加强实验变量分析突破学生生物实验能力发展瓶颈

毛洪文

摘 要 从分析学生实验能力的问题出发，分析说明了产生问题的根源在于学生缺少对实验变量的正确分析。由此提出了通过分析实验变量，了解实验目的，预测实验现象的解决方法和过程；通过分析实验变量，学会设计对照组和设计实验操作过程的一般方法步骤；并总结提炼出规范的生物实验用语。从而有效解决突破学生生物实验能力发展的瓶颈。

关键词 教案 学案 导学案

中图分类号 G633.91 文献标识码 B

随着高中新课程改革的推进，学校生物实验室设备在不断的改善，生物实验教学也基本解决了过去停留于黑板上的现状，学生动手实验的能力有了一定程度的提高。然而大量的事实表明，尽管必、选修实验各学校都在正常开设，学生的实验能力仍然很低。学生在实验时，往往走过程似的，按照书本上验证性实验内容亦步亦趋去操作；抑或是探究性实验，学生只要在网上一搜基本都可找到相关的实验设计步骤，稍加改动就成探究性实验方案。这是现阶段学生实验教学中的一些基本现状。

长期的实验教学发现，学生虽然都做了教科书上的必、选修实验，但由于缺少对实验的认真分析、尤其是实验自变量和因变量的分析，学生仍然不能很好地理解和分析实验，不能正确设计有多组对照存在的生物实验，不能正确了解实验目的、预测实验结果或结论，也难以设计出比较完整的实验方案。

1 学生在实验能力上的问题，究其根源在于缺少对实验变量的分析

学生实验能力上的问题主要有以下四个方面：

（1） 实验设计的思路不清晰，表现为不能正确理解实验目的、原理、方法和操作步骤。

（2） 实验设计能力差，表现为不能准确确认变量、作出假设和设计可行的实验方案、搜集处理数据，并预测实验现象和结果。

（3） 实验分析能力差，具体为对方案不能做出恰当的评价、修订和简单延伸；实验方法的选择和运用上不能正确运用观察、调查、实验、假说—演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法；

（4） 生物实验语言（概念、原理和方法表述）不规范、不简捷和不准确。

以上四个问题的关键，是学生不能很好地找出实验的自变量和因变量的种类并分析自变量对因变量的影响关系。

事实上，在对实验变量的分析中，只要找对实验变量中有多少个是自变量，多少个是因变量并分析出每一自变量对每一因变量的影响结果，就能设计出相应的对照组和实验组，就能预测实验的结果和结论，也就能了解实验的真正目的，正确写出实验的方案，从而对实验的现象和结果作出比较正确的解释、分析和推理，并能采用恰当的方法搜集实验数据和运用科学的实验方法来设计实验。

因此，归根结底在实验教学中，真正制约学生实验能力发展的根源在于学生能否正确分析实验的变量。

2 分析实验变量，了解实验目的并预测实验结果

【例1】 （2011·海南）某同学设计了一个探究实验，把培养在完全营养液中、生长状态一致的3组某种植物幼苗分别放入A、B、C三个完全相同的玻璃钟罩内（如图1所示），其中A不密封。B、C密封，B内培养皿中盛有Ba（OH）2溶液，A、C内培养皿中盛有蒸馏水，各培养皿中液体的体积相同。该实验在光照充足、温度适宜的环境中进行。

回答问题：

根据上述实验设计判断，该实验的目的是：___________。

分析：首先是找出该实验的自变量，由于该实验在光照充足、温度适宜的环境中进行，但A未密封，故影响该实验的自变量应该是玻璃钟罩内的O2和CO2浓度（量）；而C密封，故影响该实验的自变量也应该是玻璃钟罩内的O2和CO2浓度（量）；B因密封且罩内放置的是能吸收CO2的Ba（OH）2，故罩内CO2浓度（量）不断减少的变化是影响该实验的关键变量。所以A、B、C三个实验可说明影响该组实验的关键自变量是CO2浓度（量），由于它的变化，直接影响光合作用，因而就会影响另一变量，幼苗光合作用的生长，而幼苗的生长是因为受到CO2浓度（量）的变化而变化的生长，故幼苗的生长变化量是一个因变量。至此，可分析出本实验实质是通过自变量CO2浓度（量）的变化，来探究因变量幼苗的生长变化量（或幼苗光合作用的变化量）的关系。实验的目的是：探究CO2浓度对幼苗光合作用强度（或生长量）的影响。

【例2】 （2011·浙江）为了探究某物质（X）的作用，研究者提出了以下实验思路：

（1） 实验分组：

甲组：培养液+Y细胞+3H-TdR（3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷）+生理盐水；

乙组：培养液+Y细胞+3H-TdR+X（用生理盐水配制）。

每组设置若干个重复样品。

（2） 分别测定两组的CRD（细胞内的放射性强度），求每组的平均值。

（3） 将各样品在适宜条件下培养合适时间后，测定CRD，求每组平均值并进行统计分析。

（要求与说明：答题时用X、CRD、3H-TDR表示相关名词；Y细胞是能增殖的高等动物体细胞）请回答：

（1） 实验目的： __________。

（2） 预测实验结果及结论：__________。

分析思路：首先分析自变量，由于甲、乙两组对照中，不同的是乙组含有X物质，因此X物质就是该组实验的自变量。并由于题目提示，Y细胞是能增殖的高等动物体细胞，说明在培养中Y细胞会增殖，而增殖就会吸取营养物质，一是培养液，另一是吸取3H-TdR（3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷）用于DNA的复制，故联系本题要测定两组实验的CRD（细胞内的放射性强度），同时求每组的平均值，这说明3H-TdR（3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷）在细胞内复制得快，吸取得多，则细胞增殖就快，CRD就会高，反之则低。但由于在乙组中加入了X物质，若X会加快细胞增殖，DNA的复制会加快，则CRD就会升高；若X会抑制细胞增殖，则DNA的复制会受到抑制，CRD就会降低；若X不会对细胞增殖造成影响，DNA的复制不会受影响，则CRD就不会改变。故通过上述分析，DNA的复制变化引起的Y细胞增殖的变化，使得CRD变化，就是因变量了。同时，本实验的目的及实验可能的现象和结果也就非常清楚了。

