加強實驗變量分析突破學生生物實驗?zāi)芰Πl(fā)展瓶頸

毛洪文

摘 要 從分析學生實驗?zāi)芰Φ膯栴}出發(fā)，分析說明了產(chǎn)生問題的根源在于學生缺少對實驗變量的正確分析。由此提出了通過分析實驗變量，了解實驗?zāi)康?，預(yù)測實驗現(xiàn)象的解決方法和過程；通過分析實驗變量，學會設(shè)計對照組和設(shè)計實驗操作過程的一般方法步驟；并總結(jié)提煉出規(guī)范的生物實驗用語。從而有效解決突破學生生物實驗?zāi)芰Πl(fā)展的瓶頸。

關(guān)鍵詞 教案 學案 導(dǎo)學案

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

隨著高中新課程改革的推進，學校生物實驗室設(shè)備在不斷的改善，生物實驗教學也基本解決了過去停留于黑板上的現(xiàn)狀，學生動手實驗的能力有了一定程度的提高。然而大量的事實表明，盡管必、選修實驗各學校都在正常開設(shè)，學生的實驗?zāi)芰θ匀缓艿?。學生在實驗時，往往走過程似的，按照書本上驗證性實驗內(nèi)容亦步亦趨去操作；抑或是探究性實驗，學生只要在網(wǎng)上一搜基本都可找到相關(guān)的實驗設(shè)計步驟，稍加改動就成探究性實驗方案。這是現(xiàn)階段學生實驗教學中的一些基本現(xiàn)狀。

長期的實驗教學發(fā)現(xiàn)，學生雖然都做了教科書上的必、選修實驗，但由于缺少對實驗的認真分析、尤其是實驗自變量和因變量的分析，學生仍然不能很好地理解和分析實驗，不能正確設(shè)計有多組對照存在的生物實驗，不能正確了解實驗?zāi)康?、預(yù)測實驗結(jié)果或結(jié)論，也難以設(shè)計出比較完整的實驗方案。

1 學生在實驗?zāi)芰ι系膯栴}，究其根源在于缺少對實驗變量的分析

學生實驗?zāi)芰ι系膯栴}主要有以下四個方面：

（1） 實驗設(shè)計的思路不清晰，表現(xiàn)為不能正確理解實驗?zāi)康?、原理、方法和操作步驟。

（2） 實驗設(shè)計能力差，表現(xiàn)為不能準確確認變量、作出假設(shè)和設(shè)計可行的實驗方案、搜集處理數(shù)據(jù)，并預(yù)測實驗現(xiàn)象和結(jié)果。

（3） 實驗分析能力差，具體為對方案不能做出恰當?shù)脑u價、修訂和簡單延伸；實驗方法的選擇和運用上不能正確運用觀察、調(diào)查、實驗、假說—演繹、建立模型與系統(tǒng)分析等科學研究方法；

（4） 生物實驗語言（概念、原理和方法表述）不規(guī)范、不簡捷和不準確。

以上四個問題的關(guān)鍵，是學生不能很好地找出實驗的自變量和因變量的種類并分析自變量對因變量的影響關(guān)系。

事實上，在對實驗變量的分析中，只要找對實驗變量中有多少個是自變量，多少個是因變量并分析出每一自變量對每一因變量的影響結(jié)果，就能設(shè)計出相應(yīng)的對照組和實驗組，就能預(yù)測實驗的結(jié)果和結(jié)論，也就能了解實驗的真正目的，正確寫出實驗的方案，從而對實驗的現(xiàn)象和結(jié)果作出比較正確的解釋、分析和推理，并能采用恰當?shù)姆椒ㄋ鸭瘜嶒灁?shù)據(jù)和運用科學的實驗方法來設(shè)計實驗。

因此，歸根結(jié)底在實驗教學中，真正制約學生實驗?zāi)芰Πl(fā)展的根源在于學生能否正確分析實驗的變量。

2 分析實驗變量，了解實驗?zāi)康牟㈩A(yù)測實驗結(jié)果

【例1】 （2011·海南）某同學設(shè)計了一個探究實驗，把培養(yǎng)在完全營養(yǎng)液中、生長狀態(tài)一致的3組某種植物幼苗分別放入A、B、C三個完全相同的玻璃鐘罩內(nèi)（如圖1所示），其中A不密封。B、C密封，B內(nèi)培養(yǎng)皿中盛有Ba（OH）2溶液，A、C內(nèi)培養(yǎng)皿中盛有蒸餾水，各培養(yǎng)皿中液體的體積相同。該實驗在光照充足、溫度適宜的環(huán)境中進行。

