以变量控制为核心在高三复习中有效提升实验探究能力

2021-05-27

中学生物学 2021年3期

（福建师范大学附属中学福建福州 350007）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出高中生物学科核心素养中“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题，并能设计方案进行研究、得出结论，侧重于实验和实践能力；其中实验探究能力所涵盖的实验设计能力、动手操作能力是高考评价体系提出的“实践操作能力群”的重点。高考生物试题中也常创设科学实验和探究情境，加强对实验探究能力的考查。下面针对高三复习，从教材实验和高考试题出发，以变量控制为核心，通过认知变量、配置变量、构建变量相关的模型来有效训练、提升学生的实验探究能力。

1 认知变量

在人教版《必修1·分子与细胞》教材的“降低活化能的酶”一节介绍了如何控制变量和设计对照实验。这是学生在高中生物学的学习中对变量认知的起点。在高三复习中，教师应当充分利用教材资源，帮助学生认清“变量控制”的底层逻辑，使学生先做到知其然。在“比较过氧化氢在不同反应条件下的分解速率”的探究实验中，教师可以图例支架（图1）引导学生从该实验的反应方程式入手分析认知本实验的变量。

图1 图例支架示意

学生通过分析，明确：在这个实验中，不同条件是人为控制设置的自变量，包括常温常压、加热、无机催化剂和有机催化剂。其中，有机催化剂实质是猪肝研磨液中过氧化氢酶，也就是本实验研究的主要对象。反应的速率是本实验的因变量，是本实验需要检测的结果，实际操作中往往以带火星的卫生香是否复燃或者复燃的程度来表征。而过氧化氢溶液的量、浓度、反应的时间等本实验的无关变量。在四组实验中，第一组的条件是不加处理的常温常压，因此是空白对照，其他3组是人为设置的加热、催化剂等条件，所以皆为实验组。同时，自主建构反应方程式与变量的关系图（图2）。

图2 反应方程式与变量的关系示意图

无论是验证性实验还是探究性实验其本质就是探求自变量和因变量之间的因果关系。教师引导学生再分析本实验，使学生更加准确、深刻地认知变量的科学本质以及实验设计与探究中的基本原则，从而提升科学思维。

2 配置变量

在学生已经科学认知变量的基础上，教师围绕变量控制，用试题创设情境，引导学生在实验设计与操作中从配置自变量、控制无关变量和观测因变量入手，遵循科学原则，真正做到知其所以然。

2.1 配置自变量

教师出示高考真题：

（2019·海南卷·27）适宜条件下，测得的某植物根细胞对a、b两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系如图3所示（a、b两条曲线分别代表植物根细胞对不同浓度a、b两种物质的吸收速率）。

图3 某植物根细胞对a、b两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系

有学生据图认为b曲线表示的跨膜运输方式是主动运输，有学生则认为是协助扩散。教师引导学生设计实验确定哪位学生的判断是正确的。

2.1.1 确定自变量

在不同的物质跨膜运输方式中，主动运输的影响因素主要是载体和能量，而协助扩散的影响因素主要是载体和生物膜两侧的物质浓度差。主动运输和协助扩散两者的本质区别是什么，是需不需要消耗能量，因此学生要先确定“能量”这个自变量。所以，不少选择“载体”作为自变量，以“载体蛋白抑制剂”作为实验组材料，或者以“浓度”作为自变量的学生显然犯了方向性的错误，对自变量认知不清。

2.1.2 设置自变量

在自变量明确后，如何在实验中恰当地设置自变量呢？根细胞主动运输所需要能量的直接来源是ATP，而ATP能量的主要来源是是有氧呼吸将有机物彻底氧化分解释放转移的能量。在本实验设计中如何设置容易实现的“能量”这个自变量呢？是ATP，是线粒体，还是氧气？学生经过小组讨论后，发现：选择氧气作为直接的自变量，通过设置有氧和无氧两种装置（或者使用呼吸抑制剂），不难实现对真正自变量——“能量”的控制。同样，选择ATP作为直接的自变量，通过使用ATP以及ATP抑制剂，也能实现对真正自变量——“能量”的控制。但是，选择以“线粒体”作为直接的自变量，实际上是不容易实现的，是对自变量地不恰当配置。

2.2 观测因变量

因变量有的可以直接观察，有的需要用一定的技术手段进行测量。实际操作中根据实验原理和实验条件确定观察、测量的指标称为观测指标，具体包括：观察特异性的颜色变化、沉淀反应；观察形态结构、生理变化；测量生长发育速度；测量生化反应速率、生物生成量的多少、生理变化等。

例如，本实验中可以检测培养液中b物质的剩余量。而在比较过氧化氢在不同反应条件下的分解速率的实验中，反应的速率是因变量，真正表征反应速率的是单位时间内生成物（氧气或者水）的生成量，实际应该是定量的一个变量，而在实际操作中往往以带火星的卫生香是否复燃或者复燃的程度来代替了，变成了定性实验。那如何真正观测因变量呢？有学生提出来，可以测量单位时间内氧气的生成量，使用排水法收集单位时间内反应释放的氧气。

