高中生物实验分组与数据分析中的科学思维

辛小兵

摘要：二轮专题复习中，通过案例分析实验设计中的分组和实验结果的数据处理，突破实验设计题中学生最大的困惑，培养学生的科学探究和科学思维素养。

关键词：分组；数据处理；科学思维

中图分类号：G633.91文献标识码：A文章编号：1992-7711（2021）18-0083

本文结合一节公开课，针对二轮复习中学生在实验设计类专题方面存在的问题进行重点突破，通过微专题提升学生实验设计分组和分析实验数据、运用实验数据解决生产实践等新情境中实际问题的能力。

一、实验设计常见考查内容

实验探究能力是历年高考考查的核心，通过实验设计考查科学探究和科学思维等学科素养。《普通高中生物学课程标准》学业质量水平描述：针对日常生活和生产中的真实情景，提出有价值的、可探究的问题，设计并实施方案。运用数学方法分析实验结果，精准阐明实验结果和客观分析与评价在生产实践中的应用和效益风险。依据新课程标准，高考试题中有关实验设计部分常见的考查内容主要有三方面。

1.实验设计思路与步骤、变量、结果和结论分析

2.实验设计与高中教材知识相结合

3.实验设计与生活、生产实践和新情景相联系，评估其应用

二、二轮复习中实验设计的主要难点

经过一轮复习和训练，学生对实验设计思路、自变量和因变量的分析、无关变量的控制、实验步骤、实验结果和结论的规范表达已经掌握较好。在二轮复习测试中，2021郑州二模一道有关实验设计题目，看似比较简单，但是学生作答情况出乎意料，错误率非常高。

试题：【2021郑州二模】研究表明：低氧应激时，小鼠内脏神经对脾脏淋巴细胞的正常增殖有抑制作用，请以正常小鼠为材料，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。（提示：药物A可以抑制内脏传出神经）

学生常见作答：实验思路：1.取一定量正常小鼠随机平均分成两组：甲组正常条件饲养；乙组饲喂药物A的同时在低氧条件饲养2.一段时间后分别取两个小组小鼠的脾脏，测定每组小鼠淋巴细胞的平均数目。预期结果：乙组淋巴细胞的平均数目大于甲组。

学生的实验设计思路书写非常规范，但错误率很高。阅卷后仔细分析作答情况，通过与学生面批座谈，了解学生错答原因主要是：审题不清，没有了解实验的目的是什么。在测试过程中，学生依照惯性思维，简单地理解为验证小鼠内脏神经对脾脏淋巴细胞的正常增殖有抑制作用，所以很多学生只是简单分为两组。由于分组错误，后续的结果分析等就会全部出错，整道题目失分。针对学生出现的情况，笔者在二轮复习中专门开设实验设计的微专题——《实验设计的分组与数据处理》，提升学生这方面的能力。

三、实验设计的分组

1.明确实验目的，遵循分组原则

将2021郑州二模这道题目与2019年全国卷一道试题对比分析

【2019全国I卷】29.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。

引导学生分析题目的意图，分为两个层次：1.低氧应激；2.内脏神经对脾脏淋巴细胞的正常增殖有抑制作用。学生提出设计方案1：

学生提出的方案1的思路是正确，但是是否存在问题呢？引导学生分析实验遵循的原则进行分析。实验分组主要遵循的原则：对照原则、随机原则、重复原则（实验要有足够的例数或次数）、单盲或双盲原则（动物实验）、科学的原则。依据上述原则，学生发现上述方案1中，如果先测量低氧条件下的细胞数目，通常会对小鼠造成伤害，如果继续在原有的基础下加药物A，不符合科学性的原则。有的学生提出，可以将低氧饲养的小鼠分为两组，一组测量低氧下的细胞数目，另外一组不测量，继续加药物A，再测量细胞的数目。学生在原有方案1的基础上进行改进，同时与2021年八省联考中河北省适应性考试的21题进行类比分析，学生提出方案2：

