單因子變量在解決生物學(xué)探究類實(shí)驗(yàn)題中的應(yīng)用

孟春燕

(上海市同濟(jì)大學(xué)第二附屬中學(xué) 上海 200060)

在高中生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生對于探究類實(shí)驗(yàn)的分析和理解一直比較難以把握，實(shí)驗(yàn)原則都很清楚，可是碰到具體題目特別是結(jié)合圖、表、曲線之類的題目就會答非所問或回答不準(zhǔn)確或缺乏科學(xué)性。上海高考改革兩年以來，考核知識點(diǎn)的難度有所降低，但題型卻愈加靈活，也更加注重學(xué)生運(yùn)用所學(xué)生物學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。對探究類實(shí)驗(yàn)的理解和掌握就可以很好地體現(xiàn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)里的科學(xué)思維素養(yǎng)和科學(xué)探究素養(yǎng)水平。探究實(shí)驗(yàn)的題目在近兩年各區(qū)一模、二?？荚囍芯谐霈F(xiàn)，而且題型多樣，但都需要學(xué)生從題目提供的背景資料或圖標(biāo)數(shù)據(jù)中獲取信息，分析現(xiàn)象或回答問題。

應(yīng)對探究類實(shí)驗(yàn)的題目，關(guān)鍵是對實(shí)驗(yàn)原則的靈活運(yùn)用。而這些實(shí)驗(yàn)原則中，又以單因子變量原則最為基礎(chǔ)和核心。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，首先要確定單因子變量。單因子變量就是實(shí)驗(yàn)變量(自變量)，是一種假定為原因的變量，是由實(shí)驗(yàn)者主動操縱的給定的因素或條件，通過它的變化來引起其他變量發(fā)生變化[1]。由實(shí)驗(yàn)變量引起的變化和結(jié)果通常稱為反應(yīng)變量(因變量)，是能夠具體測量的指標(biāo)或能直觀觀察到的現(xiàn)象，也是在題目中經(jīng)常要分析和解釋的部分。在確定了單因子變量后，可以加以靈活運(yùn)用，以提高解題的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。如何利用單因子變量抓住解題的關(guān)鍵所在，筆者通過這兩年上海各區(qū)一模卷和二模卷中出現(xiàn)的幾道具體實(shí)例來進(jìn)一步理解和分析。

1 確定題目中的多重單因子變量

這兩年出現(xiàn)的探究類實(shí)驗(yàn)相關(guān)的題目已經(jīng)愈加靈活和接近實(shí)際生活，重點(diǎn)考查學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，題目常以曲線圖示或表格形式呈現(xiàn)，且經(jīng)常出現(xiàn)不只一個(gè)單因子變量，題目均要求對結(jié)論進(jìn)行預(yù)估和評判，寫出合理和不足之處。這類題目重點(diǎn)考查學(xué)生靈活運(yùn)用解決問題的能力，具有一定的難度。

例1 (上海2018年閔行區(qū)一模卷第43題)研究人員以東北地區(qū)玉米為研究對象，以390 μmol/mol的大氣CO2濃度和自然降水條件為對照組(即C390+W0組)，分別研究CO2濃度升高至550 μmol/mol(即C550+W0組)和降水增加15%(即C390+W15組)對玉米凈光合速率(即光合作用合成有機(jī)物的速率減去呼吸作用消耗有機(jī)物的速率)的影響，結(jié)果如圖。有資料顯示，未來東北地區(qū)將受到大氣CO2濃度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%的共同影響，某同學(xué)根據(jù)圖中數(shù)據(jù)判斷這兩種因素的共同作用將在更大程度上促進(jìn)玉米的產(chǎn)量提高。寫出該判斷的合理和不足，并修正不足之處。

