依据对象和变量 构建定性和定量实验分组模型

浙江

合理的实验分组是建立正确实验思路的前提，对照是实验控制的手段之一，一个实验通常需要设置实验组和对照组，实验组是指接受实验变量处理的对象组；对照组也称控制组，是不接受实验变量处理的对象组。实验可根据实验对象和实验变量分为单对象单因子实验、单对象多因子实验、多对象单因子实验和多对象多因子实验四类。定性实验中的实验组数量（p）为实验对象数（a）和实验变量数（b）的乘积，定量实验视具体情况再增加个别分组，另外，需要考虑是否设置空白对照组。

1.单对象单因子实验

单对象单因子实验的分组，若是不考虑实验变量梯度的定性实验，通常将实验对象均匀分成两组；若是考虑实验变量梯度的定量实验，通常将实验对象均匀分成三组或多组；其余条件保持相同且适宜，再给予不同的实验变量处理。此类实验的分组情况可以用表1 所示模型表示。

表1 单对象单因子实验分组

【例1】（2019 年4 月，浙江选考卷，第33 题节选 ）欲验证胰岛素的生理作用，根据以下提供的实验材料与用具，提出实验思路，预测实验结果并进行分析。

材料与用具：小鼠若干只，胰岛素溶液，葡萄糖溶液，生理盐水，注射器等。

（要求与说明：血糖浓度的具体测定方法及过程不作要求，实验条件适宜）

【解析】分析题干信息可知，实验对象是小鼠，实验变量是胰岛素溶液处理，属于单对象单因子实验。在不考虑实验变量梯度的前提下，从定性角度考虑，定性实验中实验组数量（p）=实验对象数（a=1）×实验变量数（b=1）=1组，再考虑空白对照，可以分成如下两组：

组A：对小鼠注射葡萄糖溶液；

组B：对小鼠注射生理盐水。

2.多对象单因子实验

多对象单因子实验是指用同一个实验变量处理两个或多个实验对象的类型。应依据实验对象进行分组，即分别对不同的实验对象进行相同的实验变量处理。该类实验分组可以先采用单对象单因子实验分组法，即先对某一实验对象进行实验变量处理，然后对其余实验对象逐个进行相同的实验变量处理；也可以同时分别处理多个实验对象，确保各实验组同时出现实验结果，便于对比。以3 个实验对象为例，多实验对象实验的分组情况可以用表2 所示模型表示。

表2 多对象单因子实验分组

续表

【例2】（2017 年，北京卷，第31 题节选）疟原虫是一种单细胞动物。它能使人患疟疾，引起周期性高热、寒战和出汗退热等临床症状，严重时致人死亡。

（5）临床应用青蒿素治疗疟疾取得了巨大成功，但其抗疟机制尚未完全明了。我国科学家进行了如下实验。

表3 探究青蒿素对线粒体膜电位的影响

【解析】分析题干信息可知，实验对象是疟原虫的线粒体和仓鼠细胞的线粒体，实验变量是青蒿素处理，属于多对象单因子实验。依据实验对象进行分组，从定性角度考虑，定性实验中实验组数量（p）=实验对象数（a=2）×实验变量数（b=1）=2 组，每个实验对象再考虑不加青蒿素的两组空白对照实验，可以分成如下四组：

组A：疟原虫的线粒体，不加入青蒿素；

组B：仓鼠细胞的线粒体，不加入青蒿素；

组C：疟原虫的线粒体，加入青蒿素；

组D：仓鼠细胞的线粒体，加入青蒿素。

3.单对象多因子实验

单对象多因子实验是指实验对象固定，同时存在两个或多个实验变量处理的实验类型。该类实验分组可以先采用单对象单因子实验分组法，对各个变量进行逐一对照处理，然后对各处理所得结果进行综合分析。常用方法为组A 不做任何处理作为空白对照组，组B 针对实验变量1 做实验组处理，组C 针对实验变量2 做实验组处理，组D 针对实验变量3 做实验组处理，以此类推。若考虑变量之间的复合作用，还需要设置各实验变量同时处理或先后处理的组E 等，例如组E 为实验变量1 和实验变量2 同时处理，组E′为先实验变量1 处理后实验变量2 处理，其余以此类推，故此类定性实验的分组情况为组A、组B、组C、组D 和组E（E′）；同理，相关类型的定量实验的分组情况做相应改变即可。其中A、B 两组因实验变量1 形成对照，A、C 两组因实验变量2 形成对照，A、D 两组因实验变量3 形成对照，A、E（E′）两组因实验变量1 和实验变量2 的复合作用形成对照，以此类推。该类实验的分组情况可以用表4 所示模型表示。

