實驗設(shè)計題中變量分析法的精準突破
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《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》提出生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，將實驗與探究能力的培養(yǎng)提升到一個新高度。近年的生物學(xué)高考中，對實驗與探究能力的考查主要涉及實驗思路、預(yù)期結(jié)果和結(jié)論得出等維度，能夠真實反映出學(xué)生分析問題和解決問題能力所達到的水平。筆者結(jié)合生物學(xué)考試大綱“實驗和探究能力”具體要求，總結(jié)出用變量分析法對實驗設(shè)計題進行精準突破。
1變量分析法
實驗中的變量是指可被操縱的特定因素或條件，主要包括自變量、因變量和無關(guān)變量三種。自變量也稱實驗變量，是指實驗中實驗者所操縱的因素或條件。因變量也稱反應(yīng)變量，指實驗中由實驗變量所引起的變化結(jié)果。通常自變量是原因，因變量是結(jié)果，兩者之間具有必然的因果關(guān)系。無關(guān)變量是指除自變量外，實驗過程中可能還會存在的一些對實驗結(jié)果造成影響的因素。在解答實驗設(shè)計題時，運用變量分析法往往可以快而準地解題。下面結(jié)合近年全國卷理綜生物學(xué)試題中部分實驗設(shè)計題進行分析舉隅。
2.1基于限定條件的精準突破
【例1】（2019•全國理綜卷I•29節(jié)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(zhì)濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開度減小，回答下列問題。（3）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。請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論。要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。解題思路：從要驗證的結(jié)論“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”可看出，該題既要驗證氣孔開度減小不是缺水引起的，又要驗證是由ABA引起的。因此，實驗的自變量有缺水和ABA；因變量為植株氣孔開度。同時，題干中提示“請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料”。所以，實驗設(shè)計中不能涉及正常植株作為對照?；谏鲜龇治?，可將實驗設(shè)計為兩組對照實驗，見表1。依據(jù)上述分析，在解答本題時，首先基于題干要求的實驗材料這個限定條件，選對實驗材料，然后再根據(jù)所要驗證的結(jié)論準確確定自變量、認清因變量的觀測，從而實現(xiàn)解題的精準突破。教材原型是人教版高中生物必修1的36頁中技能訓(xùn)練。設(shè)計實驗，證明某一種或某幾種無機鹽是這種植物生長發(fā)育所必需的。實驗的設(shè)計思路是先將植物置于缺某種無機鹽的完全培養(yǎng)液，出現(xiàn)某種癥狀后，再加入該種無機鹽，相應(yīng)癥狀消失，則可確定該無機鹽是這種植株生長發(fā)育所必需的。
2.2基于變量分析的精準突破
【例2】（2019•全國理綜卷Ⅲ•29節(jié)選）氮元素是植物生長的必需元素，合理施用氮肥可提高農(nóng)作物的產(chǎn)量?；卮鹣铝袉栴}。（2）農(nóng)作物吸收氮元素的主要形式有銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-）。已知作物甲對同一種營養(yǎng)液（以硝酸銨為唯一氮源）中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性（NH4+和NO3-同時存在時，對一種離子的吸收量大于另一種）。請設(shè)計實驗對這種偏好性進行驗證，要求簡要寫出實驗思路、預(yù)期結(jié)果和結(jié)論。解題思路：依據(jù)作物甲對硝酸銨中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性，可作出判斷，本實驗的目的是驗證作物甲對哪一種離子的吸收具有偏好性。因此，可確定自變量是作物甲對哪一種離子的吸收具有偏好性，進而可推導(dǎo)出因變量為培養(yǎng)液中NH4+和NO3-的剩余量。通過比較NH4+和NO3-的剩余量，而得出作物甲NH4+和NO3-的吸收具有偏好性。教材原型為人教版高中生物必修1的63頁中資料分析——物質(zhì)跨膜運輸?shù)奶攸c。用相同的培養(yǎng)液培養(yǎng)番茄和水稻，一段時間后，培養(yǎng)液中Ca2+和Mg2+為什么會增高？從變量分析法角度分析，自變量是植物的種類，因變量是植物對礦質(zhì)離子的吸收情況，通過檢測培養(yǎng)液中離子濃度來衡量。
2.3抓住自變量的精準突破
【例3】（2017•全國理綜卷I•29）根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型，有些病毒對人類健康會造成很大危害，通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。假設(shè)在宿主細胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細胞等為材料，設(shè)計實驗以確定一種新病毒的類型，簡要寫出（1）實驗思路，（2）預(yù)期實驗結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組）解題思路：依據(jù)題干信息“放射性同位素標記”“假設(shè)在宿主細胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換”，即可確定甲、乙兩組的自變量為放射性同位素標記的差異性堿基（一組標記胸腺嘧啶，一組標記尿嘧啶）。再根據(jù)“體外培養(yǎng)的宿主細胞”，并聯(lián)系教材T2噬菌體侵染大腸桿菌的相關(guān)知識，可確定因變量的觀測指標為子代病毒的放射性情況。教材原型為人教版高中生物必修2的44～45頁中噬菌體侵染細菌的實驗。先分別用35S標記噬菌體的蛋白質(zhì)，用32P標記DNA，然后與細菌混合培養(yǎng)，最后檢測上清液和沉淀物中的放射性強度。
3反思
通過上述分析，可以看出高考生物學(xué)試題對探究實驗的考查是多角度、多維度的。實驗設(shè)計的考查都不離開實驗變量的分析。教師以實驗變量分析為抓手，往往能使考生快速打開解題之門，還能提高答題準確率。因此，厘清實驗題中隱含的自變量和因變量及無關(guān)變量對解題有很大的幫助。當然，以上方法只是實驗分析的敲門磚，對于具體的實驗設(shè)計，往往還會涉及到變量控制等方法。
參考文獻：
［1］張秀球.“控制變量法”與高考化學(xué)試題命制［J］.中國考試，2013，（9）：48-56.
［2］李進京.例談生物實驗中變量的確定與應(yīng)用［J］.新高考（高三理化生），2014，（5/6）：82-85.
［3］羅惠峰.例析變量分析法在解答高考生物學(xué)實驗題中的應(yīng)用［J］.生物學(xué)教學(xué)，2018，（8）：74-75.
作者：羅惠峰 單位：廣東省江門市棠下中學(xué)