例谈高中生物学实验设计题的教学实践

朱满员

(浙江省海盐高级中学 314300)

实验设计题是历年生物学科高考必考题，也是高考中得分率最低、难度值最大的试题。解答好实验设计题需要学生有很好的理解能力、严谨的逻辑思维能力以及较强的表达能力。所以如何做好实验设计题的教学，也成了高中生物学教师需要不断探索的课题。

笔者在长期的一线教学中，将实验设计题的教学思路归纳为：大处着眼，小处着手。大处着眼是“世界观”，小处着手是“方法论”。通俗地说，大处着眼是“做什么”，小处着手就是“怎么做”。本文以浙江省高考的生物学实验设计题为例，阐述实验设计题教学中的“大”和“小”。

1 大处着眼，审读实验目的

正确审读实验设计题的实验目的是解决实验设计题中最重要的“大”，实验目的审对了，答题方向才会正确。

1.1 审读实验类型 即该实验是探究性实验还是验证性实验。实验类型不会影响实验步骤的设计，但会影响实验结论的预测：如果是验证性实验，最后的预测只要求写出一个应该出现的结果即可。但如果是探究性实验，则应将所有可能的结果与结论都罗列出来。例如，2011年的实验设计题，其结果与结论就要书写成“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。”

有时不能凭题干判断是验证性实验还是探究性实验，而是要综合考虑。例如，2016年的理综生物学实验设计题：“欲研究甲状腺和甲状腺激素的生理作用，对成年小鼠的分组及处理见下表”。从题干上看，好像可以归入探究性实验，但第(2)问中：预测实验结果(设计一个坐标系,将预测的实验结果用示意曲线表示)。这表明，实验结果预测只需呈现一个最可能的就行,那该实验的类型即为验证性实验。同理的还有2010年、2013年、2015年和2016年的理综生物学实验设计题。纵观近8年高考试题，只有2011年考查了探究性实验，其余考的都是验证性实验。研究发现若以图表形式来预测实验结果的，多为验证性实验；而探究性实验的结果预测则多用文字表述。

1.2 审读实验性质 即定性实验还是定量实验。实验性质主要影响的是对照组的设置。例如，2016年4月的生物学选考题：“为研究某生物制剂(W)具有促进细菌B增殖的作用”，其中自变量是有无W物质，实验设两组——对照组不加W，实验组添加W。而2015年10月的生物学选考题：“欲进行小鼠肝细胞在不同浓度NaCl溶液中发生体积和数量变化的实验”中，其自变量不再是“有无NaCl溶液”而是“不同浓度的NaCl溶液”，这就需要设置至少三种(低、中、高)浓度的实验组进行相互对照，根据需要还要设置0浓度的空白对照。

其次，实验性质还影响到实验步骤的书写，定量实验的第一步往往要从配制不同浓度的被试试剂开始。从实验设计难度而言，定性实验简单，定量实验复杂些。2010年与2015年10月选考考的都是定量实验，其余各年份考的都为定性实验。

1.3 审读实验变量 即自变量、因变量和无关变量。若用一次函数y=kx(k为常数且，k≠0)来表示生物学探究实验的本质，则X相当于自变量，Y相当于因变量，K则为无关变量，实验的目的就在于寻找和解释X与Y之间的因果关系。具体地说，自变量(X)是指实验中由实验者所操纵的因素或条件；因变量(Y)则指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。

为了排除偶然性，科学的实验探究就需要设置对照，一般只允许有一个自变量，这样才能准确地找出自变量与因变量是否存在因果关系。如果实验中不止一个自变量，那就需要多设几个实验组，但在每一组对照中，只能存在一个自变量，其他的自变量即自动成为无关变量。需要注意的是：不论一个实验有几个实验变量，都应确定一个自变量，检测一个因变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中复杂关系的准则之一。但在一组对照实验中的因变量可以不止一个，多个因变量间可存在相关性，但不一定存在因果性。

例如：不同浓度的生长素影响某植物乙烯生成和成熟叶片脱落的实验，结果如图1所示。下列有关叙述正确的是(D)

图1 实验结果

A．乙烯浓度越高脱落率越高

B．脱落率随生长素和乙烯浓度增加而不断提

C．生长素和乙烯对叶片脱落的作用是相互对抗的

D．生产上可喷施较高浓度生长素类似物降低脱落率

另外，在许多实验中因变量往往无法直接观测到，就需要设计一种可行的测定方法。例如，衡量小鼠新陈代谢的强弱可用小鼠的耗氧量来表示。衡量酶活性的高低，可用单位酶催化下的酶促反应的底物的消耗量或剩余量来表示。这四者关系可用图2表示。

