夏幫青

高中生物學(xué)各種類型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類題目的解答都與變量有關(guān)。實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)一般分為四步：（1） 取材，分組，編號(hào)。生物學(xué)試驗(yàn)中所用的材料包括生物材料、器皿、試劑等（此步驟操作中要排除實(shí)驗(yàn)材料中無關(guān)變量的干擾）。（2） 對(duì)照設(shè)置（進(jìn)行實(shí)驗(yàn)變量處理）。（3） 繼續(xù)處理（無關(guān)變量適宜且穩(wěn)定）。（4） 反應(yīng)變量的檢測(cè)。可見實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都必須做好相關(guān)變量的確認(rèn)和操控。其解題模型如圖1所示。

可見，只要抓住變量，就可以建立解題模式，使解題有“法”可依，有“路”可循?，F(xiàn)舉例說明如下。

1 變量的確認(rèn)

1.1 變量的類型

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的變量是指可被操縱的特定因素或條件。根據(jù)其在實(shí)驗(yàn)中的作用，可分以下幾種情況：

1.1.1 實(shí)驗(yàn)變量與反應(yīng)變量

實(shí)驗(yàn)變量，也稱自變量，指實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件;反應(yīng)變量也稱因變量，指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)變量所引起的變化結(jié)果。通常實(shí)驗(yàn)變量是原因，反應(yīng)變量是結(jié)果，兩者之間具有必然的因果關(guān)系。

1.1.2 無關(guān)變量與額外變量

無關(guān)變量也稱控制變量，指實(shí)驗(yàn)中除實(shí)驗(yàn)變量以外的，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的因素或條件，并非與實(shí)驗(yàn)“無關(guān)”，只不過不是實(shí)驗(yàn)中要研究的目標(biāo)。額外變量也稱干擾變量，指實(shí)驗(yàn)中由無關(guān)變量控制不當(dāng)引起的變化和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作中應(yīng)力求使實(shí)驗(yàn)組之間以及實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的無關(guān)變量保持相同且適宜，避免額外變量的干擾，便于清晰地研究實(shí)驗(yàn)變量和因變量的關(guān)系。

1.2 實(shí)驗(yàn)變量和因變量的確認(rèn)

通常有以下幾種確認(rèn)方法：

（1） 直觀法：即由實(shí)驗(yàn)名稱或?qū)嶒?yàn)?zāi)康闹苯诱业綄?shí)驗(yàn)變量和因變量。

實(shí)驗(yàn)變量和因變量一般隱含在題干的信息中，因此可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)材料等已知條件確定實(shí)驗(yàn)變量和反應(yīng)變量。實(shí)驗(yàn)課題一般可描述或轉(zhuǎn)化為：“……對(duì)……的作用或影響”或“……是……”的格式。在“對(duì)”或“是”之前的中心詞可認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)變量，而在“對(duì)”或“是”之后的中心內(nèi)容部分可認(rèn)為是反應(yīng)變量。例如：① 探究pH對(duì)酶活性的影響;② 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，觀察生長(zhǎng)素或生長(zhǎng)素類似物對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響;③ 驗(yàn)證二氧化碳是綠色植物光合作用的原料;④ 驗(yàn)證鎂是植物生活的必需元素……在上述問題中，實(shí)驗(yàn)變量可分別確定為：pH;生長(zhǎng)素或生長(zhǎng)素類似物;二氧化碳;鎂。

（2） 逆推法：有些實(shí)驗(yàn)不能由實(shí)驗(yàn)名稱或?qū)嶒?yàn)?zāi)康恼业綄?shí)驗(yàn)變量，可由實(shí)驗(yàn)結(jié)果（因變量）逆向推出導(dǎo)致其產(chǎn)生的直接原因即為實(shí)驗(yàn)變量。例如“探究成熟的植物細(xì)胞的吸水和失水的原因”實(shí)驗(yàn)中，植物細(xì)胞失水（因變量）的原因是外界溶液濃度大于細(xì)胞液濃度，吸水（因變量）的原因是外界溶液濃度小于細(xì)胞液濃度，而成熟的植物細(xì)胞失水和吸水主要取決于原生質(zhì)層內(nèi)外的濃度差，所以濃度差是失水和吸水的原因，即實(shí)驗(yàn)變量（表1）。

（3） 對(duì)比法：有些較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)還可以從實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組中找出其中不同的量，而且它又是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果（因變量）的必然原因，這個(gè)量即為實(shí)驗(yàn)變量。

2 變量與實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 操縱實(shí)驗(yàn)變量

操縱實(shí)驗(yàn)變量是指設(shè)法給研究對(duì)象施加干擾，造成實(shí)驗(yàn)對(duì)象的變化，從而使研究對(duì)象在被干擾狀態(tài)中反映出某種現(xiàn)象和屬性。不同的實(shí)驗(yàn)有不同的操縱實(shí)驗(yàn)變量的方法，一般來說有兩種情況。一種情況是如果實(shí)驗(yàn)變量是一個(gè)外在的條件，一般運(yùn)用實(shí)驗(yàn)控制的加法原理來操縱實(shí)驗(yàn)變量，即設(shè)法給研究對(duì)象施加實(shí)驗(yàn)變量的干擾，造成研究對(duì)象的變化，從而使研究對(duì)象在被激發(fā)狀態(tài)中反映其某些特征。例如，在“SO2對(duì)植物葉片的影響”的實(shí)驗(yàn)中，就是通過實(shí)驗(yàn)組對(duì)生活著的植物葉片（研究對(duì)象）施加實(shí)驗(yàn)變量（SO2）來觀察葉片的生長(zhǎng)狀況。