參考答案： 據(jù)圖顯示這兩種因素單獨(dú)作用都在一定的光照強(qiáng)度下能提高凈光合速率。所以，它們單獨(dú)作用都能促進(jìn)玉米有機(jī)物的積累(1分)，從而促進(jìn)產(chǎn)量的提高。據(jù)此可以預(yù)估兩個(gè)因素共同作用可以更好地提高玉米產(chǎn)量(1分)。但是作為判斷得出的結(jié)論，還缺乏數(shù)據(jù)支持(1分)，應(yīng)增設(shè)“C550+W15”(即CO2濃度為550 μmol/mol和降水增加15%)的組(1分)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再對結(jié)果作分析和判斷。

解析： 首先從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)分為三組，單因子變量是大氣CO2濃度和降水量。如果學(xué)生會確定單因子變量，則根據(jù)C550+W0組和C390+W0組的對照及C390+W15組和C390+W0組對照看出“大氣CO2濃度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%”單獨(dú)作用都能促進(jìn)玉米有機(jī)物的積累，據(jù)此可以預(yù)估兩個(gè)因素共同作用有可能更好提高產(chǎn)量。這就是題目中結(jié)論判斷的合理之處。但是實(shí)驗(yàn)總共只有三組，缺少兩個(gè)因素共同作用的實(shí)驗(yàn)組，如果學(xué)生能看出這一點(diǎn)就可以分析出結(jié)論判斷的不足之處并順利提出修改建議： 應(yīng)增設(shè)C550+W15組(即CO2濃度為550 μmol/mol和降水增加15%)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表達(dá)科學(xué)、完整、邏輯性強(qiáng)這道4分題的回答才算完美。

例2 (上海2018年浦東新區(qū)二模卷第44題)番茄營養(yǎng)豐富，栽培廣泛。為提高溫室番茄產(chǎn)量，研究補(bǔ)光時(shí)長和補(bǔ)光光質(zhì)對番茄凈光合速率Pn(即光合作用合成有機(jī)物的速率減去呼吸作用消耗有機(jī)物的速率)的影響，結(jié)果如圖。為提高溫室番茄產(chǎn)量，某研究者據(jù)圖分析，認(rèn)為“每日補(bǔ)照4 h紅藍(lán)復(fù)合光”為最佳補(bǔ)光方案，寫出該方案的合理與局限之處。

參考答案： ①合理： 由圖中數(shù)據(jù)可知，每日補(bǔ)照4 h紅藍(lán)復(fù)合光的凈光合速率最大，番茄積累的有機(jī)物最多。②局限： 本實(shí)驗(yàn)沒有補(bǔ)光時(shí)間大于4 h的數(shù)據(jù)，因此無法獲知每日補(bǔ)光4 h是否最佳，其次無法獲知紅藍(lán)復(fù)合光中紅光和藍(lán)光的不同比例是否也會影響凈光合速率。

解析： 這道題的單因子變量(即實(shí)驗(yàn)變量)有兩個(gè)： 時(shí)間和光質(zhì)。根據(jù)單一變量原則，在相同時(shí)間里紅藍(lán)復(fù)合光的凈光合速率最大，相同光質(zhì)比較則4 h光照下光合速率大，可以確定4 h和紅藍(lán)復(fù)合光兩個(gè)因素影響下番茄積累的有機(jī)物最多，這也就是該方案的合理之處。但該方案前出現(xiàn)了“最佳”這個(gè)詞，本實(shí)驗(yàn)沒有補(bǔ)光時(shí)間大于4 h小時(shí)的數(shù)據(jù)，如果學(xué)生沒有關(guān)注或思考圖下那句注解，也不會想到紅藍(lán)復(fù)合光中紅光和藍(lán)光其他比例是否會提高凈光合速率，所以由于圖中獲取的實(shí)驗(yàn)變量信息過少，不能確定4 h和紅藍(lán)復(fù)合光的組合就一定是最佳方案。

上面兩道題雖然已不是傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，但單因子變量在解題中的應(yīng)用還是比較明顯的，學(xué)生通過對單因子變量的確定和思考，可以初步掌握解題的思路。