实验目的就是：探究X对Y细胞增殖（DNA合成或CRD）的影响；预测的实验结果及结论就是：如果乙组CRD明显高于甲组，说明X对Y细胞增殖（DNA合成）有促进作用；如果乙组CRD与甲组基本相同，说明X对Y细胞增殖（DNA合成）无影响；如果乙组CRD明显低于甲组，说明X对Y细胞增殖（DNA合成）有抑制作用。

通过以上两例分析，不难看出，解决实验的关键就是对变量的分析，万其是自变量和因变量的种类及关系的分析。

对以上典型例题归纳总结如下：

如何了解实验目的：首先确认探究还是验证性实验——找出自变量和因变量种类及其关系——用规范语言说明“探究还是验证自变量和因变量的关系”。

如何预测实验结果与结论：确认探究还是验证性实验——分析说明自变量对因变量影响可能产生的各种结果——用规范的语言表达。

规范的文字叙述如下：

若为探究实验则用这样表述：如果……（实验结果），则（自变量）对（因变量）……（影响结果）；若为验证性实验则用这样表述：证明……（自变量对因变量的影响）。

3 分析实验变量，学会设置对照组和设计实验操作过程

分析以下典型实验题目：

【例3】 （2012·浙江）请根据以下提供的实验材料，完善生物制剂W对动物不同细胞的分裂具有促进作用的实验思路，并预测实验结果。

实验材料：培养液、正常体细胞、癌细胞、W、胰蛋白酶。

（要求与说明：答题时不考虑加入W后的体积变化等误差。提供的细胞均具有分裂能力，只进行原代培养且培养条件适宜）

（1） 实验思路：

① 取培养瓶若干个，分组如下：__________。每组设置若干个重复样品。

② 各组样品在培养箱中培养一段合适的时间后，各取其中的几个样品，加入__________，摇匀，在显微镜下用血细胞计数板分别计数并记录细胞数。

③ 重复②若干次。

④ __________。

（2） 预测实验结果（用坐标系和细胞数变化曲线示意图表示）。

3.1 分析一

寻找实验变量（图2）。

3.2 分析二

实验应遵循“单一变量”“等量原则”“平行重复”等原则。由于自变量必须遵守“单一原则”，所以自变量的多少也就决定了分组的数量，有多少是对照组，这就是对照设计时分组的依据。从上面分析可以看出，由于有四个自变量的存在，依据单一变量原则，故分析每一个自变量的作用时，其他的多个变量应均作为不变量来对待，故很容易得到本实验的对照组必须设置四组。同时，由于取材或分组时必须编号，所以综合起来，最后用语言表述如下：

A组：培养液加入适量的体细胞；

B组：培养液加入等量的体细胞，再加入一定量的W生物制剂；

C组：培养液加入等量的癌细胞；

D组：培养液加入等量的癌细胞，再加入等量适量的W生物制剂。

3.3 分析三

由于实验操作的最后一步，一般是观察、记录或统计、分析（因变量的变化结果）。所以第四小问的操作描述答案就为：经过一段时间后，记录、统计分析各组细胞的细胞数。

3.4 对以上典型例题归纳总结如下

3.4.1 设置对照组过程：

确认自变量的多少，分多少组——各组恰当编号（字母或甲、乙、丙等）——用恰当的语言（等量、适量）来描述各分组的操作。

3.4.2 设计实验操作过程的一般步骤

取材/分组编号——对照组的处理（实验组处理）——无关变量的处理（均在相同条件下，如植物的各组在相同条件下培养）——最后一步操作，“观察/记录/统计分析实验的现象或结果”——实验结论。

4 学会用精练的语言、规范的表达，进一步提升实验设计能力

在长期的实践教学中，教师不断总结提练出下面一些实验用语来引领学生，规范其语言表达。

实验材料取材用语：选取……生长发育（长势）形态/大小/相同部位的……/相同体积/等量的……

实验设计中的基本过程用语：

取材、分组、编号——甲组（实验组）如何外理，乙组（对照组）如何处理（凡加试剂/药品/溶液，用“等量/适量/相同体积”……）——实验组，对照组放置在……“相同环境条件下进行‘接种/培养/种植”——经一段时间，“观察/记录/统计/检测”……——预期实验现象（结果）（用因变量的变化表示）——实验结论（探究性，若……则……（用自变量对因变量的影响表示且尽量用“名词概念/原理/结构/功能”来描述）。

总之，在高中生物实验中，教师要加强对实验变量的分析，做到严格规范、要求，并运用典型例题引领并辅之以学生在具体实验室的实验操作体验，从而实现了强化变量分析，有效突破学生实验能力发展的瓶颈，学生实验设计的能力就会有质的提升。