另一種情況是如果實(shí)驗(yàn)變量是一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，一般運(yùn)用實(shí)驗(yàn)控制的減法原理來操縱實(shí)驗(yàn)變量，即設(shè)法排除實(shí)驗(yàn)變量對(duì)研究對(duì)象的干擾，同時(shí)盡量保持被研究對(duì)象的穩(wěn)定。如在“探究種子萌發(fā)的外界條件”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)變量分別是水、溫度和空氣，但它們同時(shí)又都是種子萌發(fā)的外界條件，這時(shí)實(shí)驗(yàn)組在設(shè)計(jì)時(shí)可分別設(shè)法減去水、溫度和空氣對(duì)種子萌發(fā)的影響。

2.2 控制無關(guān)變量的影響

最常用的控制無關(guān)變量的主要方法見表2。

2.3 檢測(cè)因變量

如何知道因變量的結(jié)果呢？就要確定觀察和測(cè)量的指標(biāo)和方法，即觀察指標(biāo)。它是指在觀察的現(xiàn)象中用什么指標(biāo)來反映和表達(dá)因變量。在實(shí)驗(yàn)步驟的最后一句話往往是關(guān)于觀察指標(biāo)的，“觀察……的變化“，其中“……的變化”就是觀察指標(biāo)。例如，“比較過氧化氫酶和Fe3+的催化效率”中，反應(yīng)變量是催化效率的高低，相應(yīng)的觀察指標(biāo)分別是產(chǎn)生氣泡多少的比較、冒氣泡時(shí)間長(zhǎng)短的比較和衛(wèi)生香燃燒情況的比較。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可直接觀測(cè)得到，有下列兩種情況：

（1） 可直接觀測(cè)的因變量（表3）。

（2） 隱蔽的因變量的檢測(cè)（表4）。

因變量如何檢測(cè)還要根據(jù)題目所給試劑及生物材料特性來確定。

2.4 預(yù)測(cè)因變量的結(jié)果，推理得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論

觀察、實(shí)驗(yàn)的價(jià)值即在于獲得驗(yàn)證性的結(jié)果。因此，在實(shí)驗(yàn)中要記錄好實(shí)驗(yàn)的觀察指標(biāo)即實(shí)驗(yàn)的事實(shí)、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，捕捉、記錄由實(shí)驗(yàn)變量而帶來的因變量。然后，論證、說明實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)變量與因變量的因果關(guān)系，從而得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。探究性實(shí)驗(yàn)因?yàn)槭翘剿餮芯繉?duì)象的未知屬性、特征以及與其他因素的關(guān)系，需要對(duì)探究?jī)?nèi)容做出假設(shè)。假設(shè)一般采用“如果A，則B（A代表預(yù)期出現(xiàn)的結(jié)果或結(jié)論，B代表可能觀察到的現(xiàn)象）”的形式表述，是根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)理論、事實(shí)，對(duì)所要研究的對(duì)象設(shè)想出一種或幾種可能性的答案、解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)方法為對(duì)應(yīng)假設(shè)，分類討論，一般采用“如果B，說明A（A代表預(yù)期出現(xiàn)的結(jié)果或結(jié)論，B代表可能觀察到的現(xiàn)象）”的形式表述。而驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一般只有一種預(yù)期結(jié)果。

例如某實(shí)驗(yàn)小鼠適宜生活在25℃左右的環(huán)境中，為探究低于適宜溫度的環(huán)境（如10℃）對(duì)小鼠能量代謝的影響（能量代謝的強(qiáng)弱用單位時(shí)間的耗氧量表示），請(qǐng)依據(jù)所給的實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）、實(shí)驗(yàn)材料和用品，在給出的實(shí)驗(yàn)方法和步驟的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完成探究實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論，并回答問題。

實(shí)驗(yàn)室溫度：25℃左右

材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等

方法和步驟：

步驟1：將小鼠放入廣口瓶的籠子內(nèi)，加塞密閉。打開夾子A、B、C，片刻后關(guān)閉夾子B，用注射器抽取10 mL氧氣備用。關(guān)閉夾子C，打開夾子B，使水檢壓計(jì)液面左右平齊。

步驟2： ? ?。

步驟3： ? ? ? ? ? 。

結(jié)果預(yù)測(cè)和結(jié)論：

① ? ? ? ? ? ;

② ? ? ? ? ?;

③ ? ? ? ? ?。

該實(shí)驗(yàn)最可能的結(jié)果和結(jié)論應(yīng)是 ? ? ?。原因是 ? ? ? ? ? ? ?。

解析：本題文字信息多，學(xué)生一時(shí)無從下手。如果根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的模型解題，就能夠化復(fù)雜為簡(jiǎn)單。

