（福建師范大學(xué)附屬中學(xué) 福建福州 350007）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物學(xué)問題，并能設(shè)計方案進(jìn)行研究、得出結(jié)論，側(cè)重于實驗和實踐能力；其中實驗探究能力所涵蓋的實驗設(shè)計能力、動手操作能力是高考評價體系提出的“實踐操作能力群”的重點。高考生物試題中也常創(chuàng)設(shè)科學(xué)實驗和探究情境，加強對實驗探究能力的考查。下面針對高三復(fù)習(xí)，從教材實驗和高考試題出發(fā)，以變量控制為核心，通過認(rèn)知變量、配置變量、構(gòu)建變量相關(guān)的模型來有效訓(xùn)練、提升學(xué)生的實驗探究能力。

1 認(rèn)知變量

在人教版《必修1·分子與細(xì)胞》教材的“降低活化能的酶”一節(jié)介紹了如何控制變量和設(shè)計對照實驗。這是學(xué)生在高中生物學(xué)的學(xué)習(xí)中對變量認(rèn)知的起點。在高三復(fù)習(xí)中，教師應(yīng)當(dāng)充分利用教材資源，幫助學(xué)生認(rèn)清“變量控制”的底層邏輯，使學(xué)生先做到知其然。在“比較過氧化氫在不同反應(yīng)條件下的分解速率”的探究實驗中，教師可以圖例支架（圖1）引導(dǎo)學(xué)生從該實驗的反應(yīng)方程式入手分析認(rèn)知本實驗的變量。

圖1 圖例支架示意

學(xué)生通過分析，明確：在這個實驗中，不同條件是人為控制設(shè)置的自變量，包括常溫常壓、加熱、無機催化劑和有機催化劑。其中，有機催化劑實質(zhì)是豬肝研磨液中過氧化氫酶，也就是本實驗研究的主要對象。反應(yīng)的速率是本實驗的因變量，是本實驗需要檢測的結(jié)果，實際操作中往往以帶火星的衛(wèi)生香是否復(fù)燃或者復(fù)燃的程度來表征。而過氧化氫溶液的量、濃度、反應(yīng)的時間等本實驗的無關(guān)變量。在四組實驗中，第一組的條件是不加處理的常溫常壓，因此是空白對照，其他3組是人為設(shè)置的加熱、催化劑等條件，所以皆為實驗組。同時，自主建構(gòu)反應(yīng)方程式與變量的關(guān)系圖（圖2）。

圖2 反應(yīng)方程式與變量的關(guān)系示意圖

無論是驗證性實驗還是探究性實驗其本質(zhì)就是探求自變量和因變量之間的因果關(guān)系。教師引導(dǎo)學(xué)生再分析本實驗，使學(xué)生更加準(zhǔn)確、深刻地認(rèn)知變量的科學(xué)本質(zhì)以及實驗設(shè)計與探究中的基本原則，從而提升科學(xué)思維。

2 配置變量

在學(xué)生已經(jīng)科學(xué)認(rèn)知變量的基礎(chǔ)上，教師圍繞變量控制，用試題創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生在實驗設(shè)計與操作中從配置自變量、控制無關(guān)變量和觀測因變量入手，遵循科學(xué)原則，真正做到知其所以然。

2.1 配置自變量

教師出示高考真題：

（2019·海南卷·27）適宜條件下，測得的某植物根細(xì)胞對a、b兩種物質(zhì)的吸收速率與外界溶液中這兩種物質(zhì)濃度的關(guān)系如圖3所示（a、b兩條曲線分別代表植物根細(xì)胞對不同濃度a、b兩種物質(zhì)的吸收速率）。

圖3 某植物根細(xì)胞對a、b兩種物質(zhì)的吸收速率與外界溶液中這兩種物質(zhì)濃度的關(guān)系

有學(xué)生據(jù)圖認(rèn)為b曲線表示的跨膜運輸方式是主動運輸，有學(xué)生則認(rèn)為是協(xié)助擴散。教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗確定哪位學(xué)生的判斷是正確的。

2.1.1 確定自變量

在不同的物質(zhì)跨膜運輸方式中，主動運輸?shù)挠绊懸蛩刂饕禽d體和能量，而協(xié)助擴散的影響因素主要是載體和生物膜兩側(cè)的物質(zhì)濃度差。主動運輸和協(xié)助擴散兩者的本質(zhì)區(qū)別是什么，是需不需要消耗能量，因此學(xué)生要先確定“能量”這個自變量。所以，不少選擇“載體”作為自變量，以“載體蛋白抑制劑”作為實驗組材料，或者以“濃度”作為自變量的學(xué)生顯然犯了方向性的錯誤，對自變量認(rèn)知不清。

