孫幼芬

在近年來的生物學高考中，實驗設(shè)計題已成了一種重要題型。實驗設(shè)計題側(cè)重考查學生的實驗能力、思維能力和創(chuàng)新能力等各方面的能力，以及進行科學實驗的思想和方法，能較好地體現(xiàn)當前教學改革特別是考試改革的要求。實驗設(shè)計題的能力要求高，難度較大，學生往往感到比較困難。從解題技巧的角度來看，總體上可以分以下幾步進行：① 了解題目要求；② 明確實驗目的；③ 分析實驗原理；④ 確定實驗思路；⑤ 設(shè)計實驗步驟；⑥ 預期結(jié)果與分析。但在實際的高考閱卷過程中發(fā)現(xiàn)學生在實驗設(shè)計過程中因語言描述不規(guī)范失分的情況十分突出，下面就實驗設(shè)計中各個環(huán)節(jié)的語言描述作一些例析。

1 探究性或驗證性實驗的“實驗題目或目的”的描述

考查實驗題目需從試題提供的文字、表格或曲線信息中找出自變量或因變量后，有時實驗中的自變量可能是一個，即單自變量，有時為多個，即多自變量。對驗證性實驗來說，實驗目的與實驗結(jié)論是相對應(yīng)的，只要在書寫實驗結(jié)論時重復實驗目的的相關(guān)語句即可。通常可以采用的表達方式有“探究（或驗證）自變量對因變量的影響”“探究（或驗證）因變量與自變量之間的關(guān)系”或“因變量與自變量之間關(guān)系的研究”。

【例1】 現(xiàn)有與某種植物種子萌發(fā)有關(guān)的4組實驗處理如表1所示。

嘗試通過表格信息書寫不同組別對照實驗的實驗目的：

（1） 僅做Ⅰ組與Ⅱ組實驗，其實驗目的是

。

（2） 僅做Ⅰ組與Ⅲ組實驗.其實驗目的是

。

（3） 僅做Ⅱ組與Ⅳ組實驗，其實驗目的是

。

（4） 僅做Ⅱ組與Ⅲ組實驗，能否獲取確切的實驗目的？為什么？

。

解析：解答本題的關(guān)鍵在于通過對照實驗，確定自變量（實驗中必須保持單一性），在此基礎(chǔ)上分析說明因變量的變化緣由。由表格及題干可知本題是探究自變量對種子萌發(fā)的影響，即實驗中的因變量為種子的萌發(fā)情況。通過Ⅰ組與Ⅱ組對照可知，自變量為種皮的完整性，故實驗目的可描述為：探究機械破損種皮對該種子萌發(fā)的影響。通過Ⅰ組與Ⅲ組對照可知，自變量為種皮完整條件下有無赤霉素，故實驗目的可描述為：探究種皮完整條件下赤霉素對該種子萌發(fā)的影響。通過Ⅱ組與Ⅳ組對照可知，自變量為機械破損條件下有無赤霉素，故實驗目的可描述為：探究機械破損條件下赤霉素對該種子萌發(fā)的影響。通過Ⅱ組與Ⅲ組分析發(fā)現(xiàn)自變量不具有單一性，故無法形成對照。

答案：（1） 探究機械破損種皮對該種子萌發(fā)的影響

（2） 探究種皮完整條件下赤霉素對該種子萌發(fā)的影響

（3） 探究機械破損條件下赤霉素對該種子萌發(fā)的影響

（4） 不能 Ⅱ組與Ⅲ組對照，自變量不單一

2 探究性實驗的“實驗假設(shè)”的描述

對探究性實驗來說，假設(shè)對所要研究的對象設(shè)想一種或幾種可能的答案或解釋，即提出可能的實驗原理。假設(shè)的書寫往往針對實驗目的以陳述句式進行表述?？刹捎玫拿枋鲇小叭绻F(xiàn)象，則……結(jié)論”；“當條件X存在時，事件P（實驗現(xiàn)象）會發(fā)生”或“當條件X存在時，事件P（實驗現(xiàn)象）不發(fā)生”或“當條件X存在時，對事件P（實驗現(xiàn)象）沒有影響”。

【例2】 某研究所在蝴蝶蘭培育的過程中使用了磷胺，發(fā)現(xiàn)磷胺污染可導致細胞出現(xiàn)分裂間期的微核現(xiàn)象（圖1），微核與主核有相同染色效果，但體積較小?？赏ㄟ^觀測統(tǒng)計微核率和微核細胞率的大小，認識和評估污染物對生物的影響。請就磷胺濃度和溶液pH（6～8）對微核數(shù)和微核細胞數(shù)的影響設(shè)計實驗進行探究。