通过上述对比分析，学生明晰审清题意，弄清实验的目的，控制好变量，真正提升科学探究和科学思维素养。

2.常见实验设计分组类型

实验设计常见的分组主要有两种类型：

（1）定性实验的分组

前后对照：一组（例如质壁分离及复原、动物激素有关实验）

空白对照：对照組+实验组（例如验证酶的高效性）

（2）定量实验的分组

对照组+不同量的实验组（例如探究生长素促进植物生根的最适浓度）

实验组相互对照（例如不同温度对酶活性的影响）

结合具体实例，与上述分组方法进行对比分析，让学生体会实验设计分组中的科学思维，提高学生科学探究的能力。

例如：下图把生长状况基本一致、等长的某种植物胚芽鞘分成________组，置于相同的培养液中；

此道题目，学生易按浓度梯度分为7组。教师可带领学生结合坐标图中隐含的对照组。教师还可将这种类型的题目进行变式训练，与已进行预实验的正式实验的分组进行比较，让学生体会实验分组的科学思维。

四、实验数据的分析

实验的考查另一个难点是运用数学方法分析实验结果，运用科学思维分析生产、生活中与生物学相关的新问题情境，并客观分析与评价生物技术产品在生产和生活中的应用所产生的效益和风险。

常用表格或坐标图记录实验结果，坐标曲线和图表数据的分析常进行专题复习，学生已学会分析坐标图和表：坐标图中横纵坐标、单位、特殊点、曲线走向和变化趋势的分析；表格中表头标题的含义、表中特殊值、表格中横纵向的比较。难点在于获取信息后怎样处理和在新情境中运用信息。

1.实验数据和教材知识相联系

例如：（2021广雅模考）在实验设置的浓度范围内，当Cd2+浓度高于10×10-6mol/L时，石莼净光合速率的变化趋势是_______，判断依据是________。

这类设问考查角度非常好，既考查课本知识又考查学生识图获取信息、处理信息的能力，还考查了學生图文的转换，试题区分度高。要求学生要理解净光合速率与总光合速率和呼吸速率的关系。大多数题目考查曲线之间的关系，往往是正、负相关性。本题中两条曲线都下降，但是两者下降的幅度不同。学生只有具备一定数据分析能力和科学思维，才能做出准确判断并合理运用。通过上述实例的分析，在二轮复习中，深挖教材实验和教材中与实验设计相联系的内容进行归纳，并选取经典习题进行训练。

2.实验数据在新情境中运用

实验设计题常选取日常生活、生产实践、科技发展中的实际问题作为素材，考查新情境下运用知识、解决实际问题的学科素养。

例1.（2012广东）（1）pH对不同蛋白酶的活力影响有差异。据右图可知，____________更适宜作为食品添加剂，理由是___________________________。

这道试题学生答题时通常只描述一个理由：酶的活性高，而没有结合实践考虑其维持最高酶活性所适应的范围广，易在生产实践中推广运用。

例2.（2011广东）探究pH对叶绿素稳定性的影响。取一些叶绿素粗产品，配成一定浓度的溶液，于室温（约25℃）下进行实验，方法和结果如下表。

注：叶绿素被破坏后变成黄褐色。

根据所学知识和实验结果，请回答：

多数考生只回答了根据pH梯度，可推测Y值为8.0，解决此类问题学生可迁移教材中研究温度、pH值对酶活性的影响，至少设三组，并且将其与具体情境相结合分析，评价其应用效益等。

分析实验数据解决新情境下的问题，需要学生多思考，具备良好的获取信息、处理、概括和综合运用的能力，充分考查了学生的科学思维。在平时教学中，教师注意让学生理解生物学的核心知识，同时创设情境，多将生物学知识与具体应用结合分析。针对学习中出现的疑问，多用科学思维进行分析、研讨和探究。

参考文献：

[1]教育部考试中心.中国高考评价体系说明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]教育部.普通高中生物课程标准[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]尹秀菊.重新整合教材素材，拓展实验设计课题[J].中学生物学，2013（4）：29-30.

（作者单位：广东省佛山市顺德区李兆基中学528300）