變量：解答生物實驗設(shè)計題的好“抓手”

夏幫青

高中生物學各種類型的實驗設(shè)計類題目的解答都與變量有關(guān)。實驗步驟設(shè)計一般分為四步：（1） 取材，分組，編號。生物學試驗中所用的材料包括生物材料、器皿、試劑等（此步驟操作中要排除實驗材料中無關(guān)變量的干擾）。（2） 對照設(shè)置（進行實驗變量處理）。（3） 繼續(xù)處理（無關(guān)變量適宜且穩(wěn)定）。（4） 反應(yīng)變量的檢測?？梢妼嶒灢襟E設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，都必須做好相關(guān)變量的確認和操控。其解題模型如圖1所示。

可見，只要抓住變量，就可以建立解題模式，使解題有“法”可依，有“路”可循?，F(xiàn)舉例說明如下。

1 變量的確認

1.1 變量的類型

生物學實驗中的變量是指可被操縱的特定因素或條件。根據(jù)其在實驗中的作用，可分以下幾種情況：

1.1.1 實驗變量與反應(yīng)變量

實驗變量，也稱自變量，指實驗中實驗者所操縱的因素或條件;反應(yīng)變量也稱因變量，指實驗中由實驗變量所引起的變化結(jié)果。通常實驗變量是原因，反應(yīng)變量是結(jié)果，兩者之間具有必然的因果關(guān)系。

1.1.2 無關(guān)變量與額外變量

無關(guān)變量也稱控制變量，指實驗中除實驗變量以外的，影響實驗現(xiàn)象和結(jié)果的因素或條件，并非與實驗“無關(guān)”，只不過不是實驗中要研究的目標。額外變量也稱干擾變量，指實驗中由無關(guān)變量控制不當引起的變化和結(jié)果。實驗設(shè)計和操作中應(yīng)力求使實驗組之間以及實驗組和對照組之間的無關(guān)變量保持相同且適宜，避免額外變量的干擾，便于清晰地研究實驗變量和因變量的關(guān)系。

1.2 實驗變量和因變量的確認

通常有以下幾種確認方法：

（1） 直觀法：即由實驗名稱或?qū)嶒災(zāi)康闹苯诱业綄嶒炞兞亢鸵蜃兞俊?/p>

實驗變量和因變量一般隱含在題干的信息中，因此可根據(jù)實驗?zāi)康?、實驗材料等已知條件確定實驗變量和反應(yīng)變量。實驗課題一般可描述或轉(zhuǎn)化為：“……對……的作用或影響”或“……是……”的格式。在“對”或“是”之前的中心詞可認為是實驗變量，而在“對”或“是”之后的中心內(nèi)容部分可認為是反應(yīng)變量。例如：① 探究pH對酶活性的影響;② 設(shè)計實驗，觀察生長素或生長素類似物對植物生長發(fā)育的影響;③ 驗證二氧化碳是綠色植物光合作用的原料;④ 驗證鎂是植物生活的必需元素……在上述問題中，實驗變量可分別確定為：pH;生長素或生長素類似物;二氧化碳;鎂。

（2） 逆推法：有些實驗不能由實驗名稱或?qū)嶒災(zāi)康恼业綄嶒炞兞?，可由實驗結(jié)果（因變量）逆向推出導致其產(chǎn)生的直接原因即為實驗變量。例如“探究成熟的植物細胞的吸水和失水的原因”實驗中，植物細胞失水（因變量）的原因是外界溶液濃度大于細胞液濃度，吸水（因變量）的原因是外界溶液濃度小于細胞液濃度，而成熟的植物細胞失水和吸水主要取決于原生質(zhì)層內(nèi)外的濃度差，所以濃度差是失水和吸水的原因，即實驗變量（表1）。

（3） 對比法：有些較復雜的實驗還可以從實驗組和對照組中找出其中不同的量，而且它又是導致實驗結(jié)果（因變量）的必然原因，這個量即為實驗變量。

2 變量與實驗步驟

2.1 操縱實驗變量

操縱實驗變量是指設(shè)法給研究對象施加干擾，造成實驗對象的變化，從而使研究對象在被干擾狀態(tài)中反映出某種現(xiàn)象和屬性。不同的實驗有不同的操縱實驗變量的方法，一般來說有兩種情況。一種情況是如果實驗變量是一個外在的條件，一般運用實驗控制的加法原理來操縱實驗變量，即設(shè)法給研究對象施加實驗變量的干擾，造成研究對象的變化，從而使研究對象在被激發(fā)狀態(tài)中反映其某些特征。例如，在“SO2對植物葉片的影響”的實驗中，就是通過實驗組對生活著的植物葉片（研究對象）施加實驗變量（SO2）來觀察葉片的生長狀況。