材料用具：培養(yǎng)皿、質(zhì)量分數(shù)為10%和20%的磷胺溶液等。

（1） 假設(shè)： 。

（2） 主要方法步驟：

① 對大豆種子浸種，在適宜條件下萌發(fā)生根。

② 。

③ 一段時間后，取出已生根的種子，然后用蒸餾水沖洗，并移至蒸餾水中再培養(yǎng)一定時間（約2個細胞周期）， 。

④ 鏡檢、記錄和統(tǒng)計。

解析：由于磷胺等污染物有致畸、致癌和致突變效應(yīng)，該實驗的假設(shè)應(yīng)為磷胺污染程度與植物細胞的微核率和微核細胞率呈正相關(guān)，且受pH的影響。探究“磷胺濃度和溶液pH（6～8）”雙因素對微核數(shù)和微核細胞數(shù)的影響，因此需配制不同濃度、不同pH的磷胺溶液，每一個實驗變量至少考慮分成3組，在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間，最后按照“固定（卡諾氏固定液）→解離（質(zhì)量分數(shù)為15%的鹽酸和體積分數(shù)為95%的酒精按1∶1混合）→漂洗（蒸餾水）→染色（醋酸洋紅液或質(zhì)量濃度為0.01 g/mL或0.02 g/mL的龍膽紫溶液）→制片”制作根尖臨時裝片，顯微鏡觀察并統(tǒng)計微核數(shù)和微核細胞數(shù)，為了確保實驗結(jié)果的準確性，每組實驗至少要制作3個裝片進行觀察。

答案：（1） 磷胺污染程度與植物細胞的微核率和微核細胞率呈正相關(guān)，且受pH的影響

（2） ② 將萌發(fā)生根的大豆種子隨機等量分成3大組（每大組至少3小組）并編號，分別浸泡在等體積的，pH分別為6、7、8的，磷胺濃度為0、10%、20%的溶液中相同且適宜的時間

③ 按“解離→漂洗→染色→制片”制作根尖臨時裝片

3 探究性或驗證性實驗的“實驗原理”的描述

分析實驗原理可以明確實驗操作步驟，分清是生化實驗類型還是生理實驗類型。實驗原理中“因變量的觀測指標”可作為實驗結(jié)果的參考。在語言描述過程應(yīng)關(guān)注自變量與因變量間的內(nèi)在聯(lián)系以及自變量的操作情況，因變量的觀測指標。

【例3】 為了驗證胰島素具有降低血糖的作用，以小鼠的活動狀況為觀察指標設(shè)計實驗。某同學的實驗方案如下：

① 將正常小鼠隨機分成A、B兩組，觀察并記錄其活動狀況。② A組小鼠注射適量胰島素溶液，B組小鼠注射等量生理鹽水。一段時間后，A組小鼠會出現(xiàn)四肢無力，活動減少，甚至昏迷等低血糖癥狀，B組小鼠活動狀況無變化。③ A組小鼠出現(xiàn)低血糖癥狀后，分別給A、B兩組小鼠注射等量葡萄糖溶液。一段時間后，A組小鼠低血糖癥狀緩解，B組小鼠活動狀況無變化。

該實驗方案可以說明胰島素具有降低血糖的作用。

請回答：

該實驗的原理：

。

解析：實驗原理可以依據(jù)已知的實驗目的和材料書寫，也可以在實驗完成后，根據(jù)實驗的過程和步驟等來書寫。其內(nèi)容一方面?zhèn)戎赜趯懗鰹槭裁催@樣操作，另一方面則是側(cè)重于寫出為什么出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。這里面涵蓋了自變量作用的科學依據(jù)、操作自變量的原理和因變量獲得的原理等。學生在解題時的常見錯誤如下：

（1） 錯將實驗原理寫成實驗原則，如單一變量原則、對照原則，沒有理解實驗原理的實質(zhì)。

（2） 實驗原理不完整，如只回答胰島素具有降低血糖的作用。

（3） 觀察指標闡述錯誤，如本題中已經(jīng)明確指出以小鼠的活動狀況為觀察指標設(shè)計實驗，但很多學生還是把觀察指標寫成直接檢測血糖濃度。

答案：胰島素具有降低血糖的作用。體內(nèi)胰島素含量過高引起血糖下降，機體出現(xiàn)活動減少，甚至昏迷等低血糖癥狀，此癥狀可以通過補充葡萄糖溶液得到緩解

4 探究性或驗證性實驗的“實驗步驟”的描述

實驗步驟的描述可分為以下幾個環(huán)節(jié)：

① 主要是分組編號，設(shè)置對照，以描述“無關(guān)變量”，如選材時經(jīng)常使用的描述：“選取年齡、性別相同，健康且發(fā)育狀況相同的同種動物”，“選取長勢相同、大小相似的同種植物”等。分組時注意強調(diào)“隨機均分（或等分）為X組”?！熬幪枮锳、B……組”或“編號為甲、乙……組”。

② 主要是對實驗組別進行處理，以描述自變量如何控制，無關(guān)變量如何平衡，如實驗組“用適量的某溶液”處理，對照組“用等量的蒸餾水（或生理鹽水或清水）”處理，且“每組都在相同且適宜的條件下培養(yǎng)（或飼養(yǎng)）”或“觀察相同的時間”。

③ 主要是針對實驗結(jié)果的處理，以描述因變量怎樣檢測，如“一段時間后，觀察（現(xiàn)象）或測量（數(shù)據(jù)），做好記錄（并計算出平均值）”。