回答問題：

根據(jù)上述實驗設(shè)計判斷，該實驗的目的是：___________。

分析：首先是找出該實驗的自變量，由于該實驗在光照充足、溫度適宜的環(huán)境中進行，但A未密封，故影響該實驗的自變量應(yīng)該是玻璃鐘罩內(nèi)的O2和CO2濃度（量）；而C密封，故影響該實驗的自變量也應(yīng)該是玻璃鐘罩內(nèi)的O2和CO2濃度（量）；B因密封且罩內(nèi)放置的是能吸收CO2的Ba（OH）2，故罩內(nèi)CO2濃度（量）不斷減少的變化是影響該實驗的關(guān)鍵變量。所以A、B、C三個實驗可說明影響該組實驗的關(guān)鍵自變量是CO2濃度（量），由于它的變化，直接影響光合作用，因而就會影響另一變量，幼苗光合作用的生長，而幼苗的生長是因為受到CO2濃度（量）的變化而變化的生長，故幼苗的生長變化量是一個因變量。至此，可分析出本實驗實質(zhì)是通過自變量CO2濃度（量）的變化，來探究因變量幼苗的生長變化量（或幼苗光合作用的變化量）的關(guān)系。實驗的目的是：探究CO2濃度對幼苗光合作用強度（或生長量）的影響。

【例2】 （2011·浙江）為了探究某物質(zhì)（X）的作用，研究者提出了以下實驗思路：

（1） 實驗分組：

甲組：培養(yǎng)液+Y細胞+3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）+生理鹽水；

乙組：培養(yǎng)液+Y細胞+3H-TdR+X（用生理鹽水配制）。

每組設(shè)置若干個重復(fù)樣品。

（2） 分別測定兩組的CRD（細胞內(nèi)的放射性強度），求每組的平均值。

（3） 將各樣品在適宜條件下培養(yǎng)合適時間后，測定CRD，求每組平均值并進行統(tǒng)計分析。

（要求與說明：答題時用X、CRD、3H-TDR表示相關(guān)名詞；Y細胞是能增殖的高等動物體細胞）請回答：

（1） 實驗?zāi)康模?__________。

（2） 預(yù)測實驗結(jié)果及結(jié)論：__________。

分析思路：首先分析自變量，由于甲、乙兩組對照中，不同的是乙組含有X物質(zhì)，因此X物質(zhì)就是該組實驗的自變量。并由于題目提示，Y細胞是能增殖的高等動物體細胞，說明在培養(yǎng)中Y細胞會增殖，而增殖就會吸取營養(yǎng)物質(zhì)，一是培養(yǎng)液，另一是吸取3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）用于DNA的復(fù)制，故聯(lián)系本題要測定兩組實驗的CRD（細胞內(nèi)的放射性強度），同時求每組的平均值，這說明3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）在細胞內(nèi)復(fù)制得快，吸取得多，則細胞增殖就快，CRD就會高，反之則低。但由于在乙組中加入了X物質(zhì)，若X會加快細胞增殖，DNA的復(fù)制會加快，則CRD就會升高；若X會抑制細胞增殖，則DNA的復(fù)制會受到抑制，CRD就會降低；若X不會對細胞增殖造成影響，DNA的復(fù)制不會受影響，則CRD就不會改變。故通過上述分析，DNA的復(fù)制變化引起的Y細胞增殖的變化，使得CRD變化，就是因變量了。同時，本實驗的目的及實驗可能的現(xiàn)象和結(jié)果也就非常清楚了。

實驗?zāi)康木褪牵禾骄縓對Y細胞增殖（DNA合成或CRD）的影響；預(yù)測的實驗結(jié)果及結(jié)論就是：如果乙組CRD明顯高于甲組，說明X對Y細胞增殖（DNA合成）有促進作用；如果乙組CRD與甲組基本相同，說明X對Y細胞增殖（DNA合成）無影響；如果乙組CRD明顯低于甲組，說明X對Y細胞增殖（DNA合成）有抑制作用。

通過以上兩例分析，不難看出，解決實驗的關(guān)鍵就是對變量的分析，萬其是自變量和因變量的種類及關(guān)系的分析。

對以上典型例題歸納總結(jié)如下：

如何了解實驗?zāi)康模菏紫却_認探究還是驗證性實驗——找出自變量和因變量種類及其關(guān)系——用規(guī)范語言說明“探究還是驗證自變量和因變量的關(guān)系”。

如何預(yù)測實驗結(jié)果與結(jié)論：確認探究還是驗證性實驗——分析說明自變量對因變量影響可能產(chǎn)生的各種結(jié)果——用規(guī)范的語言表達。