2 挖掘題目中隱含的單因子變量

近兩年上海模擬考或等級考中的有些題目看似和單因子變量沒什么關(guān)系，但是如果沒有很好地確定單因子變量，則答題的方向和結(jié)論都會出現(xiàn)偏差。

例3 (上海2018年楊浦區(qū)二?？嫉?2題)植物的節(jié)律時(shí)鐘控制很多生理過程，如向性生長和光合作用等。為了探究節(jié)律時(shí)鐘對光合作用的影響，科學(xué)家構(gòu)建了TOC和ZTL兩種擬南芥突變株(兩者的節(jié)律時(shí)鐘周期分別為20和28小時(shí)，晝夜時(shí)長為1∶1)，并測定兩者在不同條件下(T20和T28)光合作用相關(guān)指標(biāo)。其中T20和T28表示室內(nèi)控制光照/黑暗循環(huán)周期分別為20和28小時(shí)(光照與黑暗時(shí)長為1∶1)。測定結(jié)果如圖所示。根據(jù)圖分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

參考答案： 當(dāng)擬南芥體內(nèi)的節(jié)律時(shí)鐘和外界的光照/黑暗循環(huán)周期相吻合時(shí)，植物體內(nèi)葉綠素的含量較高，這有利于光合作用的進(jìn)行，進(jìn)而增加植物的干重。

解析： 題目中有一題要求學(xué)生據(jù)圖分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論，沒有任何提示。學(xué)生在答題前首先應(yīng)該分析圖中顯示了哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系是什么。從圖中可以看出突變株有兩種： 節(jié)律時(shí)鐘周期分別為20 h和28 h的TOC突變株和ZTL突變株；環(huán)境控制光照/黑暗循環(huán)周期也有兩組，分別為20 h和28 h。這些彼此對照的變量就是實(shí)驗(yàn)中的自變量。圖中兩側(cè)縱坐標(biāo)顯示的葉綠素含量和植株干重就是隨著自變量改變產(chǎn)生不同結(jié)果的因變量。清楚了圖中各因素的因果關(guān)系才可以根據(jù)自變量的改變描述表達(dá)因變量的變化，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。而從前面的分析中可以看出實(shí)驗(yàn)的變量有兩個(gè)，圖中怎么分組成了答題關(guān)鍵。有不少學(xué)生將上下兩組分別進(jìn)行比較，這樣實(shí)驗(yàn)中就有兩個(gè)變量： 突變株種類和環(huán)境循環(huán)周期，那自然得不出正確的結(jié)論。如果掌握了單一變量原則就發(fā)現(xiàn)應(yīng)該將左右兩組進(jìn)行比較，即在同一環(huán)境循環(huán)周期里看兩種突變株光合作用的情況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)當(dāng)植物的節(jié)律時(shí)鐘和環(huán)境光照/黑暗循環(huán)周期一致時(shí)，植物的葉綠素含量會比較高，有利于光合作用的進(jìn)行，也就解釋了為什么一致時(shí)植物的干重含量也比較高。答案自然就出來了。

3 小結(jié)

不管在實(shí)際探究類實(shí)驗(yàn)過程中還是解決與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論問題中，理解并掌握實(shí)驗(yàn)原則是關(guān)鍵。探究類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能靈活運(yùn)用已學(xué)過的自然科學(xué)理論，設(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)方案，理解探究實(shí)驗(yàn)的一般方法，并能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估和評判，其目的是培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解分析、歸納總結(jié)能力和解決實(shí)際問題的能力，對學(xué)生核心素養(yǎng)水平的提高有很大的促進(jìn)作用。教師應(yīng)該發(fā)揮好引導(dǎo)作用，幫助學(xué)生合理運(yùn)用，如果有條件，可以帶著學(xué)生做一些探究性的實(shí)驗(yàn)課題，在實(shí)踐中更容易加深理解。