【例4】 請設(shè)計一個實驗比較過氧化氫酶和Fe3+的催化效率。

（1） 實驗原理：新鮮的肝臟中含有過氧化氫酶，F(xiàn)e3+是一種無機催化劑，它們都可以催化過氧化氫分解成水和氧。

（2） 實驗器材：新鮮的質(zhì)量分數(shù)為20%的肝臟（如豬肝、雞肝）研磨液，量筒，試管，滴管，恒溫水浴鍋，試管架，衛(wèi)生香，火柴，體積分數(shù)為3%的H2O2溶液，質(zhì)量分數(shù)為3.5%的FeCl3溶液，蒸餾水。

（3） 實驗步驟：

① 。

② 。

③ 。

（4） 設(shè)計表格記錄實驗步驟，并填寫出相應(yīng)的現(xiàn)象與結(jié)論。

解析：本題要同時驗證酶具有催化作用和高效性，因此應(yīng)遵循對照原則、單一變量原則和科學性原則。整個實驗中，不同處理的試管中O2釋放最快的是加酶溶液的試管，其次是加FeCl3溶液的試管，最慢的是加蒸餾水的試管，由此可得出的結(jié)論是酶具有催化作用且其催化作用具有高效性。

答案：（3） ① 取3支試管編號甲、乙、丙，分別加入等量且適量的H2O2溶液（5 mL），放入37 ℃恒溫水浴鍋中適當保溫一段時間

② 分別向甲乙丙3支試管中加入等量且適量的蒸餾水、FeCl3溶液和肝臟研磨液（兩滴）

③觀察各試管中釋放氣泡的快慢（或者將點燃但無火焰的衛(wèi)生香分別放到3支試管的管內(nèi)液面上方，觀察并記錄哪支衛(wèi)生香燃燒更猛烈）

（4） 如表2所示：

5 探究性或驗證性實驗的“結(jié)果與結(jié)論”的描述

探究性實驗可先假設(shè)可能的實驗結(jié)論，再得出實驗結(jié)果，常需分類討論。實驗結(jié)論要根據(jù)可能的實驗結(jié)果進行分析，進而得出結(jié)論；驗證性實驗的實驗結(jié)果可依據(jù)實驗原理中的因變量寫出，實驗結(jié)論即驗證性實驗的目的，如“驗證……”“證明……”等。

【例5】 為探究一定溫度對甲狀腺激素的生物活性的影響，現(xiàn)使用容積相同的幾只玻璃缸、同齡且發(fā)育狀態(tài)相同的小蝌蚪60只、蝌蚪常用飼料、未經(jīng)處理的具有生物活性的甲狀腺激素、50 ℃溫水處理了10 min的原來具有生物活性的甲狀腺激素等材料用具進行實驗。具體方法見表3（“√”代表等量加入）。

請完成下列預期及分析得出的結(jié)論（觀察指標中各缸中蝌蚪發(fā)育成青蛙所需時間的長短）：

（1） 現(xiàn)象：若甲>乙=丙；結(jié)論：甲狀腺激素50℃溫水處理后活性不發(fā)生改變。

（2） 現(xiàn)象：若________；結(jié)論：甲狀腺激素50℃溫水處理后失去活性。

（3） 現(xiàn)象：若________；結(jié)論：甲狀腺激素50℃溫水處理后活性降低。

（4） 現(xiàn)象：若甲>乙>丙，結(jié)論： 。

解析：根據(jù)試題提供的圖表信息，可知各個玻璃缸中的蝌蚪數(shù)和常用飼料均相同，而甲狀腺激素卻受到常溫或50 ℃溫水的處理。因此本實驗的目的，即探究溫度對甲狀腺激素的生物活性的影響。甲缸為空白對照組，乙缸為常溫實驗組，丙缸為高溫實驗組。甲狀腺激素可促進小動物的發(fā)育，激素的含量不同則小動物生長發(fā)育到一定程度所需要的時間就會有差異，或者說，相同時間的情況下，不同組別的小動物發(fā)育程度會有差別。因此，若甲狀腺激素在50 ℃溫水處理后活性不發(fā)生改變，則甲>乙=丙；若甲狀腺激素50 ℃溫水處理后失去活性，則甲=丙>乙；若甲狀腺激素50 ℃溫水處理后活性降低，則甲>丙>乙；若甲狀腺激素50 ℃溫水處理后活性升高，則甲>乙>丙。

答案：（2） 甲=丙>乙

（3） 甲>丙>乙

（4） 甲狀腺激素50 ℃溫水處理后活性升高

“提高生物科學素養(yǎng)”“倡導探究性學習”是實施新一輪課程改革的基本理念，這一理念已轉(zhuǎn)化為高考命題的指導思想與能力要求，并在高考試題中得到了體現(xiàn)。教師要關(guān)注生物學科的語言特點，培養(yǎng)學生嚴謹分析問題的能力，為學生未來的深造打下堅實的基礎(chǔ)。