規(guī)范的文字敘述如下：

若為探究實驗則用這樣表述：如果……（實驗結(jié)果），則（自變量）對（因變量）……（影響結(jié)果）；若為驗證性實驗則用這樣表述：證明……（自變量對因變量的影響）。

3 分析實驗變量，學會設(shè)置對照組和設(shè)計實驗操作過程

分析以下典型實驗題目：

【例3】 （2012·浙江）請根據(jù)以下提供的實驗材料，完善生物制劑W對動物不同細胞的分裂具有促進作用的實驗思路，并預(yù)測實驗結(jié)果。

實驗材料：培養(yǎng)液、正常體細胞、癌細胞、W、胰蛋白酶。

（要求與說明：答題時不考慮加入W后的體積變化等誤差。提供的細胞均具有分裂能力，只進行原代培養(yǎng)且培養(yǎng)條件適宜）

（1） 實驗思路：

① 取培養(yǎng)瓶若干個，分組如下：__________。每組設(shè)置若干個重復(fù)樣品。

② 各組樣品在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一段合適的時間后，各取其中的幾個樣品，加入__________，搖勻，在顯微鏡下用血細胞計數(shù)板分別計數(shù)并記錄細胞數(shù)。

③ 重復(fù)②若干次。

④ __________。

（2） 預(yù)測實驗結(jié)果（用坐標系和細胞數(shù)變化曲線示意圖表示）。

3.1 分析一

尋找實驗變量（圖2）。

3.2 分析二

實驗應(yīng)遵循“單一變量”“等量原則”“平行重復(fù)”等原則。由于自變量必須遵守“單一原則”，所以自變量的多少也就決定了分組的數(shù)量，有多少是對照組，這就是對照設(shè)計時分組的依據(jù)。從上面分析可以看出，由于有四個自變量的存在，依據(jù)單一變量原則，故分析每一個自變量的作用時，其他的多個變量應(yīng)均作為不變量來對待，故很容易得到本實驗的對照組必須設(shè)置四組。同時，由于取材或分組時必須編號，所以綜合起來，最后用語言表述如下：

A組：培養(yǎng)液加入適量的體細胞；

B組：培養(yǎng)液加入等量的體細胞，再加入一定量的W生物制劑；

C組：培養(yǎng)液加入等量的癌細胞；

D組：培養(yǎng)液加入等量的癌細胞，再加入等量適量的W生物制劑。

3.3 分析三

由于實驗操作的最后一步，一般是觀察、記錄或統(tǒng)計、分析（因變量的變化結(jié)果）。所以第四小問的操作描述答案就為：經(jīng)過一段時間后，記錄、統(tǒng)計分析各組細胞的細胞數(shù)。

3.4 對以上典型例題歸納總結(jié)如下

3.4.1 設(shè)置對照組過程：

確認自變量的多少，分多少組——各組恰當編號（字母或甲、乙、丙等）——用恰當?shù)恼Z言（等量、適量）來描述各分組的操作。

3.4.2 設(shè)計實驗操作過程的一般步驟

取材/分組編號——對照組的處理（實驗組處理）——無關(guān)變量的處理（均在相同條件下，如植物的各組在相同條件下培養(yǎng)）——最后一步操作，“觀察/記錄/統(tǒng)計分析實驗的現(xiàn)象或結(jié)果”——實驗結(jié)論。

4 學會用精練的語言、規(guī)范的表達，進一步提升實驗設(shè)計能力

在長期的實踐教學中，教師不斷總結(jié)提練出下面一些實驗用語來引領(lǐng)學生，規(guī)范其語言表達。

實驗材料取材用語：選取……生長發(fā)育（長勢）形態(tài)/大小/相同部位的……/相同體積/等量的……

實驗設(shè)計中的基本過程用語：

取材、分組、編號——甲組（實驗組）如何外理，乙組（對照組）如何處理（凡加試劑/藥品/溶液，用“等量/適量/相同體積”……）——實驗組，對照組放置在……“相同環(huán)境條件下進行‘接種/培養(yǎng)/種植”——經(jīng)一段時間，“觀察/記錄/統(tǒng)計/檢測”……——預(yù)期實驗現(xiàn)象（結(jié)果）（用因變量的變化表示）——實驗結(jié)論（探究性，若……則……（用自變量對因變量的影響表示且盡量用“名詞概念/原理/結(jié)構(gòu)/功能”來描述）。

總之，在高中生物實驗中，教師要加強對實驗變量的分析，做到嚴格規(guī)范、要求，并運用典型例題引領(lǐng)并輔之以學生在具體實驗室的實驗操作體驗，從而實現(xiàn)了強化變量分析，有效突破學生實驗?zāi)芰Πl(fā)展的瓶頸，學生實驗設(shè)計的能力就會有質(zhì)的提升。