探究性實(shí)驗(yàn)與解題策略四部曲

周福兵 劉宗葉 羅繼虎

科學(xué)探究能力是生物科學(xué)素養(yǎng)的重點(diǎn)和核心，隨著教育改革和新課程標(biāo)準(zhǔn)的不斷深入，探究性學(xué)習(xí)和研究能力的考查將成為今后高考命題的總趨勢(shì)。在復(fù)習(xí)備考中，我們?nèi)绻訌?qiáng)對(duì)高考生物探究性實(shí)驗(yàn)題的研究，準(zhǔn)確把握考綱要求，找出解題規(guī)律，制定切實(shí)可行的備考策略，在日常練習(xí)中養(yǎng)成良好的答題習(xí)慣，對(duì)我們科學(xué)備考解決這一類(lèi)型的題目將十分有利。

一、解題策略——四部曲

1.取材、分組、編號(hào)及前期處理。

選擇題目中提供的實(shí)驗(yàn)材料和用具，組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備，平均、隨機(jī)分組（每組材料不能單一），并做好編號(hào)，同時(shí)生物材料要相同，即所用生物材料的數(shù)量、質(zhì)量、長(zhǎng)度、體積、來(lái)源和生理狀況等要盡量相同；實(shí)驗(yàn)器具要相同，即試管、燒杯、水槽、廣口瓶等器具的大小、型號(hào)、潔凈度等要相同，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.設(shè)置對(duì)比對(duì)照，創(chuàng)設(shè)單一變量。

合理設(shè)置對(duì)照。探究因果關(guān)系的實(shí)驗(yàn)通常都需要設(shè)置對(duì)照，以平衡控制和抵消無(wú)關(guān)變量的影響。實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題不同，方法各異，采用何種對(duì)照形式當(dāng)然也不一樣。一般來(lái)說(shuō)，單組實(shí)驗(yàn)設(shè)置自身（前后）對(duì)照；等組及輪組實(shí)驗(yàn)設(shè)置相互對(duì)照和空白對(duì)照，有時(shí)還需要設(shè)置條件對(duì)照。例如：“觀察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原”實(shí)驗(yàn)，通常將做好的紫色洋蔥鱗片葉表皮細(xì)胞進(jìn)行裝片觀察初始狀態(tài)，然后用蔗糖溶液做質(zhì)壁分離觀察，接著用清水做質(zhì)壁分離復(fù)原觀察，這就是單組實(shí)驗(yàn)自身（前后）對(duì)照；“探究玉米幼苗的最適生長(zhǎng)素濃度范圍”實(shí)驗(yàn)，按照不同的生長(zhǎng)素梯度、濃度設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)，這就是等組實(shí)驗(yàn)相互對(duì)照，其中的濃度為零的那一組可看做空白對(duì)照，常說(shuō)的“對(duì)照組”指的就是“空白對(duì)照”。因此在審題解題時(shí)，要時(shí)時(shí)想到有沒(méi)有對(duì)照組，知道沒(méi)有對(duì)照的結(jié)論，不可能是正確、全面的，這樣的結(jié)論不可能經(jīng)得起推敲。所以做完題后必須檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)有無(wú)對(duì)照組，一般評(píng)卷老師看實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵也是看有無(wú)對(duì)照組。

控制單一變量。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的處理，只能有一項(xiàng)條件不同，其他條件要相同且適宜。探究性實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)“因果關(guān)系”在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的單線運(yùn)作，即“一因一果”，否則，難以達(dá)到探究實(shí)驗(yàn)的最終目的。例如：在“探究溫度對(duì)酶活性的影響”的實(shí)驗(yàn)中，溫度變化即為實(shí)驗(yàn)自變量，被作用于實(shí)驗(yàn)組，此時(shí)其他變量（如pH值的變化）則不可以再被同時(shí)作用于該實(shí)驗(yàn)組。但是，有時(shí)我們?yōu)榱诉_(dá)到“節(jié)約實(shí)驗(yàn)”的目的，會(huì)同時(shí)探究“溫度和pH值”對(duì)酶活性的影響，這樣實(shí)驗(yàn)就有了“溫度”和“pH值”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)自變量，此時(shí)在實(shí)驗(yàn)操作中，我們就得強(qiáng)調(diào)：須設(shè)置“溫度相同適宜，而pH值不同的”實(shí)驗(yàn)對(duì)照說(shuō)明“pH值”的影響，再設(shè)置“pH值相同適宜，而溫度不同的”實(shí)驗(yàn)對(duì)照說(shuō)明“溫度”的影響。在語(yǔ)言的表述上，要注意能體現(xiàn)“單一變量”詞語(yǔ)的準(zhǔn)確使用，例如：“等量”、“相同”、“適宜”等。

3.將各組放在條件相同且適宜的環(huán)境中培養(yǎng)（飼養(yǎng)、反應(yīng)），觀察和記錄。

處理方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件要相同，如：處理程度、時(shí)間、溫度、光照等控制都要保持一致。

4.預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析得出結(jié)論。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理指出怎樣觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者觀察何種現(xiàn)象、記錄何種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能是一種，即支持實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃淼慕Y(jié)果；而對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn)，則應(yīng)盡可能分析可能出現(xiàn)的各種結(jié)果，并根據(jù)各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。結(jié)果一般有三種：①實(shí)驗(yàn)組等于對(duì)照組，說(shuō)明研究的條件對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)影響；②實(shí)驗(yàn)組大于對(duì)照組，說(shuō)明研究的條件對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響，且影響是正相關(guān)；③實(shí)驗(yàn)組小于對(duì)照組，說(shuō)明研究的條件對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響，且影響是負(fù)相關(guān)。

