实验问题中“表格三原则分析法”的应用

李云星

(陕西省宝鸡市凤翔区凤翔中学)

生物学科中有很大一部分知识点与实验有直接或者间接的关系,几乎每年高考试卷中都有1～3道实验探究题,培养学生实验设计能力和实验分析能力就显得极为重要。

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》要求生物学课程培养学生的核心素养:使学生在学习过程中逐步发展科学思维;发现现实世界中的生物学问题,针对特定的生物学现象进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。

人教版新教材(2019)《分子与细胞》第78页科学方法“控制变量和设计对照实验”以及第92页科学方法“对比实验”对于实验的设计方法进行了严密地描述,笔者将这三段文字进行拆解,厘清概念边界,提出高中生物实验设计的三个基本原则,从而使学生能更好领悟实验设计的科学思维和科学探究思路。

一、高中生物学实验设计的三个经典原则

(一)控制单一自变量原则

“实验过程中的变化因素称为变量,其中人为控制的,对实验对象进行处理的因素叫自变量,因自变量改变而变化的变量叫因变量”。从逻辑意义上而言,自变量是因变量的原因,因变量是自变量的表现或结果。面对宏大的生物界,探寻复杂生物现象背后的原因必须将复杂的问题简单化,控制单一自变量原则即是说控制一个自变量,观察一个因变量或者多个因变量。

(二)无关变量原则

实验过程中还存在一些对实验结果造成影响的其他可变因素,叫作无关变量,这些无关变量都保持一致,即等量原则。等量原则要求除单一的自变量外,其余可变因素都保持不变,从而使实验的结论或者因变量的原因(自变量)具有可靠的、客观的准确性和确定性。

(三)对照原则

对照原则针对实验结果而言,对照实验,一般要求设置对照组和实验组,对照组不做任何处理,这样的对照组叫作空白对照;自变量参与的组别叫实验组,设置两个或两个以上的实验组,通过对结果的比较分析来探究某种因素对实验对象的影响,这样的实验叫作对比实验,也叫相互对照实验,对比实验也是科学探究中常用的方法之一。

针对同一个实验对象,通过一个自变量在时间上的先后参与体现的对照叫作自身前后对照。

二、高中生物学实验设计的三个原则之间的逻辑关系

设计生物相关实验的三个原则既各自独立,又不可分割、相辅相成,它们有机整合形成一个严密的设计生物学实验的科学方法体系,熟悉并理解它既可以培养学生的科学思维,又可发展成学生科学探究之核心素养。下面我们就参照下图阐述这三个原则的逻辑关系。

图1

设计高中生物相关实验以找准控制单一自变量为起点,其他影响实验的可变因素为无关变量,对无关变量的处理应尽量保持等量原则,不能保持等量的则将其对实验的影响降到最低;因变量是自变量引起的结果,其含义广泛,如实验现象,底物的消耗,产物的形成等;由自变量的“变与不变”设置对照原则,对照原则之下设置对照组和实验组。

三、区分实验组和三种对照组

实验组和对照组的关系比较复杂,对照组又可以有空白对照、相互对照、自身前后对照。下面举教材经典实验进行说明。

(一)实验组中的相互对照(无空白对照)

实验探究酵母菌细胞呼吸的方式无关变量原则加入等浓度等量的葡萄糖溶液加入等量的酵母菌对比实验(相互对照)控制单一自变量反应条件有氧条件无氧条件装置略略广义因变量CO2略略酒精略略

(二)空白对照与相互对照

实验比较不同条件下过氧化氢的分解广义自变量反应条件常温90℃FeCl3溶液肝脏研磨液狭义自变量不同温度(加热与否)不同种类的催化剂对照原则空白对照实验组实验组对比实验(即相互对照)试管编号1234无关变量原则H2O2浓度3%3%3%3%H2O2剂量2 mL2 mL2 mL2 mL催化剂剂量2滴2滴因变量气泡产生略略略略卫生香燃烧情况略略略略结论加热使过氧化氢分解明显酶比FeCl3催化效率高不同条件下酶的催化效率高