图2 三个变量及与可测指标关系示意图

1.4 找实验原理 如果说实验目的是“做什么”，实验步骤是“怎么做”，那实验原理就是“为什么这么做”。实验原理是实验设计的理论依据。对实验原理的考查主要体现在“对实验结果的分析与讨论”中。例如，2011年的“为了探究某物质(X)的作用”，第3问：“实验中采用3H-TdR的原因是________。”2015年10月选考题“欲进行小鼠肝细胞在不同浓度NaCl溶液中发生体积和数量变化的实验”，第3问：“①当NaCl溶液浓度大于0.9%时，细胞体积与数量发生的变化及其原因是什么?”2016年理综生物学题：“欲研究甲状腺和甲状腺激素的生理作用”中第3问：“②通过服用放射性131I来检测甲状腺功能的依据是________，________。 ”

书写完整正确的实验原理要关注两个方面：①写清可测指标之所以能反映因变量Y的依据是什么；②写清验证实验时“自变量为什么能决定因变量”。这个“为什么”要么是题干所给的，要么就是教材中的知识。

2 小处着手，规范步骤与表述

2.1 写实验步骤 一般的实验步骤大致分为4步：①取材、分组、编号，前测。取材时对作为实验对象的材料需要进行简单的描述，如大小、形状、数量、体重、性别、发育状态及健康状况等。这些需要描述的性状是属于无关变量范畴，要求相同且适宜的。然后根据对照实验的要求均分为若干组，为了之后的表述方便，常将组别编号成ABC或甲乙丙等(若题干要求不分组，则分组编号可省略)。前测则是对因变量的观察指标进行第一次测定。一般进行前后对照的即实验结果预测用以时间为横坐标的曲线图来呈现的都要有前测环节，否则曲线的起点无法确定。②设置对照。根据实验目的，分别设置实验组与对照组。对照的类型可以是空白对照、条件对照、相互对照及自身前后对照。若是题干中要求实验不分组，则一定是前后对照，时间就成了一个新增的自变量。③在相同且适宜的条件下培养，一段时间后或每隔一段时间进行后测。④处理实验结果。即写上“对实验所得数据进行统计、分析、处理”。

2.2 实验结果与结论的表述 在教学实践中，常发现学生不会区分结果与结论。如，题目明确要求预测实验的结果与结论，学生往往就只写一个结果或结论，误以为结果与结论是一样的。结果与结论的区别在于：前者指可测指标具体测得的数值、颜色变化等，而实验结论是针对实验目的而作出的判断性陈述。实验结果预测的呈现方式多种多样，常见的有：文字、曲线图、柱状图和表格等形式。这些形式在历年的高考中都出现过，所以这成了实验设计专题教学中重要的内容。

3 随机应变

每年高考的实验设计题是“年年相似又年年新”，谁也无法预测下一年的实验设计将会如何考。所以还需要培养学生在陌生题境中寻找解题思路的能力。其中“任务分解法”是一个不错的方法。任务分解法是指将项目工作分解成较小的、更易于管理的组成部分的过程。将看似不可能解决的大问题分解成一个个小问题，并从中找到解决问题的方法。

例如，为验证反射弧的组成与作用，某同学提出了以下实验思路：取蛙1只，捣毁该蛙的脑，将其悬挂起来。①用1%H2SO4溶液刺激该蛙左后肢的趾端，观察是否屈腿。②洗去H2SO4，再用1% H2SO4溶液刺激该蛙左后肢的趾端，测量该刺激与屈腿是否同时发生。③分离得到该蛙左后肢的坐骨神经腓肠肌标本，用电刺激直接刺激腓肠肌，观察其是否收缩。④用电刺激直接刺激上述标本的腓肠肌肌细胞，在坐骨神经上是否能测量到电位变化。(说明：实验条件适宜；实验中的刺激强度足够；屈腿反射属于屈反射。)请回答：

(1)设计表格，并将预测的实验结果与结果的原因分析填入表中。

(2)为了验证屈腿反射中的反射中枢所在部位，在上述实验的基础上写出第⑤项实验思路。

此实验题实际上包含了5个验证性的小实验，只不过实验对象都是在同一只小青蛙上而已。每一个小实验都是前后对照，且都有各自的自变量与因变量。如果能引导学生从这个角度去解构该实验题，也就不难解决。