二、解題示例

例1：據(jù)新華社報(bào)道，英國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)人體中有一種重要激素，即所謂的“瘦素”，這種激素能夠控制人的食欲，注射后，食欲會(huì)下降，從而對(duì)人體是否發(fā)胖起到至關(guān)重要的作用。某校生物興趣小組想利用以下材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“瘦素”能否控制動(dòng)物的食欲，以及是否具有減肥作用，請(qǐng)你幫他們完成下列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并預(yù)測(cè)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)題目：“瘦素”能否控制動(dòng)物的食欲及是否具有減肥作用。

材料用具：大鼠若干只、普通飼料、一定劑量的“瘦素”溶液、生理鹽水，其他所需條件均滿(mǎn)足。

步驟設(shè)計(jì)：（請(qǐng)簡(jiǎn)要寫(xiě)出）

第一步：？搖 ？搖；

第二步：？搖 ？搖；

第三步：？搖 ？搖；

第四步：一段時(shí)間后，觀察大鼠的食欲狀況，稱(chēng)量并統(tǒng)計(jì)各組大鼠的體重。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)與分析：（至少寫(xiě)出三種情況）

①？搖 ？搖；

②？搖 ？搖；

③？搖 ？搖。

解析：本題屬于探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，探究性實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳鲜遣煌?，?yàn)證性實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證研究對(duì)象的已知屬性、特征及與其他因素的關(guān)系，而探究性實(shí)驗(yàn)是探索研究對(duì)象的未知屬性、特征及與其他因素的關(guān)系，因而在實(shí)驗(yàn)假設(shè)上，探究性實(shí)驗(yàn)一般采用“如果A，則B”的形式表述，是根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)理論、事實(shí)，對(duì)所要研究的對(duì)象設(shè)想出一種或幾種可能的答案和解釋。對(duì)應(yīng)假設(shè)，探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)預(yù)期應(yīng)分類(lèi)討論，往往有三種可能性（即正相關(guān)、負(fù)相關(guān)和不相關(guān)）。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)與分析上，要分“如果甲組的大鼠食欲下降，體重比乙組輕”、“如果甲組的大鼠食欲旺盛，體重比乙組重”、“如果甲、乙兩組的大鼠食欲和體重差別不大”三種情況進(jìn)行討論，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

答案：第一步：選取身體健康、發(fā)育正常、體重相當(dāng)?shù)拇笫笕舾芍?，隨機(jī)平均分成兩組，并編號(hào)為甲、乙。第二步：甲組每天注射一定劑量的“瘦素”溶液；乙組每天注射等量的生理鹽水。第三步：在相同且適宜的條件下，分別飼養(yǎng)一段時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)與分析：①如果甲組的大鼠食欲下降，體重比乙組輕，說(shuō)明“瘦素”能控制動(dòng)物的食欲及具有減肥作用；②如果甲組的大鼠食欲旺盛，體重比乙組重，說(shuō)明“瘦素”能增強(qiáng)動(dòng)物的食欲及具有增肥作用；③如果甲、乙兩組的大鼠食欲和體重差別不大，說(shuō)明“瘦素”對(duì)動(dòng)物的食欲和體重都無(wú)影響。

例2：某醫(yī)院病理室為了確診一患者的腫瘤是良性還是惡性，切取了一小塊腫瘤組織進(jìn)行培養(yǎng)。某科研單位研制出一種新型藥物X，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：探究新型藥物對(duì)抑制腫瘤細(xì)胞的增殖是否有療效，并預(yù)測(cè)可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出相應(yīng)的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)器材：錐形瓶2個(gè)、顯微鏡、載玻片、蓋玻片、培養(yǎng)箱、培養(yǎng)液、新穎藥物X等。

實(shí)驗(yàn)步驟：

①取兩個(gè)消毒后的潔凈錐形瓶，標(biāo)號(hào)A、B；

②（一）分別在兩個(gè)錐形瓶中加入？搖 ？搖；

（二）在A中加？搖 ？搖，B中？搖 ？搖；

（三）？搖？搖？搖 ？搖；

（四）？搖？搖？搖 ？搖；

③制成裝片在顯微鏡下觀察？搖 ？搖。

可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的結(jié)論：

A：？搖？搖？搖？搖 ？搖；

B：？搖？搖？搖？搖 ？搖；

C：？搖？搖？搖？搖 ？搖。

解析：本題屬于探究性的實(shí)驗(yàn)題。判斷的依據(jù)是題目中已經(jīng)明確交代：探究新型藥物對(duì)抑制腫瘤細(xì)胞的增殖是否有療效。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果是未知的，因此，可以有多種假設(shè)，解答時(shí)要盡量列出各種可能的假設(shè)類(lèi)型。在表述假設(shè)時(shí)，一般采用“如果A，則B”的形式。

答案：②（一）等量的培養(yǎng)液；（二）加入藥物X、不加；（三）將等數(shù)量的腫瘤細(xì)胞置于兩份培養(yǎng)液中；（四）放在培養(yǎng)箱中在相同條件下培養(yǎng)一段時(shí)間。③腫瘤細(xì)胞的數(shù)目?？赡艿慕Y(jié)果與相應(yīng)的結(jié)論：A：如果A和B中的腫瘤細(xì)胞數(shù)目差不多，說(shuō)明新穎藥物對(duì)腫瘤沒(méi)有療效；B：如果A中的腫瘤細(xì)胞數(shù)目比B多，說(shuō)明藥物對(duì)腫瘤沒(méi)有療效，可能有促進(jìn)增殖的作用；C：如果A中的腫瘤細(xì)胞數(shù)目比B少，說(shuō)明藥物對(duì)腫瘤有一定的療效。