构建实验设计题的解题模型

实验设计能力不仅是普通高中新课程教学理念所强调的能力要求，也是高考“考试说明”中要求掌握和重点考查的基本能力。近几年的广东高考生物试题十分重视对实验和探究能力的考查，考试统计结果显示，考生在此处失分最多，实验题成为得高分的瓶颈。在高三生物复习中，我采用“例题分析――比较讨论――归纳总结――建模应用”的教学模式来突破实验设计题解题教学中的难点，收到了较好的效果。

一、分辨实验中的三个变量

实验的变量包含自变量、因变量和无关变量。自变量是实验中由实验者操纵的因素或条件。因变量是指由自变量而引起的变化和结果。通常自变量是原因，因变量是结果，二者有因果关系。实验中除自变量以外，可能还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响，这些变量称为无关变量。特别提醒，无关变量并不是指与实验无关的变量。正确分辨这三个变量是解题的关键。

【例1】为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。

材料和用具：日龄相同且体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。（实验提示：给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不做考试要求，室温恒定）

解析：本实验是验证性实验，目的是验证甲状腺激素的生理作用。那么，实验要求控制的量是甲状腺激素，因此甲状腺激素是自变量；又因要观察的是大白鼠的耗氧量和活动量，所以大白鼠的耗氧量和活动量是因变量。但无关变量要如何确定？教师可引导学生思考：“除了甲状腺激素以外，还有哪些因素会影响实验结果？这些因素属于什么变量？”学生经过思考以后，得出下列答案：白鼠的日龄、每天灌胃的次数和甲状腺激素的量、环境温度等，这些因素是实验中必须严格控制的量，称为无关变量。接着让学生分析下列几个实验的无关变量：（1）比较过氧化氢、酶和铁离子的催化效率；（2）温度对酶活性的影响；（3）紫外线辐射量对酵母菌生长的影响。最后总结常见的无关变量，有环境温度、pH值、氧气的浓度、光照时间、光照强度、材料的量、试剂的量、反应时间、植物或动物的生长状况、培养条件、培养时间等。

二、实验步骤的设计

要求学生设计例1的实验步骤，然后评价学生的答案，并展示和分析参考答案，最后归纳出实验设计常见的三个步骤。第一步，选取材料，分组编号，进行前测；第二步，设置实验组和对照组，做不同的处理，培养一段时间；第三步，进行后测或观察、记录实验现象。实施中

应注意以下几个问题：（1）选材要遵循等量原则。所选材料应保持条件相同，并具有一定的数量，这样才能避免偶然因素影响实验结果，保证实验结果更精确。（2）分组编号要遵循等量原则和单一变量原则。研究对象、器皿等要分组编号，设立实验组和对照组（分成几个组，因实验而异）。

（3）实验处理，即分别对实验组和对照组施加单一变量。除实验变量外，对实验组和对照组的培养、饲养等条件应相同，即控制无关变量。同时，要注意能体现“单一变量”的词语的准确表达，如使用“相同”“适宜”等词语。另外，教师要特别提醒学生注意：以动物为实验材料时，如果采用饲喂法，对照组的饲料中一般加等量蒸馏水；如果采用注射法，对照组应注射等量的适宜浓度的生理盐水。如果实验组饲喂或注射的是用某种溶剂溶解的激素，则对照组也应该饲喂或注射某种溶剂。（4）培养（或饲养）、观察、记录，即观察并记录实验现象和实验数据。这里要注意高中生物实验中常见的观察指标：①颜色变化，如可溶性还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定和色素分离、DNA鉴定等。②形态结构和生理状况的变化，如活动量、耗氧量、发芽率、酵母菌的数量等。③液面改变，如气体体积变化、液体体积变化等。④其他，如气味变化、沉淀、温度变化、pH值变化、气泡产生、反应物变化量、生成物变化量等。对实验设计的步骤不能只掌握三步，有时实验设计会有四步、五步等，教师应该引导学生掌握。如果实验材料比较特殊，需要处理，或者需要配制溶液，则可以在第一步前加一步，有时也可以把培养和观察分成两步。

三、实验结果的预测和分析

高中常见的实验有验证性实验和探究性实验两种。

验证性实验要根据所学的知识和原理，分析得出应有的实验结果和推出相应的结论（此时一般只有一个结果和相应的结论，且结论与实验目的相对应）。如例1中的预测，应该是灌胃甲状腺激素的大白鼠活动量和耗氧量要大于对照组，只有一种结果。

探究性实验在进行结果预测时，应讨论可能出现的各种情况，并根据各种实验结果得出相应的结论（大多有三种可能，即变量促进结果、变量抑制结果、变量与结果无关）。

【例2】探究光有无对该种子萌发的影响，预测可能的实验结果，并分别得出相应的结论。

预测与分析：（1）如果有光组发芽高于无光组，且差异显著，则说明光促进该种植物种子的萌发。（2）如果有光组发芽低于无光组，且差异显著，则说明光抑制该种植物种子的萌发。（3）如果有光组萌发，无光组也萌发，但两组发芽率差异不显著，则说明该种植物的种子萌发不受光影响。

四、实验结果的记录

实验结果记录常用的方式有文字记录、表格记录和坐标图记录等。文字记录实验结果，学生根据题意很容易回答；由于学生有一定的数学知识，所以坐标图记录实验结果也相对较简单。这里，只讨论如何用表格记录实验结果。

我主要通过“出示例题――分析例题中记录实验结果的表格的构成――练习巩固”的教学过程来突破这一难点。

【例3】低温迫使植物细胞产生大量对细胞有害的过氧化产物，如脂质过氧化产物（MDA）等。超氧化物歧化酶（SOD）能够清除过氧化产物，从而增强植物的抗冷性。研究人员进行了“水杨酸对水稻幼苗抗冷性的影响”实验，结果如下表。

分析：（1）表格中的“处理+培养温度”与SOD活性、MDA分别属于哪种变量？（2）题干中的抗冷性是通过什么指标显示出来的？（3）组别1和组别2在实验中有什么作用？（4）如果要避免实验结果的偶然性，应该怎样处理实验数据，并在表格中体现？

通过以上分析，学生已经逐步构建起实验表格设计的一般模型：（1）体现对照组和实验组；（2）体现自变量、因变量或观测指标；（3）体现重复实验，数据应为多次测量后所取的平均值。

绝大部分学生经过模型构建的训练以后，能较好地解答实验题的相关问题，使得分率逐渐增加。

总之，建模思想使学生对实验设计题的解题思路清晰化，语言表达条理化，设计表格模式化，收到了较好的教学效果。