从“变量”的视角谈科学探究类试题测评

2020-11-18河北

教学考试(高考生物) 2020年4期

河北

科学探究是获取知识的有效途径，它能借助严谨的实验研究获得一般结论，并将之上升到普遍理论的高度。科学探究类试题不仅能够测评考生获取、选择、分析和判断证据的能力，还能测评考生在科学探究过程中表现出来的逻辑推理能力，是生物学学科核心素养中关键能力的直接表现。本文从变量的概念、种类以及试题分析三个角度尝试对科学探究类试题进行分析，以期为教师和学生的复习提供一些帮助。

一、变量

（一）概念

实验是指在对实验条件进行人工干预的情况下，实验对象的某些行为、现象发生变化，并对之进行观察、记录、获取数据或结果，基于对数据或结果的分析，解释变量间的因果关系，从而获取学科概念、规律的过程。因此实验中的变量及对其的控制是科学实验成功的关键。

在实验中，实验者试图操纵、控制和测量的因素或条件都是变量，即实验过程中可以变化的因素或条件称为变量。

（二）种类

实验中的变量分为两类，一类是实验条件，另一类是在这些实验条件下产生的结果，即因变量，其特点是具有可测量性。

在实验条件中，对因变量产生影响的实验条件分为自变量和无关变量。自变量是和原因有关的、由实验者进行操作的可变化的条件或因素，其特点是具有可操作性。无关变量是实验中除自变量以外的且影响实验结果的潜在因素或条件，其特点是具有可控性。控制实验最常见的做法是在整个实验中保持无关变量的恒定，这样无关变量就不至于和自变量产生混淆，从而影响自变量与因变量之间的因果解释。

二、高考试题分析

只有一个自变量的实验称之为单因素实验，具有多个自变量的实验为多因素实验。因此笔者根据自变量种类数目将自变量分为单因素和多因素，其中“多因素”根据“自变量A是否通过自变量B影响因变量”分为“不通过”和 “通过”两个维度。

（一）单因素

【例1】（2018年，全国卷Ⅱ，第29题节选）为研究垂体对机体生长发育的作用，某同学用垂体切除法进行实验。在实验过程中，用幼龄大鼠为材料，以体重变化作为生长发育的检测指标。回答下列问题：

（1）请完善下面的实验步骤

①将若干只大鼠随机分为A、B两组后进行处理，A组（对照组）的处理是______；B组的处理是________。

②将上述两组大鼠置于相同的适宜条件下饲养。

③________________。

④对所得数据进行统计处理与分析。

【答案】（1）①手术但不切除垂体切除垂体③每隔一定时间，测定并记录两组大鼠的体重

【试题分析】本题要求考生分析实验目的中的变量和给出的基本实验框架完善实验步骤。由实验目的“探究垂体对幼龄动物生长发育的影响”可知变量间的关系模型如图1。由“垂体切除法”可知B组的实验处理是切除垂体；依据“控制单一变量”原则，与B组相比，A组除了切除垂体之外，其他处理均保持一致，因此A组的实验处理是手术但不切除垂体。由步骤③位于步骤④（数据统计与分析）之前，可知步骤③应进行的是因变量的操作。由题目“以体重变化作为生长发育的检测指标”可知步骤③应表述出“体重变化”，即“每隔一定时间，测定并记录两组大鼠的体重”。

图1

【例2】（2019年，全国卷Ⅰ，第6题）某实验小组用细菌甲（异养生物）作为材料来探究不同条件下种群增长的特点，设计了三个实验组，每组接种相同数量的细菌甲后进行培养，培养过程中定时更新培养基，三组的更新时间间隔分别为3 h、10 h、23 h，得到a、b、c三条种群增长曲线，如图2所示。下列叙述错误的是（）

图2

A.细菌甲能够将培养基中的有机物分解成无机物

B.培养基更换频率的不同，可用来表示环境资源量的不同

C.在培养到23 h之前，a组培养基中的营养和空间条件都是充裕的

D.培养基更新时间间隔为23 h时，种群增长不会出现“J”型增长阶段

【答案】D

【试题分析】本题要求考生分析实验目的和步骤中的变量，解释自变量的生物学含义以及预测实验结果。由实验目的“探究不同条件下种群增长的特点”和实验步骤可知，本实验的自变量“不同条件”具体为“培养基更换频率的不同”，即单一自变量在数量上的变化，其生物学含义是环境资源量不同；因变量是细菌甲的种群数量。变量间的关系模型如图3。结合实验数据得出如下结论：环境资源量（培养基更新频率）越高，细菌增长曲线越接近呈“J”型。