因此，因变量≠观测指标，在观测指标的基础上要科学分析真正因变量的变化，才能从实验结果正确推导到真正的实验结论。

2.3 控制无关变量

为了减少实验的误差，提高实验的科学性、准确性，一方面要从实验的环境条件、反应物的量、实验处理时间等方面严格控制无关变量，有效地避免无关变量对实验的干扰；另一方面可以从样本数量、实验的可操作或可重复性等方面着手。

在本实验中，植物的种类、根的生长状况与数量、含物质b的培养液的浓度和量以及培养的时间等就是要严格控制的无关变量。

3 以变量为核心的模型及其应用

3.1 建构变量控制模型

通过上述的变量认知和变量配置的训练之后，当学生需要设计或者检视实验方案时，教师可以进一步引导学生建构“一表式”整体性、综合性的实验设计或探究模型。

以比较过氧化氢在不同反应条件下的分解速率为例，在复习课之前学生对实验设计的逻辑往往是基于实验的目的、假设、原理、方法、步骤、结果等展开的（表1）。

表1 常规的实验设计模型

教师可以引导学生将其按照变量控制的原则转换，见表2。

表2 基于变量控制的实验设计模型（以探究酶的高效性为例）

接着，教师引导学生归纳提炼出以变量控制为核心的实验设计或探究的一般化模型，见表3。

表3 基于变量控制的实验设计一般化模型

基于变量控制的实验设计模型的建构实质上是遵循了科学探究的一般步骤，立足于发展学生的科学思维，促进其掌握科学研究的本质规律，进而有效提升其科学素养，见表4。

表4 基于变量控制的实验设计模型及其分析

3.2 变量控制模型的应用

在高三复习中，实验探究的具体情境千变万化，教师通过变量控制模型给学生提供逻辑化的支架，逐步引导学生掌握实验探究的共性知识，提炼变量控制的基本规律，理解逻辑本质，锻炼科学思维，提升解题技巧。

【例1】（2020·山东卷·22）科研人员在转入光敏蛋白基因的小鼠下丘脑中埋置光纤，通过特定的光刺激下丘脑CRH神经元，在脾神经纤维上记录到相应的电信号，从而发现下丘脑CRH神经元与脾脏之间存在神经联系，即脑-脾神经通路。该脑-脾神经通路可调节体液免疫，调节过程如图4所示，图5为该小鼠CRH神经元细胞膜相关结构示意图。

图4 脑-脾神经通路调节体液免疫的调节过程

图5 该小鼠CRH神经元细胞膜相关结构示意图

已知切断脾神经可以破坏脑-脾神经通路，请利用以下实验材料及用具，设计实验验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力。简要写出实验设计思路并预期实验结果。

实验材料及用具：生理状态相同的小鼠若干只，N抗原，注射器，抗体定量检测仪器等。

实验设计思路：____________。

预期实验结果：____________ 。

通过复习和训练，教师引导学生能够有效地利用模型将实验的思路和结果转换为表5。

表5 验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力

本题要求学生回答实验设计思路并预期结果，根据变量控制模型（表5），从无关变量控制、配置自变量和观测因变量3个方面可以迅速对应梳理形成实验设计的思路：取生理状态相同的小鼠若干只，随机均分为两组，分别给两组小鼠注射相同剂量的N抗原；将其中一组小鼠的脾神经切断作为实验组；另一组作为对照组（不做处理或者进行假手术）一段时间后，检测两组小鼠抗N抗体的产生量。然后，从预期结果和对应结论回答预期实验结果：实验组小鼠的抗N抗体产生量低于对照组的产生量，说明破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力

【例2】某生物兴趣小组要设计实验验证酶的专一性。请根据题意回答问题：

备选实验材料和用具：蛋白块，牛胰蛋白酶溶液，牛胰淀粉酶溶液，蒸馏水，双缩脲试剂，试管若干，恒温水浴锅，时钟等。

（1）该实验的自变量是________________________。

（2）实验步骤：

①取两支洁净的相同试管，编号为甲、乙。

②取5 mL牛胰蛋白酶溶液加到甲试管中，再取牛胰淀粉酶溶液加到乙试管中。

③将两支试管置于恒温水浴锅中，保温（39℃）5 min。

④分别加入等体积等质量的蛋白块，其他条件相同且适宜。

⑤一段时间后，分别加入等量的双缩脲试剂进行检测，记录实验结果。

上述实验步骤中，有两处明显错误，请找出这两处错误并更正。

①________________________。

②________________________。

经过一定的训练后，学生熟练掌握变量控制模型，教师还可以进一步引导学生利用模型有效检视和评价实验方案，发现其中的不足，见表6。

表6 验证酶的专一性

本题中（1）为配置自变量，实验的主题是验证酶的专一性，题干信息中提供了两种酶，自变量不难得出为酶的种类。而（2）中，根据变量控制模型，可以检视酶的种类为自变量。酶溶液的量应为无关变量，因此，控制无关变量，即步骤②中牛胰淀粉酶溶液同样应为5 mL。因为牛胰蛋白酶与牛胰淀粉酶其本质皆为蛋白质，因此为因变量的检测中不宜用检测蛋白质的双缩脲试剂，可以直接观察蛋白块的大小。