張韶杰

摘要結(jié)合近幾年實驗與探究類高考題，總結(jié)歸納實驗設(shè)計的五個要素和五個原則，為改進(jìn)實驗教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)提供理論依據(jù)和實驗指南。

關(guān)鍵詞探究實驗 自變量 因變量 無關(guān)變量

中圖分類號G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

近幾年的高考試題及新考試說明無不體現(xiàn)出對實驗與探究能力考查的重視程度，與此同時，考生在這類題目上的信心和得分率也是比較低的。究其原因，是學(xué)生平時做題時沒有進(jìn)行及時的總結(jié)歸納，對實驗相關(guān)理論的學(xué)習(xí)從高一開始就是支離破碎的。經(jīng)過高中的學(xué)習(xí)，學(xué)生對這類題目已經(jīng)有了量的積累，因此，教師可在二輪復(fù)習(xí)中向?qū)W生系統(tǒng)性地講解實驗相關(guān)理論。實驗是依據(jù)假設(shè)，在人為控制條件下，對實驗變量的變化和結(jié)果進(jìn)行捕獲解釋的科學(xué)方法。一個實驗可從五個要素、五個原則進(jìn)行分析。

1假設(shè)與假設(shè)驗證原則

這是現(xiàn)代科學(xué)研究中常用的一種科學(xué)方法，即假說一演繹法，可分為發(fā)現(xiàn)問題、提出假說、演繹推理、實驗驗證、得出結(jié)論五個步驟。學(xué)生大多不太理解“演繹”，其實演繹相當(dāng)于“紙上談兵”，還沒有進(jìn)行真正的實驗證明。例如，用遺傳圖解推出一個雜交實驗結(jié)果就是演繹。假設(shè)驗證是科學(xué)實驗的必要環(huán)節(jié)和應(yīng)遵循的程序準(zhǔn)則。孟德爾兩大遺傳定律的發(fā)現(xiàn)、摩爾根證明基因在染色體上、甚至整本必修2教材都明顯地貫穿了假說一演繹法。高考也非常重視對假說一演繹法的考查，尤其是在遺傳探究題目中，如2013新課標(biāo)Ⅱ卷第32題，2014全國I卷第32題，2016全國I卷第32題等。

2變量與單一變量原則

2.1自變量與因變量

人為改變的變量稱為自變量，隨自變量的變化而變化的變量稱為因變量。自變量和因變量是實驗的靈魂所在，抓住了它們就抓住了實驗的大致思路。很多實驗題目的考查，或者直接回答自變量與因變量，如2015全國I卷第29題，2015安徽卷第29題等;或者要求考生在吃透實驗自變量和因變量的前提下，才能準(zhǔn)確作答。如“實驗?zāi)康摹钡臅鴮懣梢?guī)范為“探究（或驗證）某自變量對某因變量的影響”，實驗標(biāo)題也同樣如此確定。同理，考生可從實驗?zāi)康幕驅(qū)嶒灅?biāo)題中尋找自變量和因變量，從而把握實驗的大致設(shè)計思路。高考中多次出現(xiàn)書寫實驗思路、實驗步驟的題目，如2002全國卷27題、2003新課標(biāo)卷27題、2017全國I卷第29題等。

這類題目的書寫可按“四步法”進(jìn)行：材料分組編號（設(shè)置對照試驗）、對不同的對象施以不同的處理（控制自變量）、給以相同且適宜的條件（控制無關(guān)變量）、實驗結(jié)果的觀察與記錄（檢測因變量）?！八牟椒ā辈⒎且欢ㄊ撬膫€步驟，而是像作文提綱一樣，有助于考生快速地組織簡練的語言作答。

2.2無關(guān)變量

除自變量外，實驗過程中可能還會存在一些可變因素，對實驗結(jié)果造成影響。之所以稱之為“無關(guān)”，不是因為這些量不發(fā)生變化或不會影響實驗結(jié)果，而是要求在實驗中嚴(yán)格控制好這些無關(guān)變量，使它們的變化不能干擾自變量的作用結(jié)果，即要遵循單一變量原則。

2.3單一變量原則

這是處理實驗中的復(fù)雜變量關(guān)系的準(zhǔn)則之一，有兩層含義：①確保“單一變量”的實驗觀測，即不論一個實驗中有幾個自變量，都應(yīng)做到一個自變量對應(yīng)觀測一個因變量，這也符合函數(shù)中映射的概念;②確?！皢我蛔兞俊钡牟僮饕?guī)范，即實驗實施中除了要觀察的自變量外，其他變量都應(yīng)當(dāng)始終保持相同。只有這樣做才能最大限度地避免無關(guān)變量的干擾。分析實驗結(jié)果得出相應(yīng)的實驗結(jié)論即是對這一原則的考查，如2013新課標(biāo)Ⅱ卷第29題，2016全國Ⅲ卷第29題，2016全國Ⅱ卷第31題等。分析時，必須堅持單一變量原則，否則會導(dǎo)致分析混亂，所得結(jié)論也不科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