另一種情況是如果實驗變量是一個實驗條件，一般運用實驗控制的減法原理來操縱實驗變量，即設(shè)法排除實驗變量對研究對象的干擾，同時盡量保持被研究對象的穩(wěn)定。如在“探究種子萌發(fā)的外界條件”的實驗中，實驗變量分別是水、溫度和空氣，但它們同時又都是種子萌發(fā)的外界條件，這時實驗組在設(shè)計時可分別設(shè)法減去水、溫度和空氣對種子萌發(fā)的影響。

2.2 控制無關(guān)變量的影響

最常用的控制無關(guān)變量的主要方法見表2。

2.3 檢測因變量

如何知道因變量的結(jié)果呢？就要確定觀察和測量的指標和方法，即觀察指標。它是指在觀察的現(xiàn)象中用什么指標來反映和表達因變量。在實驗步驟的最后一句話往往是關(guān)于觀察指標的，“觀察……的變化“，其中“……的變化”就是觀察指標。例如，“比較過氧化氫酶和Fe3+的催化效率”中，反應(yīng)變量是催化效率的高低，相應(yīng)的觀察指標分別是產(chǎn)生氣泡多少的比較、冒氣泡時間長短的比較和衛(wèi)生香燃燒情況的比較。

根據(jù)實驗結(jié)果是否可直接觀測得到，有下列兩種情況：

（1） 可直接觀測的因變量（表3）。

（2） 隱蔽的因變量的檢測（表4）。

因變量如何檢測還要根據(jù)題目所給試劑及生物材料特性來確定。

2.4 預測因變量的結(jié)果，推理得到實驗結(jié)論

觀察、實驗的價值即在于獲得驗證性的結(jié)果。因此，在實驗中要記錄好實驗的觀察指標即實驗的事實、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，捕捉、記錄由實驗變量而帶來的因變量。然后，論證、說明實驗中的實驗變量與因變量的因果關(guān)系，從而得到實驗的結(jié)果。探究性實驗因為是探索研究對象的未知屬性、特征以及與其他因素的關(guān)系，需要對探究內(nèi)容做出假設(shè)。假設(shè)一般采用“如果A，則B（A代表預期出現(xiàn)的結(jié)果或結(jié)論，B代表可能觀察到的現(xiàn)象）”的形式表述，是根據(jù)現(xiàn)有的科學理論、事實，對所要研究的對象設(shè)想出一種或幾種可能性的答案、解釋。實驗結(jié)果預測方法為對應(yīng)假設(shè)，分類討論，一般采用“如果B，說明A（A代表預期出現(xiàn)的結(jié)果或結(jié)論，B代表可能觀察到的現(xiàn)象）”的形式表述。而驗證性實驗一般只有一種預期結(jié)果。

例如某實驗小鼠適宜生活在25℃左右的環(huán)境中，為探究低于適宜溫度的環(huán)境（如10℃）對小鼠能量代謝的影響（能量代謝的強弱用單位時間的耗氧量表示），請依據(jù)所給的實驗裝置（圖2）、實驗材料和用品，在給出的實驗方法和步驟的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完成探究實驗，預測可能的實驗結(jié)果和結(jié)論，并回答問題。

實驗室溫度：25℃左右

材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等

方法和步驟：

步驟1：將小鼠放入廣口瓶的籠子內(nèi)，加塞密閉。打開夾子A、B、C，片刻后關(guān)閉夾子B，用注射器抽取10 mL氧氣備用。關(guān)閉夾子C，打開夾子B，使水檢壓計液面左右平齊。

步驟2： ? ?。

步驟3： ? ? ? ? ? 。

結(jié)果預測和結(jié)論：

① ? ? ? ? ? ;

② ? ? ? ? ?;