表4 单对象多因子实验分组

续表

单对象多因子的实验变量之间产生复合作用时，为了简化实验，通常省略组A、组B、组C和组D，只保留组E（E′），即用实验变量1 和实验变量2 同时处理或先后处理同一实验对象，观察实验变量之间的影响。鉴于实验对象相同，若实验变量之间的影响被抵消，可以减少分组数量甚至不分组。

【例3】（2020 年7 月，浙江卷，第30 题节选）欲研究生理溶液中K+浓度升高对蛙坐骨神经纤维静息电位的影响和Na+浓度升高对其动作电位的影响。请完善以下实验思路，预测实验结果，并进行分析与讨论。（要求与说明：已知蛙坐骨神经纤维的静息电位为-70 mV，兴奋时动作电位从去极化到反极化达+30 mV。测量的是膜内外的电位变化。K+、Na+浓度在一定范围内提高。实验条件适宜）

【解析】分析题干信息可知，实验对象是蛙坐骨神经纤维，实验变量是K+浓度和Na+浓度，因此属于单对象多因子实验。依据实验变量进行分组，该题不考虑实验变量之间的复合作用，从定性角度考虑，定性实验中实验组数量（p）=实验对象数（a=1）×实验变量数（b=2）=2 组，再考虑每个实验变量（K+、Na+浓度）分高、低两种浓度，外加考虑生理溶液a 的空白对照，可以分成如下五组：

组A：蛙坐骨神经纤维+生理溶液a，测量静息电位和受刺激后的动作电位；

组B：蛙坐骨神经纤维+低浓度K+溶液，测量静息电位；

组C：蛙坐骨神经纤维+高浓度K+溶液，测量静息电位；

组D：蛙坐骨神经纤维+低浓度Na+溶液，刺激后，测量动作电位；

组E：蛙坐骨神经纤维+高浓度Na+溶液，刺激后，测量动作电位。

4.多对象多因子实验

多对象多因子实验是指实验中存在两个或多个实验对象，并同时存在两个或多个实验变量的实验类型。应同时依据实验对象和实验变量进行分组，可以将表2 的“依据实验对象分组”和表4 的“依据实验变量分组”进行整合，此类实验较为复杂，往往分组较多。例如有三个实验对象和三个实验变量，若实验变量处理有梯度变化，实验变量之间无复合作用，此类实验分组的情况可以用表5 所示模型表示。

表5 多对象多因子实验分组

续表

若实验变量之间有复合作用，亦可参照表4 的“变量之间复合作用”处理方法，对各实验变量组合逐一处理，但分组数量将大大增加，此类情况在实际考试中较为罕见。

【例4】（2016 年10 月，浙江选考卷，第33 题节选）设水稻细胞与染色剂甲反应呈红色，小麦细胞与染色剂乙反应呈黄色，大麦细胞与染色剂丙反应呈绿色。现有A、B、C 三瓶不同的细胞悬液，每瓶中可能含有一种或多种上述细胞。欲用染色剂甲、乙、丙鉴别这三瓶细胞悬液中有几种细胞，请根据以下提供的实验材料，提出实验思路，预测实验结果和结论。

材料与用具：染色剂甲、乙、丙溶液各1 瓶，A、B、C 细胞悬液各1 瓶，试管若干支，显微镜。（要求与说明：一种染色剂只与一种细胞产生反应，每支试管中只能加一种染色剂；装片的具体制作过程不作要求；实验条件适宜）

请回答：

（1）实验思路（其中实验分组用表格形式表示）：

【解析】分析题干信息可知，实验对象是A、B、C 三种细胞悬液，实验变量是甲、乙、丙三种染色剂，属于多对象多因子实验。依据实验对象和实验变量进行分组，不涉及实验变量间的复合作用，实验对象和实验变量需逐一组合，从定性角度考虑，定性实验中实验组数量（p）=实验对象数（a=3）×实验变量数（b=3）=9 组，由于各实验组之间相互对照，不需空白对照组，因此可以分成九组，具体如表6 所示。

表6 不同染色剂鉴别不同细胞悬液的实验分组

综上所述，定性实验中实验分组数量由实验对象数和实验变量数的乘积决定。实际操作中，除需要根据具体情况考虑定性分组和定量分组外，还要考虑实验变量之间是否产生复合作用。纵观历年高考的实验题，出现频率较高的实验类型为单对象单因子实验和多对象单因子实验，而单对象多因子实验和多对象多因子实验由于分组比较复杂，在高考中极为少见，但是真正的科学研究往往需要开展多对象多因子实验。通过构建上述四类实验分组模型，可将实验情境化难为易、化繁为简，使得实验思路拨开云雾、柳暗花明，实验问题驾轻就熟、迎刃而解。