2.1.2 設(shè)置自變量

在自變量明確后，如何在實驗中恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置自變量呢？根細(xì)胞主動運輸所需要能量的直接來源是ATP，而ATP能量的主要來源是是有氧呼吸將有機物徹底氧化分解釋放轉(zhuǎn)移的能量。在本實驗設(shè)計中如何設(shè)置容易實現(xiàn)的“能量”這個自變量呢？是ATP，是線粒體，還是氧氣？學(xué)生經(jīng)過小組討論后，發(fā)現(xiàn)：選擇氧氣作為直接的自變量，通過設(shè)置有氧和無氧兩種裝置（或者使用呼吸抑制劑），不難實現(xiàn)對真正自變量——“能量”的控制。同樣，選擇ATP作為直接的自變量，通過使用ATP以及ATP抑制劑，也能實現(xiàn)對真正自變量——“能量”的控制。但是，選擇以“線粒體”作為直接的自變量，實際上是不容易實現(xiàn)的，是對自變量地不恰當(dāng)配置。

2.2 觀測因變量

因變量有的可以直接觀察，有的需要用一定的技術(shù)手段進(jìn)行測量。實際操作中根據(jù)實驗原理和實驗條件確定觀察、測量的指標(biāo)稱為觀測指標(biāo)，具體包括：觀察特異性的顏色變化、沉淀反應(yīng)；觀察形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理變化；測量生長發(fā)育速度；測量生化反應(yīng)速率、生物生成量的多少、生理變化等。

例如，本實驗中可以檢測培養(yǎng)液中b物質(zhì)的剩余量。而在比較過氧化氫在不同反應(yīng)條件下的分解速率的實驗中，反應(yīng)的速率是因變量，真正表征反應(yīng)速率的是單位時間內(nèi)生成物（氧氣或者水）的生成量，實際應(yīng)該是定量的一個變量，而在實際操作中往往以帶火星的衛(wèi)生香是否復(fù)燃或者復(fù)燃的程度來代替了，變成了定性實驗。那如何真正觀測因變量呢？有學(xué)生提出來，可以測量單位時間內(nèi)氧氣的生成量，使用排水法收集單位時間內(nèi)反應(yīng)釋放的氧氣。

因此，因變量≠觀測指標(biāo)，在觀測指標(biāo)的基礎(chǔ)上要科學(xué)分析真正因變量的變化，才能從實驗結(jié)果正確推導(dǎo)到真正的實驗結(jié)論。

2.3 控制無關(guān)變量

為了減少實驗的誤差，提高實驗的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，一方面要從實驗的環(huán)境條件、反應(yīng)物的量、實驗處理時間等方面嚴(yán)格控制無關(guān)變量，有效地避免無關(guān)變量對實驗的干擾；另一方面可以從樣本數(shù)量、實驗的可操作或可重復(fù)性等方面著手。

在本實驗中，植物的種類、根的生長狀況與數(shù)量、含物質(zhì)b的培養(yǎng)液的濃度和量以及培養(yǎng)的時間等就是要嚴(yán)格控制的無關(guān)變量。

3 以變量為核心的模型及其應(yīng)用

3.1 建構(gòu)變量控制模型

通過上述的變量認(rèn)知和變量配置的訓(xùn)練之后，當(dāng)學(xué)生需要設(shè)計或者檢視實驗方案時，教師可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“一表式”整體性、綜合性的實驗設(shè)計或探究模型。

以比較過氧化氫在不同反應(yīng)條件下的分解速率為例，在復(fù)習(xí)課之前學(xué)生對實驗設(shè)計的邏輯往往是基于實驗的目的、假設(shè)、原理、方法、步驟、結(jié)果等展開的（表1）。

表1 常規(guī)的實驗設(shè)計模型

教師可以引導(dǎo)學(xué)生將其按照變量控制的原則轉(zhuǎn)換，見表2。

表2 基于變量控制的實驗設(shè)計模型（以探究酶的高效性為例）

接著，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納提煉出以變量控制為核心的實驗設(shè)計或探究的一般化模型，見表3。

表3 基于變量控制的實驗設(shè)計一般化模型

基于變量控制的實驗設(shè)計模型的建構(gòu)實質(zhì)上是遵循了科學(xué)探究的一般步驟，立足于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)其掌握科學(xué)研究的本質(zhì)規(guī)律，進(jìn)而有效提升其科學(xué)素養(yǎng)，見表4。

表4 基于變量控制的實驗設(shè)計模型及其分析

3.2 變量控制模型的應(yīng)用

在高三復(fù)習(xí)中，實驗探究的具體情境千變?nèi)f化，教師通過變量控制模型給學(xué)生提供邏輯化的支架，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握實驗探究的共性知識，提煉變量控制的基本規(guī)律，理解邏輯本質(zhì)，鍛煉科學(xué)思維，提升解題技巧。

