張韶杰

摘要結(jié)合近幾年實(shí)驗(yàn)與探究類高考題，總結(jié)歸納實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的五個(gè)要素和五個(gè)原則，為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)指南。

關(guān)鍵詞探究實(shí)驗(yàn) 自變量 因變量 無關(guān)變量

中圖分類號(hào)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(duì)實(shí)驗(yàn)與探究能力考查的重視程度，與此同時(shí)，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(shí)做題時(shí)沒有進(jìn)行及時(shí)的總結(jié)歸納，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)相關(guān)理論。實(shí)驗(yàn)是依據(jù)假設(shè)，在人為控制條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)變量的變化和結(jié)果進(jìn)行捕獲解釋的科學(xué)方法。一個(gè)實(shí)驗(yàn)可從五個(gè)要素、五個(gè)原則進(jìn)行分析。

1假設(shè)與假設(shè)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、得出結(jié)論五個(gè)步驟。學(xué)生大多不太理解“演繹”，其實(shí)演繹相當(dāng)于“紙上談兵”，還沒有進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)證明。例如，用遺傳圖解推出一個(gè)雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果就是演繹。假設(shè)驗(yàn)證是科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)的靈魂所在，抓住了它們就抓住了實(shí)驗(yàn)的大致思路。很多實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)自變量和因變量的前提下，才能準(zhǔn)確作答。如“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹钡臅鴮懣梢?guī)范為“探究（或驗(yàn)證）某自變量對(duì)某因變量的影響”，實(shí)驗(yàn)標(biāo)題也同樣如此確定。同理，考生可從實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕驅(qū)嶒?yàn)標(biāo)題中尋找自變量和因變量，從而把握實(shí)驗(yàn)的大致設(shè)計(jì)思路。高考中多次出現(xiàn)書寫實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)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(hào)（設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)）、對(duì)不同的對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察與記錄（檢測因變量）。“四步法”并非一定是四個(gè)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(shí)驗(yàn)過程中可能還會(huì)存在一些可變因素，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。之所以稱之為“無關(guān)”，不是因?yàn)檫@些量不發(fā)生變化或不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是要求在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的復(fù)雜變量關(guān)系的準(zhǔn)則之一，有兩層含義：①確?！皢我蛔兞俊钡膶?shí)驗(yàn)觀測，即不論一個(gè)實(shí)驗(yàn)中有幾個(gè)自變量，都應(yīng)做到一個(gè)自變量對(duì)應(yīng)觀測一個(gè)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論即是對(duì)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(shí)，必須堅(jiān)持單一變量原則，否則會(huì)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(shí)驗(yàn)要嚴(yán)格地均衡無關(guān)變量，以消除額外變量。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)誤差，以取得較為精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。常用的方法是增設(shè)對(duì)照組和進(jìn)行平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。教材中多處體現(xiàn)了平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法，如“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”時(shí)對(duì)多個(gè)樣本的觀察;“性狀分離比的模擬”實(shí)驗(yàn)中分別從兩個(gè)桶內(nèi)隨機(jī)抓取一個(gè)小球并記下字母組合，重復(fù)該步驟50～100次。

4對(duì)照與實(shí)驗(yàn)對(duì)照原則

除了一個(gè)因素其余因素都保持不變的實(shí)驗(yàn)叫對(duì)照實(shí)驗(yàn)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)一般要設(shè)置對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)組是接受自變量處理的對(duì)象組;對(duì)照組也稱控制組，對(duì)實(shí)驗(yàn)假設(shè)而言，是不接受自變量處理的對(duì)象組。理論上，由于實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的無關(guān)變量的影響是相等的、被平衡了的，故實(shí)驗(yàn)組與對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)照組的目的：既可排除無關(guān)變量的影響，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是由自變量引起的，又可增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度和說服力。

對(duì)照實(shí)驗(yàn)可分為以下幾種類型。

4.1空白對(duì)照

空白對(duì)照指不做任何實(shí)驗(yàn)處理的對(duì)象組，能明白地對(duì)比和襯托出實(shí)驗(yàn)組的變化和結(jié)果，增強(qiáng)了說服力。例如，在“探究土壤微生物的分解作用”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往不理解為何不做處理的土壤組是對(duì)照組，而高溫滅菌過的土壤組卻是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的目的，同時(shí)也表明白變量為“是否有土壤微生物”。對(duì)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(duì)照組。

4.2自身對(duì)照

自身對(duì)照指實(shí)驗(yàn)與對(duì)照在同一對(duì)象上進(jìn)行，不另設(shè)對(duì)照。自身對(duì)照方法簡便，關(guān)鍵是要理解實(shí)驗(yàn)處理前后實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)中每隔一段時(shí)間酵母菌的數(shù)量就形成了自身對(duì)照。又如，在“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”中，對(duì)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(duì)照等。

4.3條件對(duì)照

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

例如，以蝌蚪為實(shí)驗(yàn)材料，甲組（實(shí)驗(yàn)組）飼喂甲狀腺激素;乙組（條件對(duì)照）飼喂甲狀腺激素抑制劑;丙組（空白對(duì)照組）對(duì)蝌蚪不做任何處理。本實(shí)驗(yàn)的自變量是有無甲狀腺激素，通過比較、對(duì)照更能說明實(shí)驗(yàn)變量——甲狀腺激素有促進(jìn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，第三組加入S型菌的DNA和DNA酶也可看作是條件對(duì)照。

4.4相互對(duì)照

相互對(duì)照也叫對(duì)比實(shí)驗(yàn)，即設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)組，而不另設(shè)對(duì)照組，通過對(duì)結(jié)果的比較分析，來探究某種因素與實(shí)驗(yàn)對(duì)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(gè)組的結(jié)果都是事先未知的，都可看作實(shí)驗(yàn)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(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。5捕獲解釋和真實(shí)客觀原則

捕獲指捕捉、記錄實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，解釋指論證、說明實(shí)驗(yàn)中的自變量與因變量的因果關(guān)系，從而得出結(jié)論。真實(shí)客觀原則是科學(xué)實(shí)驗(yàn)所必須遵循的基本準(zhǔn)則，即實(shí)驗(yàn)中的捕獲解釋一定要實(shí)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(duì)這一原則的考查主要體現(xiàn)在要求學(xué)生通過某些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，考生所犯錯(cuò)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(shí)驗(yàn)的五個(gè)要素和五項(xiàng)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(shí)例輔助。在學(xué)生己積累了大量實(shí)驗(yàn)類題目的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)基本理論進(jìn)行系統(tǒng)性的整理歸納，可以使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力得到質(zhì)的提升。實(shí)驗(yàn)基本理論的探討，也為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)指南。