3控制與平衡控制原則

控制主要指實驗要嚴(yán)格地均衡無關(guān)變量，以消除額外變量。實驗中的無關(guān)變量一般是無法避免的，這就需要通過平衡控制來抵消它們的影響，盡量消除實驗誤差，以取得較為精確的實驗結(jié)果。常用的方法是增設(shè)對照組和進(jìn)行平行重復(fù)實驗。教材中多處體現(xiàn)了平行重復(fù)實驗的方法，如“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”時對多個樣本的觀察;“性狀分離比的模擬”實驗中分別從兩個桶內(nèi)隨機抓取一個小球并記下字母組合，重復(fù)該步驟50～100次。

4對照與實驗對照原則

除了一個因素其余因素都保持不變的實驗叫對照實驗。對照實驗一般要設(shè)置對照組和實驗組。實驗組是接受自變量處理的對象組;對照組也稱控制組，對實驗假設(shè)而言，是不接受自變量處理的對象組。理論上，由于實驗組與對照組的無關(guān)變量的影響是相等的、被平衡了的，故實驗組與對照組兩者之差異，可以認(rèn)定為是來自自變量的效果，這樣的實驗結(jié)果是可信的。2017全國Ⅱ卷第30題就直接考查了設(shè)置對照組的目的：既可排除無關(guān)變量的影響，保證實驗結(jié)果是由自變量引起的，又可增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。

對照實驗可分為以下幾種類型。

4.1空白對照

空白對照指不做任何實驗處理的對象組，能明白地對比和襯托出實驗組的變化和結(jié)果，增強了說服力。例如，在“探究土壤微生物的分解作用”實驗中，學(xué)生往往不理解為何不做處理的土壤組是對照組，而高溫滅菌過的土壤組卻是實驗組。教材中“落葉是在土壤微生物的作用下腐爛的嗎”這句話可看作本實驗的目的，同時也表明白變量為“是否有土壤微生物”。對于土壤中的落葉，存在微生物才是自然狀態(tài)，是未處理狀態(tài)，故為對照組。

4.2自身對照

自身對照指實驗與對照在同一對象上進(jìn)行，不另設(shè)對照。自身對照方法簡便，關(guān)鍵是要理解實驗處理前后實驗對象本身變化的差異。

例如，“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實驗中每隔一段時間酵母菌的數(shù)量就形成了自身對照。又如，在“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”中，對洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞進(jìn)行的三次觀察構(gòu)成了自身對照等。

4.3條件對照

條件對照指雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理不是實驗假設(shè)所給定的自變量。設(shè)置條件對照，能更充分地說明自變量對因變量的影響。

例如，以蝌蚪為實驗材料，甲組（實驗組）飼喂甲狀腺激素;乙組（條件對照）飼喂甲狀腺激素抑制劑;丙組（空白對照組）對蝌蚪不做任何處理。本實驗的自變量是有無甲狀腺激素，通過比較、對照更能說明實驗變量——甲狀腺激素有促進(jìn)動物生長發(fā)育的作用。又如，艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)的實驗中，第三組加入S型菌的DNA和DNA酶也可看作是條件對照。

4.4相互對照

相互對照也叫對比實驗，即設(shè)置兩個或兩個以上的實驗組，而不另設(shè)對照組，通過對結(jié)果的比較分析，來探究某種因素與實驗對象的關(guān)系。例如，在“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”中，需要設(shè)置有氧和無氧兩種條件，探究酵母菌在不同O：條件下細(xì)胞呼吸的方式。這兩個組的結(jié)果都是事先未知的，都可看作實驗組。再如，魯賓和卡門利用同位素標(biāo)記法探究O：中的氧是來自H20還是COs，赫爾希和蔡斯利用同位素標(biāo)記法探究噬菌體的遺傳物質(zhì)是DNA還是蛋白質(zhì)等。2017全國I卷第29題考查了學(xué)生如何設(shè)計對比實驗。5捕獲解釋和真實客觀原則

捕獲指捕捉、記錄實驗中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，解釋指論證、說明實驗中的自變量與因變量的因果關(guān)系，從而得出結(jié)論。真實客觀原則是科學(xué)實驗所必須遵循的基本準(zhǔn)則，即實驗中的捕獲解釋一定要實事求是，使獲取的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)盡可能地反映客觀事物的本來面目。高考對這一原則的考查主要體現(xiàn)在要求學(xué)生通過某些實驗數(shù)據(jù)得出合理的實驗結(jié)論，考生所犯錯誤主要集中在主觀臆測、憑空胡謅、片面武斷等，如2016全國I卷第30題，2013新課標(biāo)Ⅱ卷第29題等。

以上實驗的五個要素和五項原則，是相互聯(lián)系、整合為一體的。教材雖然有相關(guān)介紹，但較為零散且缺乏更多的實例輔助。在學(xué)生己積累了大量實驗類題目的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗基本理論進(jìn)行系統(tǒng)性的整理歸納，可以使學(xué)生的實驗與探究能力得到質(zhì)的提升。實驗基本理論的探討，也為改進(jìn)實驗教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)提供了理論依據(jù)和實驗指南。