【例1】（2020·山東卷·22）科研人員在轉(zhuǎn)入光敏蛋白基因的小鼠下丘腦中埋置光纖，通過特定的光刺激下丘腦CRH神經(jīng)元，在脾神經(jīng)纖維上記錄到相應(yīng)的電信號，從而發(fā)現(xiàn)下丘腦CRH神經(jīng)元與脾臟之間存在神經(jīng)聯(lián)系，即腦-脾神經(jīng)通路。該腦-脾神經(jīng)通路可調(diào)節(jié)體液免疫，調(diào)節(jié)過程如圖4所示，圖5為該小鼠CRH神經(jīng)元細(xì)胞膜相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 腦-脾神經(jīng)通路調(diào)節(jié)體液免疫的調(diào)節(jié)過程

圖5 該小鼠CRH神經(jīng)元細(xì)胞膜相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

已知切斷脾神經(jīng)可以破壞腦-脾神經(jīng)通路，請利用以下實驗材料及用具，設(shè)計實驗驗證破壞腦-脾神經(jīng)通路可降低小鼠的體液免疫能力。簡要寫出實驗設(shè)計思路并預(yù)期實驗結(jié)果。

實驗材料及用具：生理狀態(tài)相同的小鼠若干只，N抗原，注射器，抗體定量檢測儀器等。

實驗設(shè)計思路：____________。

預(yù)期實驗結(jié)果：____________ 。

通過復(fù)習(xí)和訓(xùn)練，教師引導(dǎo)學(xué)生能夠有效地利用模型將實驗的思路和結(jié)果轉(zhuǎn)換為表5。

表5 驗證破壞腦-脾神經(jīng)通路可降低小鼠的體液免疫能力

本題要求學(xué)生回答實驗設(shè)計思路并預(yù)期結(jié)果，根據(jù)變量控制模型（表5），從無關(guān)變量控制、配置自變量和觀測因變量3個方面可以迅速對應(yīng)梳理形成實驗設(shè)計的思路：取生理狀態(tài)相同的小鼠若干只，隨機均分為兩組，分別給兩組小鼠注射相同劑量的N抗原；將其中一組小鼠的脾神經(jīng)切斷作為實驗組；另一組作為對照組（不做處理或者進(jìn)行假手術(shù)）一段時間后，檢測兩組小鼠抗N抗體的產(chǎn)生量。然后，從預(yù)期結(jié)果和對應(yīng)結(jié)論回答預(yù)期實驗結(jié)果：實驗組小鼠的抗N抗體產(chǎn)生量低于對照組的產(chǎn)生量，說明破壞腦-脾神經(jīng)通路可降低小鼠的體液免疫能力

【例2】某生物興趣小組要設(shè)計實驗驗證酶的專一性。請根據(jù)題意回答問題：

備選實驗材料和用具：蛋白塊，牛胰蛋白酶溶液，牛胰淀粉酶溶液，蒸餾水，雙縮脲試劑，試管若干，恒溫水浴鍋，時鐘等。

（1）該實驗的自變量是________________________。

（2）實驗步驟：

①取兩支潔凈的相同試管，編號為甲、乙。

②取5 mL牛胰蛋白酶溶液加到甲試管中，再取牛胰淀粉酶溶液加到乙試管中。

③將兩支試管置于恒溫水浴鍋中，保溫（39℃）5 min。

④分別加入等體積等質(zhì)量的蛋白塊，其他條件相同且適宜。

⑤一段時間后，分別加入等量的雙縮脲試劑進(jìn)行檢測，記錄實驗結(jié)果。

上述實驗步驟中，有兩處明顯錯誤，請找出這兩處錯誤并更正。

①________________________。

②________________________。

經(jīng)過一定的訓(xùn)練后，學(xué)生熟練掌握變量控制模型，教師還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生利用模型有效檢視和評價實驗方案，發(fā)現(xiàn)其中的不足，見表6。

表6 驗證酶的專一性

本題中（1）為配置自變量，實驗的主題是驗證酶的專一性，題干信息中提供了兩種酶，自變量不難得出為酶的種類。而（2）中，根據(jù)變量控制模型，可以檢視酶的種類為自變量。酶溶液的量應(yīng)為無關(guān)變量，因此，控制無關(guān)變量，即步驟②中牛胰淀粉酶溶液同樣應(yīng)為5 mL。因為牛胰蛋白酶與牛胰淀粉酶其本質(zhì)皆為蛋白質(zhì)，因此為因變量的檢測中不宜用檢測蛋白質(zhì)的雙縮脲試劑，可以直接觀察蛋白塊的大小。

4 小結(jié)

變量的篩選和配置是生物學(xué)實驗中的重要方法，教師只有把握好變量控制這個核心，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)變量控制模型，讓學(xué)生利用自己建構(gòu)的模型快速有效地明晰生物學(xué)實驗中的因果關(guān)系，為實驗設(shè)計與探究提供更好的思路，從而增進(jìn)科學(xué)思維，發(fā)展探究能力。