运用“三变量” 解实验分析题

安徽 徐新河

运用“三变量” 解实验分析题

安徽 徐新河

在高中生物实验设计中，同学们必然遇到的是实验中要考虑“三变量”，即自变量、因变量、无关变量。在人教版教材中明确指出：人为改变的变量称作自变量；随着自变量的变化而变化的变量称作因变量；除自变量外，实验过程中还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响的变量称为无关变量。比如验证酶的高效性实验中，氯化铁溶液和肝脏研磨液属于自变量，过氧化氢分解速率为因变量，而过氧化氢溶液的浓度、用量和环境温度等都是无关变量。

在一般实验分析中，同学们都应关注实验设计的对照原则、单一变量原则、等量原则和科学原则，这些原则无不渗透着“三变量”的要素。比如对照原则，对照组是实验中实验条件未改变，实验结果已知的一组实验，而实验组是实验中改变了实验条件，结果未知的组。其中改变的条件就是自变量，因其而改变的结果就是因变量。单一变量原则，在整个实验中只有一个起到“起点”作用的变量，就是自变量，其他需要控制一致的条件因素，是无关变量。等量原则，更是要求整个实验中每组的试剂用量等需要一致，这也是需要控制无关变量。科学原则，要求在专业知识方面、在分组编号、实验操作的量化等方面要科学，也要求“三变量”的落实。

下面以人教版高中生物必修1的“探究酵母菌细胞呼吸的方式”为例，说明“三变量”在实验分析中的应用。

一、“探究酵母菌细胞呼吸的方式”中的“三变量”分析

1.发现自变量，明确实验分析的“起点”

分析实验装置，或是实验步骤过程中的描述等，都要首先知道实验分析的起点，整个实验结果是什么样的，都由这个变量而引起，这个变量就是自变量，仔细分析，不难发现它的存在。

装置1

装置2

分析装置1与装置2，就会发现虽然装置1中多了一个质量分数为10%NaOH溶液的洗气瓶，但两者的本质不同还是通气与否，保证了装置1处于有氧状态，而装置2为无氧状态。这个是自变量。

2.确定因变量，找到实验分析的“关键”

因变量因为自变量而发生，同学们有时可能不能很快地发现，但是明确因变量是实验分析 “关键”，也是实验中起总引导作用的一个变量。比如上述实验中因变量是CO2能否产生，产生量是多少。通过明确自变量与因变量，该实验基本上就清楚实验思路了：通过通气与否，探究酵母菌能否进行有氧呼吸和无氧呼吸。

3.分析无关变量，把握实验的“变式”

无关变量对实验是会产生影响的，比如上述实验中，无关变量是环境温度、酵母菌液的量、培养液的浓度、实验时间等。有时一个实验可能会通过改变一个无关变量，使之成为第二个自变量，实验现象也随着发生改变。这样在分析时，需要采用单一变量原则，先把自变量明确为一个，另一个自变量当成无关变量进行分析，步步突破。比如上述实验如果研究不同温度条件下酵母菌的有氧呼吸强度是否改变，温度就成为一个自变量。这样就只需要装置1重复就可以了。改变的只有温度条件，因变量是CO2产生的速率，通过澄清石灰水变混浊的快慢来反映。

二、“三变量”分析在实验分析题中的应用

【例】（改编）表格是黑暗和光照条件下旱冬瓜种子萌发率对比实验的结果；图表示光照强度对不同叶龄旱冬瓜幼苗叶片吸收CO2量的影响。请分析回答：

表 旱冬瓜种子萌发率

光照下旱冬瓜幼苗叶片吸收CO2量

（1）旱冬瓜种子萌发率实验的目的是_____________________________。

（2）表中分组实验的目的是_____________________；分析表中数据可以得出的结论是___________________。

（3）欲研究不同温度条件下的萌发率，宜选择_____条件下的分组实验。影响种子萌发的条件还有__________________。（至少写出两种）

（4）分析图，实验的自变量是____________________；对3月龄苗的旱冬瓜，限制B点的环境因素可能是__________________，若光照强度在3 000 Lux持续60 s，再黑暗处理180 s，该叶片_______ （填“能”或“不能”）正常生长。