③ ? ? ? ? ?。

該實驗最可能的結(jié)果和結(jié)論應(yīng)是 ? ? ?。原因是 ? ? ? ? ? ? ?。

解析：本題文字信息多，學生一時無從下手。如果根據(jù)實驗設(shè)計題的模型解題，就能夠化復雜為簡單。

首先，實驗?zāi)康氖且骄康陀谶m宜溫度的環(huán)境對小鼠能量代謝的影響，因此，涉及的變量肯定是溫度。實驗變量的操作可通過低于適宜溫度和適宜溫度兩種情況下小鼠能量代謝的強度的比照來得出結(jié)論。在操作上，設(shè)置低于適宜環(huán)境溫度的環(huán)境，可以通過題目給定的冰袋來解決。

其次，考慮用什么來觀察因變量呢？題目要求，能量代謝的強弱是通過單位時間內(nèi)耗氧量來表示的，所以實驗設(shè)計要檢測的是不同溫度條件下氧氣的消耗。氧氣的消耗如何測定呢？仔細分析實驗裝置中各結(jié)構(gòu)作用：氧氣袋是供氧的，本身沒有刻度指標，無法度量，當然不能作為耗氧量的判斷依據(jù);注射器是有刻度的，可以用來測量，但只能通過它知道注入廣口瓶中的氧氣量，而無法知道這些氧氣有多少被小鼠消耗;實驗裝置中的水檢壓計是干什么用的呢？顯然，這個裝置中液面的改變可以反映廣口瓶中氣壓的變化，而這個氣壓的變化正是小鼠消耗氧氣導致的（二氧化碳被氫氧化鈉吸收，因此廣口瓶中二氧化碳不會影響氣壓的變化）。但水檢壓計是沒有刻度的，怎么知道小鼠在不同情況下耗氧量的變化呢？題目告知，測定的方法是用單位時間內(nèi)的耗氧量表示，且在材料用具中給出了秒表。根據(jù)此實驗，難以通過相同時間內(nèi)的耗氧量來表示小鼠的呼吸強度，因為水檢壓計上沒有刻度。但換個思路，可以測定在不同溫度條件下，消耗等量的氧氣引起水檢壓計刻度相同變化所需的時間。水檢壓計左右液面原來是平衡的，當給廣口瓶中注入氧氣后，液面就會發(fā)生變化，左高右低，隨著小鼠對氧的消耗，水檢壓計的左右液面會趨于平衡，達到平衡需要的時間，是可以測定的。這樣，在不同溫度條件下，小鼠消耗相同體積的氧氣量就可以通過水檢壓計液面恢復左右平衡的時間來表示。

實驗會有什么樣的結(jié)果呢？比較兩種情況下的耗氧量無非有3種結(jié)果：相等、大于或小于。根據(jù)這3種結(jié)果，分別得出3種結(jié)論。反過來思考也可以：溫度對小鼠的能量代謝可能是沒有影響的;可能是使小鼠代謝活動加強的，也可能是使代謝活動減弱的。

由于小鼠是恒溫動物，在低溫條件下需要消耗更多的能量來維持體溫，因此低溫下的代謝會加強，消耗相同的氧氣所需要的時間在低溫下要比高溫下少。

答案：步驟2：待小鼠安靜后，關(guān)閉夾子A，記下時間，將注射器向前推進5 mL（推進數(shù)量合理即可），水檢壓計液面左側(cè)升高，關(guān)閉夾子B，待水檢壓計的液面左右平齊時，記錄時間。得到在25℃環(huán)境中小鼠消耗5 mL氧氣所用的時間。

步驟3：將冰袋放在廣口瓶周圍，調(diào)節(jié)距離，使瓶內(nèi)溫度穩(wěn)定在10 ℃，待小鼠安靜后，重復步驟1、2中的有關(guān)操作。得到在10 ℃環(huán)境中小鼠消耗5 mL氧氣所用時間。

結(jié)果預測和結(jié)論：

① 10℃時小鼠消耗5 mL氧氣所用的時間少于25 ℃時，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時，能量代謝會加強。

② 10 ℃時小鼠消耗5 mL氧氣所用的時間時，多于25 ℃，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時，能量代謝會減弱。

③ 10 ℃時小鼠消耗5 mL氧氣所用的時間等于25 ℃時，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時，能量代謝不受影響。

最可能的結(jié)果和結(jié)論是：消耗5 mL氧氣所用的時間10 ℃時少于25 ℃時，說明小鼠的生活環(huán)境從25 ℃降為10 ℃時，能量代謝會加強。原因是小鼠為恒溫動物，在10 ℃時比在25 ℃時維持體溫所消耗的能量多。