图3

（二）多因素

多因素的科学探究类试题分析的思维路径是首先分别研究每种自变量与因变量的因果关系或相关性，然后将多个自变量一并考虑，研究它们之间是什么关系。

1.自变量A不通过自变量B影响因变量

【例3】（2014年，北京卷，第29题节选）为研究赤霉素（GA3）和生长素（IAA）对植物生长的影响，切取菟丝子茎顶端2.5 cm长的部分（茎芽），置于培养液中无菌培养（图4甲）。实验分为A、B、C三组，分别培养至第1、8、15天，每组再用适宜浓度的激素处理30天，测量茎芽长度，结果见图4乙。

图4

（5）从图4乙中B组的数据可知，两种激素联合处理对茎芽伸长生长的促进作用是GA3单独处理的____倍、IAA单独处理的____倍，由此可以推测GA3和IAA在对茎芽伸长生长的作用上存在____的关系。

【答案】（5）3.6 18 协作

【试题分析】本题要求考生分析实验目的和结果中的变量，考查处理实验数据和得出实验结论的能力。本实验目的是“研究赤霉素和生长素对植物生长的影响”，可分解为如下3个子目的：①“研究赤霉素（自变量A）对植物生长的影响”；②“研究生长素（自变量B）对植物生长的影响”；③“研究赤霉素（自变量A）和生长素（自变量B）在对植物生长的作用上的关系”。分析B组的数据可知：①赤霉素处理组的茎芽伸长量（6.5-2.5）cm大于对照组的茎芽伸长量（4.0-2.5）cm，从而得出“赤霉素促进茎芽伸长生长”；同理得出：②“生长素促进茎芽伸长生长”；③赤霉素和生长素联合处理组的茎芽伸长量（13.0-2.5）cm既大于赤霉素处理组，又大于生长素处理组，可以得出“赤霉素和生长素在对茎芽伸长生长的作用上存在协作的关系”。变量间的关系模型如图5。

图5

【例4】（2019年，全国卷Ⅱ，第3题）某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白，具有ATP水解酶活性，能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中（假设细胞内的pH高于细胞外），置于暗中一段时间后，溶液的pH不变。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组，一组照射蓝光后溶液的pH明显降低；另一组先在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂（抑制ATP水解），再用蓝光照射，溶液的pH不变。根据上述实验结果，下列推测不合理的是（）

A.H+-ATPase位于保卫细胞质膜上，蓝光能够引起细胞内的H+转运到细胞外

B.蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用导致H+逆浓度梯度跨膜运输

C.H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量可由蓝光直接提供

D.溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞

【答案】C

【试题分析】本题要求考生分析实验步骤的变量和实验结果，进而得出实验结论。由“悬浮着气孔保卫细胞的溶液在暗中pH不变，照射蓝光后溶液的pH明显降低”，说明照射蓝光（自变量A）能促使保卫细胞中的H+进入外界溶液；由“在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂，再用蓝光照射，溶液的pH不变”，说明H+的跨膜转运需要保卫细胞的H+-ATPase完成，蓝光激活H+-ATPase ；由“H+向外转运是逆浓度梯度进行”和“H+-ATPase……ATP水解酶活性”，说明H+的跨膜转运需要的能量由ATP（自变量B）提供，而不是蓝光直接提供的。基于上述分析，变量间的关系模型如图6。

图6

2.自变量A通过自变量B影响因变量

【例5】（2019年，全国卷Ⅰ，第29题节选）将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸（ABA）含量增高，叶片气孔开度减小。回答下列问题。

（3）有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论。要求简要写出实验思路和预期结果。

【答案】（3）取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度。预期结果是干旱处理前后气孔开度不变；将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度。预期结果是ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。

【试题分析】本题要求考生分析实验目的中的变量，进而设计实验思路和预测实验结果。由实验目的“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的”，可分解为如下2个子目的：①干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的；②干旱条件下气孔开度减小是由 ABA引起的。题干限定以该种植物的ABA缺失突变体植株为材料，因此子目的①的实验方案设计是ABA缺失突变体植株是否经干旱处理；子目的②的实验方案设计是ABA缺失突变体植株在干旱条件下是否经ABA处理。涉及的变量模型如图7。