(三)自身前后对照

实验植物细胞的吸水和失水步骤第一步第二步第三步第四步第五步第六步制作洋葱鳞片叶外表皮的临时装片 用低倍显微镜观察洋葱鳞片叶外表皮细胞中的中央液泡的大小,以及原生质层的位置从盖玻片上的一侧滴入蔗糖溶液,在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引。这样重复几次,盖玻片下面的洋葱鳞片叶表皮就浸润在蔗糖溶液中用低倍显微镜观察,看细胞的中央液泡是否逐渐变小,原生质层在什么位置,细胞大小是否变化在盖玻片的一侧滴入清水,在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引。这样重复几次,洋葱鳞片叶表皮又浸润在清水中用低倍显微镜观察,看中央液泡是否逐渐变大,原生质层的位置有没有变化,细胞的大小有没有变化自身(前后)对照观察结果略略略

四、“表格三原则分析法”的应用

(一)单因子影响的实验分析

例1.(2022海南卷,3题)某小组为了探究适宜温度下CO2对光合作用的影响,将四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照,记录叶圆片上浮所需时长,结果如图2。下列有关叙述正确的是

图2

(B)

A.本实验中,温度、NaHCO3浓度和光照都属于自变量

B.叶圆片上浮所需时长主要取决于叶圆片光合作用释放氧气的速率

C.四组实验中,0.5% NaHCO3溶液中叶圆片光合速率最高

D.若在4℃条件下进行本实验,则各组叶圆片上浮所需时长均会缩短

解题思路分析：根据题干信息分析如表所示:

无关变量狭义自变量因变量“适宜温度下” “四组等量菠菜叶圆片排气后,分别置于盛有等体积不同浓度NaHCO3溶液的烧杯中,从烧杯底部给予适宜光照”“不同浓度NaHCO3溶液”即不同浓度的“CO2”将记录叶圆片上浮所需时长

(二)多因子影响的实验分析

例2.(2022重庆卷,7题)植物蛋白酶M和 L能使肉类蛋白质部分水解,可用于制作肉类嫩化剂。某实验小组测定并计算了两种酶在37℃、不同pH下的相对活性,结果见下表。下列叙述最合理的是

(D)

酶pH357911M0.71.01.01.00.6L0.51.00.50.20.1

A.在37℃时,两种酶的最适pH均为5

B.在37℃长时间放置后,两种酶的活性不变

C.从37℃上升至95℃,两种酶在pH为5时仍有较高活性

D.在37℃、pH为3～11时,M更适于制作肉类嫩化剂

解题思路分析：从题干和表格中分析发现:自变量有两个:不同的pH和不同的酶。以上述的原则分析,以其中一个为自变量,则其他的均按照无关变量处理。

利用表格对选项分析如下:

选项无关变量狭义自变量因变量分析A在37℃时,两种酶两种酶的最适pHM的最适pH是5～9B在37℃长时间放置后,两种酶两种酶的活性C在37℃上升至95℃,在pH为5时,两种酶两种酶活性D在37℃、pH为3～11时,M(L)M比L的相对活性高M比L更适于制作肉类嫩化剂

例3.(2022北京卷,2题)光合作用强度受环境因素的影响。车前草的光合速率与叶片温度、CO2浓度的关系如图3。据图分析不能得出

图3

(D)

A.低于最适温度时,光合速率随温度升高而升高

B.在一定的范围内,CO2浓度升高可使光合作用最适温度升高

C.CO2浓度为200 μL·L-1时,温度对光合速率影响小

D.10℃条件下,光合速率随CO2浓度的升高会持续提高

解题思路分析：从选项的角度分析如下表:

选项迁移无关变量狭义自变量因变量ACO2浓度低于最适温度时的温度光合速率B在一定的范围内的CO2浓度光合作用最适温度CCO2浓度为200 μL·L-1温度光合速率D10℃CO2浓度光合速率

例4.(2022辽宁卷,22题节选)浒苔是形成绿潮的主要藻类。绿潮时浒苔堆积在一起,形成大量的“藻席”,造成生态灾害。为研究浒苔疯长与光合作用的关系,进行如下实验:

