指標和對實驗過程的闡述。

【例3】(2023·天津市·第5題)下列生物實驗探究中運用的原理,前后不一致的是

(B)

A.建立物理模型研究DNA結構——研究減數分裂染色體變化

B.運用同位素標記法研究卡爾文循環——研究酵母菌呼吸方式

C.運用減法原理研究遺傳物質——研究抗生素對細菌選擇作用

D.孟德爾用假說演繹法驗證分離定律——摩爾根研究伴性遺傳

【技巧點撥】①實驗目的在題干信息中有明顯的關鍵詞,如“驗證……” “探究……” “假設……” “……是否……” “判斷……” “如何……”等,一般根據實驗目的可直接判斷出是驗證性實驗還是探究性實驗。②確認實驗目的時,先對自變量和因變量進行分析,再據題目信息、實驗裝置或實驗現象、實驗步驟等推理分析實驗目的。③實驗目的的書寫與表達模式:“實驗性質(探究或驗證)+自變量對因變量的作用(影響或效果)”或“實驗性質(探究或驗證)+自變量與因變量的關系”。④實驗原理一般來源于兩種信息,一是來自教材及教材實驗中的實驗原理或有關的理論知識,如例3中B項卡爾文循環實驗用到了同位素標記的研究方法、探究酵母菌呼吸方式時則用到了對比實驗法;二是來自試題情境,此種來源在情境材料實驗題中較常見。⑤對實驗原理的考查高考中常見題型是依托實驗原理對實驗結果進行分析,如考查作用機制、判定依據、原因解釋、實驗思路設計等。

4.實驗步驟和實驗思路

實驗步驟是詳細的、可操作性較強的、實驗過程(要求學生對實驗的選材、分組、處理等均要寫出具體要求及詳細內容),而實驗思路不需要寫出具體可直接操作的步驟,只需要有一個大致的實驗過程即可。實驗思路一般用一句話表述為“用某方法處理某材料,觀察其對某方面的影響效果”,描述實驗思路的要點是答出自變量、因變量及實驗對象,而不是具體可操作性的設計。在控制無關變量時,實驗思路中只要提到“相同且適宜”即可,具體操作時不同的實驗組可以采用不同的方法去控制。

【例4】(2021·福建省·第4題)生物科學史蘊含科學研究的思路和方法,下列科學史實驗與結論不相符的敘述是

(D)

【技巧點撥】①實驗步驟:一是選材、分組編號;二是控制變量、設置對照,不同的對象以不同的處理方式控制自變量;三是在適宜的條件下進行培養,控制無關變量;四是實驗結果的觀察與記錄(即因變量的檢測),歸納總結形成結論。②實驗思路是較為粗線條的思考過程,要求言簡意賅,書寫時要體現對照思想,顯示自變量和因變量,對無關變量的表述要注意是相同且適宜。③實驗思路與實驗步驟有一致性,都是為了實現實驗目標設計的。解答時從實驗目的分析中提取出自變量和因變量,進而設計出實驗組和對照組,確定檢測指標,并寫出或補充實驗思路或實驗步驟。實驗思路的書寫備受近年高考命題者的青睞,如例4中對“科學史實驗”的考查均涉及實驗思路。

5.實驗結果和實驗結論

實驗結果是指通過觀察或測量得到的實驗現象,是實驗實際出現的情況。實驗結論是根據對實驗因變量與自變量關系的分析得出的具有普遍意義的理論性結論。實驗結論的得出是建立在實驗結果的基礎之上,先觀測記錄實驗結果,再對所觀測記錄的數據進行比較分析,綜合推導得出。

【例5】(2022·湖南省·第18題節選)若下丘腦體溫調節中樞損毀,機體體溫不能維持穩定。已知藥物A作用于下丘腦體溫調節中樞調控體溫?，F獲得A的結構類似物M,為探究M是否也具有解熱作用并通過影響下丘腦體溫調節中樞調控體溫,將A、M分別用生理鹽水溶解后,用發熱家兔模型進行了以下實驗,請完善實驗方案并寫出實驗結論。

分組處理方式結果甲發熱家兔模型+生理鹽水發熱乙發熱家兔模型+A溶液退熱丙發熱家兔模型+M溶液退熱丁A發熱

①處理方式中A處處理為_____________________________________________________。

②由甲、乙、丙三組實驗結果,得出結論__________________________________________________________________________________________________________。

③由甲、乙、丙、丁四組實驗結果,得出結論__________________________________________________________________________________________________________。

【參考答案】①下丘腦破壞發熱家兔模型+M溶液 ②M具有解熱作用 ③M具有解熱作用并通過影響下丘腦體溫調節中樞調控體溫

【技巧點撥】①實驗結果是實驗觀察或測量的現象,如例5中甲、乙、丙、丁四組實驗對應的實驗結果分別是發熱、退熱、退熱、發熱。②實驗結論歸納的一般思路:先是通過實驗目的或步驟(根據單一因素不同)找出實驗變量,將實驗分為多個對照組,如例5中分了兩種情況(甲、乙、丙三組;甲、乙、丙、丁四組);再由因找果,分析實驗變量與結果間的邏輯關系,得出正確結論,如例5中甲、乙、丙三組實驗的自變量是施加藥品的種類,因變量為是否退熱,結論表述模型為自變量對因變量產生影響,即M是有解熱作用。再如例5中丙、丁組實驗的自變量是模型兔的類型,因變量為是否退熱,比較可形成結論“M是通過影響下丘腦體溫調節中樞調控體溫”;最后根據各對照組中得出的“分結論”綜合為“全面結論”,即M具有解熱作用,M的解熱作用是通過影響下丘腦體溫調節中樞實現的。③驗證性實驗的結果和結論是唯一的,不需要討論。探究性實驗結論需要討論,一個結果對應一個結論,答題模型為“若……,則……”。④結論的敘述是實驗目的或實驗課題或實驗假設語句的變形。如例5中,實驗目的是“探究M是否也具有解熱作用并通過影響下丘腦體溫調節中樞調控體溫”,則實驗結論對應為“若丙組兔退熱、丁組兔發熱,則說明M具有解熱作用并通過影響下丘腦體溫調節中樞調控體溫;若丙組兔退熱、丁組兔退熱,則說明 M具有解熱作用,但并不是通過影響下丘腦體溫調節中樞調控體溫”。

概念教學是高中生物教學的一個重要環節,能在學生認知能力和認知規律的基礎上有效幫助學生深度理解概念內涵和相關概念本質的區別,加深學生對生物學概念的理解、養成科學思維的習慣、形成積極的科學態度發展終身學習及創新實踐能力提升均具有積極意義。