首先，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且骄康陀谶m宜溫度的環(huán)境對(duì)小鼠能量代謝的影響，因此，涉及的變量肯定是溫度。實(shí)驗(yàn)變量的操作可通過低于適宜溫度和適宜溫度兩種情況下小鼠能量代謝的強(qiáng)度的比照來得出結(jié)論。在操作上，設(shè)置低于適宜環(huán)境溫度的環(huán)境，可以通過題目給定的冰袋來解決。

其次，考慮用什么來觀察因變量呢？題目要求，能量代謝的強(qiáng)弱是通過單位時(shí)間內(nèi)耗氧量來表示的，所以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要檢測(cè)的是不同溫度條件下氧氣的消耗。氧氣的消耗如何測(cè)定呢？仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)裝置中各結(jié)構(gòu)作用：氧氣袋是供氧的，本身沒有刻度指標(biāo)，無法度量，當(dāng)然不能作為耗氧量的判斷依據(jù);注射器是有刻度的，可以用來測(cè)量，但只能通過它知道注入廣口瓶中的氧氣量，而無法知道這些氧氣有多少被小鼠消耗;實(shí)驗(yàn)裝置中的水檢壓計(jì)是干什么用的呢？顯然，這個(gè)裝置中液面的改變可以反映廣口瓶中氣壓的變化，而這個(gè)氣壓的變化正是小鼠消耗氧氣導(dǎo)致的（二氧化碳被氫氧化鈉吸收，因此廣口瓶中二氧化碳不會(huì)影響氣壓的變化）。但水檢壓計(jì)是沒有刻度的，怎么知道小鼠在不同情況下耗氧量的變化呢？題目告知，測(cè)定的方法是用單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量表示，且在材料用具中給出了秒表。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)，難以通過相同時(shí)間內(nèi)的耗氧量來表示小鼠的呼吸強(qiáng)度，因?yàn)樗畽z壓計(jì)上沒有刻度。但換個(gè)思路，可以測(cè)定在不同溫度條件下，消耗等量的氧氣引起水檢壓計(jì)刻度相同變化所需的時(shí)間。水檢壓計(jì)左右液面原來是平衡的，當(dāng)給廣口瓶中注入氧氣后，液面就會(huì)發(fā)生變化，左高右低，隨著小鼠對(duì)氧的消耗，水檢壓計(jì)的左右液面會(huì)趨于平衡，達(dá)到平衡需要的時(shí)間，是可以測(cè)定的。這樣，在不同溫度條件下，小鼠消耗相同體積的氧氣量就可以通過水檢壓計(jì)液面恢復(fù)左右平衡的時(shí)間來表示。

實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么樣的結(jié)果呢？比較兩種情況下的耗氧量無非有3種結(jié)果：相等、大于或小于。根據(jù)這3種結(jié)果，分別得出3種結(jié)論。反過來思考也可以：溫度對(duì)小鼠的能量代謝可能是沒有影響的;可能是使小鼠代謝活動(dòng)加強(qiáng)的，也可能是使代謝活動(dòng)減弱的。

由于小鼠是恒溫動(dòng)物，在低溫條件下需要消耗更多的能量來維持體溫，因此低溫下的代謝會(huì)加強(qiáng)，消耗相同的氧氣所需要的時(shí)間在低溫下要比高溫下少。

答案：步驟2：待小鼠安靜后，關(guān)閉夾子A，記下時(shí)間，將注射器向前推進(jìn)5 mL（推進(jìn)數(shù)量合理即可），水檢壓計(jì)液面左側(cè)升高，關(guān)閉夾子B，待水檢壓計(jì)的液面左右平齊時(shí)，記錄時(shí)間。得到在25℃環(huán)境中小鼠消耗5 mL氧氣所用的時(shí)間。

步驟3：將冰袋放在廣口瓶周圍，調(diào)節(jié)距離，使瓶?jī)?nèi)溫度穩(wěn)定在10 ℃，待小鼠安靜后，重復(fù)步驟1、2中的有關(guān)操作。得到在10 ℃環(huán)境中小鼠消耗5 mL氧氣所用時(shí)間。

結(jié)果預(yù)測(cè)和結(jié)論：

① 10℃時(shí)小鼠消耗5 mL氧氣所用的時(shí)間少于25 ℃時(shí)，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時(shí)，能量代謝會(huì)加強(qiáng)。

② 10 ℃時(shí)小鼠消耗5 mL氧氣所用的時(shí)間時(shí)，多于25 ℃，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時(shí)，能量代謝會(huì)減弱。

③ 10 ℃時(shí)小鼠消耗5 mL氧氣所用的時(shí)間等于25 ℃時(shí)，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時(shí)，能量代謝不受影響。

最可能的結(jié)果和結(jié)論是：消耗5 mL氧氣所用的時(shí)間10 ℃時(shí)少于25 ℃時(shí)，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時(shí)，能量代謝會(huì)加強(qiáng)。原因是小鼠為恒溫動(dòng)物，在10 ℃時(shí)比在25 ℃時(shí)維持體溫所消耗的能量多。