(4)酶Y活性测定:取一定量的粗酶液加入酶Y活性测试反应液中进行检测,结果如图4。

图4

在图4中,不考虑其他因素的影响,浒苔甲酶 Y活性最高时的光照强度为1 800μmol·m-2·s-1(填具体数字),强光照会抑制浒苔乙酶Y的活性。

解题思路分析：

狭义自变量因变量光照强度酶活性

例5.(2021广东卷,19题节选)人体缺乏尿酸氧化酶,导致体内嘌呤分解代谢的终产物是尿酸(存在形式为尿酸盐)。尿酸盐经肾小球滤过后,部分被肾小管细胞膜上具有尿酸盐转运功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收,最终回到血液。尿酸盐重吸收过量会导致高尿酸血症或痛风。目前,E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物。为研发新的药物,研究人员对天然化合物F的降尿酸作用进行了研究。给正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制剂,获得了若干只高尿酸血症大鼠,并将其随机分成数量相等的两组,一组设为模型组,另一组灌服F设为治疗组。一段时间后检测相关指标,结果见图5。

回答下列问题:

(3)与空白对照组(灌服生理盐水的正常实验大鼠)相比,模型组的自变量是________,与其他两组比较,设置模型组的目的是。

(4)……为进一步评价F的作用效果,本实验需要增设对照组,具体为。

解题思路分析：以下分析中尿酸氧化酶抑制剂简称酶抑制剂;高尿酸血症或痛风简称痛风。

第(3)问:从题干信息分析,建立信息模型(图6):

图6

表格分析如下:

实验对天然化合物F的降尿酸作用进行研究第一步无关变量原则正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)给正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制剂,获得了若干只高尿酸血症大鼠,并将其随机分成数量相等的两组第二步对照原则空白对照组相互对照模型组治疗组第三步狭义自变量无处理酶抑制剂处理酶抑制剂处理+药物F第四步因变量正常痛风正常

通过表格分析,与空白对照组比较,模型组灌服了尿酸氧化酶抑制剂,所以该组不仅可以作为高尿酸血症的疾病模型,还可以作为空白对照组和治疗组的对照。

本题需增设对照组,将高尿酸血症大鼠灌服E,并检测血液尿酸盐含量和相关蛋白含量,对比E与F的作用效果。

第(4)问:治疗组中相互对照即对比实验,表格分析如下:

实验药物E和药物F对痛风的治疗效果第一步无关变量原则给正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制剂,获得了若干只高尿酸血症大鼠,并将其随机分成数量相等的两组第二步狭义自变量相互对照灌服F灌服E第三步因变量观察效果观察效果

通过表格分析可知:向高尿酸血症大鼠灌服E,与向高尿酸血症大鼠灌服F形成相互对照,观察哪一种药物的疗效更好。

(三)表格法分析实验设计类

例6.(2015浙江卷,33题节选)现有一种细菌M能够合成某种酶,并能分泌到细胞外。为了研究其培养时间与细胞数、细胞外酶浓度和总酶浓度的变化关系,请根据以下提供的实验材料写出实验思路,并预测实验结果。

实验材料:若干个培养瓶、培养液、细菌M

(要求与说明:实验仅设一组;实验仪器、试剂、用具及操作不做要求;实验条件适宜)请回答:

(1)实验思路:。

分析解题思路：

实验思路大致如下:①取细菌M稀释后,分别等量接种于若干个含等量培养液的培养瓶中;②取其中的培养瓶,分别测定细胞数、细胞外酶浓度和总酶浓度,并记录各组数值;③在培养过程中,每隔相同的时间,重复②过程;④对所得实验数据进行分析与处理,绘制成曲线。

题目信息分类题目信息整理狭义自变量培养时间③在培养过程中,每隔一段时间重复②因变量细胞数、细胞外酶浓度和总酶浓度②取其中的培养瓶,分别测定细胞数、细胞外酶浓度和总酶浓度,并记录。④对所得实验数据进行分析与处理无关变量原则若干个培养瓶、培养液、细菌M等①取细菌M稀释后,分别等量接种于若干个含等量培养液的培养瓶对照原则实验仅设一组(自身前后对照)③在培养过程中,每隔一段时间重复②

综上,高中生物实验设计和分析是科学思维、科学探究绕不开的能力点,生物实验的分析、理解与迁移应用,科学证据的获取,都离不开实验设计,笔者以教材“科学方法”为蓝本,厘出设计生物实验的三原则,以“三原则表格分析法”训练学生的实验分析能力,帮助学生理解、应用实验设计的基本思路和基本方法,更加清晰地实现学生科学思维和科学探究核心素养的发展,在有关生物实验教学中和生物实验问题的解决中,能够使学生迅速找准实验分析和实验设计的起点,把握生物实验问题的主线,从而提高学生解决问题的严密逻辑思维能力。