（5）当光照强度为_________Lux时叶片的光合速率不受苗龄的影响__，___ 月龄苗适于在遮阴条件下生长。

【分析】

1.自变量的发现

观察表格内容，结合题干中已经给出“黑暗和光照条件下旱冬瓜种子萌发率对比实验”的信息，数据也显示出3种不同的处理，分别是光照培养、暗培养、暗培养后补充光照。这是人为改变的条件，为自变量。

观察图中折线，结合题干中也给出“光照强度对不同叶龄旱冬瓜幼苗叶片吸收CO2量的影响”的信息，横坐标是不同光照强度，但是坐标中有两条线，分别是3月龄苗与6月龄苗，所以自变量应该为两个，一个是不同光照强度，另一个是不同叶龄的苗。

2.因变量的确定

从表中可以看出，种子萌发率因不同的处理而不同，因此为因变量。图中两种龄苗都因光照强度不同而对CO2吸收量不同，也就是光合强度不同，对本题来说，为表观光合速率。这样两个实验的目的也清楚了，表对应的实验目的是探究种子萌发需要是否需要光照。从数据可以看出，光照条件下旱冬瓜的种子萌发率较高，光照是旱冬瓜种子萌发的必要条件。图对应的实验是探究不同光照强度条件下，不同叶龄的旱冬瓜苗光合速率的变化。在较弱光照条件下，随着光照强度的增加，光合速率不断增加，但较强光照条件下，3月龄明显不耐受强光，光合速率下降。这样，3月龄苗适于在遮阴条件下生长。而且在同样光照条件下，6月龄苗表现光合速率大于3月龄苗的。

3.无关变量的分析

表中每种条件下的分组实验，就是为了排除实验过程中因无关变量的干扰而可能产生的误差，比如环境温度、土壤含水量、实验时间等。如果下一步为研究温度对种子萌发率的影响，此时光照与否就成了无关变量，温度就成了自变量，因此需要控制光照条件，本题由表中看出光照是必要的条件，黑暗条件以及暗培养后再补充光照萌发率都不如光照条件下的。

图中实验的无关变量包括温度、空气中的CO2浓度、实验的时间等，这些直接影响曲线的走势。实验有两个自变量，这样在分析其中一个自变量引起相应的光合速率变化情况时，就需要把另一个自变量设为无关变量，如研究不同光照强度对3月龄苗的光合强度的影响时，就不考虑对6月龄苗的影响。而如果研究哪种植物适于在遮阴条件下生长，就要把植物种类作为自变量，而光照强度就是需要随时控制的无关变量。比如在强光下，取同一种光照强度，如1 500 Lux，3月龄苗的光合速率就与6月龄的差异比较大。连续再取几种光照强度，就会发现3月龄苗的光合速率基本一直比6月龄弱，只有光照强度低于50Lux时，两者才没有明显的区别。所以3月龄苗更适于在遮阴条件下生长。

从图中还可以看出，3月龄苗在3 000 Lux时表观光合速率为6 μmol·m-2·s-1，黑暗下呼吸速率为2 μmol·m-2·s-1，这样持续光照60 s，再黑暗处理180 s，该叶片积累量为0，长期如此，该苗不能正常生长。

【参考答案】（1）探究种子萌发是否需要光照 （2）避免实验过程中产生的误差 光照是种子萌发的必要条件（3）光照培养 温度、土壤含水量 （4）光照强度，叶龄CO2浓度、温度等 不能 （5）0～50 3

总之，同学们在日常的实验设计与分析中，灵活运用实验题目中所给的条件，发现自变量，确定了因变量后，把无关变量控制住、逐步分析，就能较快地明确实验的设计思路，确定实验的目的。经常练习，就能做到胸有成竹。

（作者单位：安徽省阜阳市第三中学）