以變量分析為核心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)解題建模和指導(dǎo)

王志國(guó)

摘 要：生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題作為一種經(jīng)典的高考題型，學(xué)生答題結(jié)果依然不盡人意。主要原因是學(xué)生沒(méi)有形成一套連貫完整的變量分析方法。如何幫助學(xué)生培養(yǎng)和提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析和解決能力，本文以高考生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題為例，介紹筆者在教學(xué)實(shí)踐中建立的基于“變量分析”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)解題建模和應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：變量分析;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);.教學(xué)模型;解題指導(dǎo)

1.建立以“變量分析”為核心的解題模型

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題是生物高考必考題型，在浙江生物高考卷中的出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題更是體現(xiàn)浙江高考命題的特色，在2015的新選考卷中仍延續(xù)于今。但學(xué)生對(duì)這類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的答題情況總是丟三落四，總認(rèn)為都是不小心導(dǎo)致錯(cuò)誤。從本質(zhì)看，是學(xué)生沒(méi)有形成一套針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的科學(xué)分析方法。在復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維和方法，如何培養(yǎng)學(xué)生從題干信息中獲取有效信息，形成一套完整的有效解決問(wèn)題的分析方法，讓學(xué)生真正學(xué)會(huì)思考，學(xué)會(huì)解決問(wèn)題，是教學(xué)的核心目標(biāo)。生物實(shí)驗(yàn)的各種結(jié)果都是由于實(shí)驗(yàn)中的變量引起，而實(shí)驗(yàn)操作時(shí)又必須保證控制好無(wú)關(guān)（額外）變量來(lái)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于變量分析法是解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)方法?？v觀各省歷年高考中出現(xiàn)的生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，都有一套較為固定的命題模式。整個(gè)試題都由題干描述、實(shí)驗(yàn)材料和用具、答題要求三部分組成，而在題干文字描述部分，都會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡拿枋?，?shí)驗(yàn)?zāi)康闹卸贾该髁吮緦?shí)驗(yàn)要控制的實(shí)驗(yàn)自變量和因變量，實(shí)驗(yàn)分析和解決能力的培養(yǎng)完全可以從實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_變量分析。若學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要施加和控制自變量和無(wú)關(guān)變量清楚了，要檢測(cè)的因變量清析了，就把握了整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)核心思維了。授以學(xué)生以魚，不如授學(xué)生以漁，筆者在多年高三復(fù)習(xí)教學(xué)中，針對(duì)歷年高考卷中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，建構(gòu)了始于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡淖兞糠治瞿Ｐ?，用于指?dǎo)學(xué)生解題，效果很好，所建模型如下圖所示。

以浙江高考為例，例析以上解題模型在指導(dǎo)學(xué)生解題過(guò)程的應(yīng)用;

試題：（浙江高考）請(qǐng)根據(jù)以下提供的實(shí)驗(yàn)材料，完善生物制劑W對(duì)動(dòng)物不同細(xì)胞的分裂具有促進(jìn)作用的實(shí)驗(yàn)思路，并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)材料：培養(yǎng)液、正常體細(xì)胞、癌細(xì)胞、W、胰蛋白酶、顯微鏡、血球計(jì)數(shù)板、蓋玻片。

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

（1）實(shí)驗(yàn)思路：

①取培養(yǎng)瓶若干個(gè)，分組如下：。

每組設(shè)置若干個(gè)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(shí)間后，各取其中的幾個(gè)樣品，加入胰蛋白酶，搖勻，取1滴樣液到_______的方格區(qū)，蓋上蓋玻片，在________下分別計(jì)數(shù)并記錄細(xì)胞數(shù)。

③重復(fù)②若干次。

④。

（2）預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（用坐標(biāo)系和細(xì)胞數(shù)變化曲線示意圖表示）：

2.應(yīng)用模型指導(dǎo)學(xué)生解題教學(xué)實(shí)踐

2.1尋找實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_實(shí)驗(yàn)性質(zhì)

任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試題的題干文字表述部分中總能找到本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生在閱讀本題時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)本題中的實(shí)驗(yàn)?zāi)康募础巴晟粕镏苿￤對(duì)動(dòng)物不同細(xì)胞的分裂具有促進(jìn)作用的實(shí)驗(yàn)思路”。從實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋硎鰜?lái)看，本實(shí)驗(yàn)就是驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論是可知的，也是明確的，就是促進(jìn)分裂作用，因此若要把實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫成坐標(biāo)圖形，其圖形也是唯一的，也就是加了生物制劑W的實(shí)驗(yàn)組相比對(duì)照組都會(huì)促進(jìn)。但若實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)是探究性質(zhì)，那么生物制劑W的作用就不唯一了，可能促進(jìn)分裂，可能抑制分裂，也可能無(wú)作用;所以把握實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)都有重要的幫助;

2.2確定實(shí)驗(yàn)自變量和分清實(shí)驗(yàn)組數(shù)

自變量的確定較為容易，從實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹芯涂梢郧逦拇_定本實(shí)驗(yàn)的自變量是生物制劑W和不同細(xì)胞兩個(gè)自變量。但實(shí)驗(yàn)組數(shù)的確定往往是學(xué)生最困難最易錯(cuò)之處，實(shí)驗(yàn)組數(shù)的精準(zhǔn)確定至關(guān)重要，組數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致人力物力的浪費(fèi)，組數(shù)過(guò)少會(huì)引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏可信度而導(dǎo)致結(jié)果的不科學(xué)性;當(dāng)然按評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，組數(shù)多了或少了都是不得分的。如何確定實(shí)驗(yàn)的組數(shù)呢？從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是從自變量本身考慮，一個(gè)是從提供的材料數(shù)量考慮;顯然本題的實(shí)驗(yàn)對(duì)象沒(méi)有任何的限制，因此本題可分多組。本題從自變量角度分析，為體現(xiàn)對(duì)照原則，每個(gè)自變量都有實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之分，即同種細(xì)胞加入生物制劑W和不加生物制劑W，因此兩個(gè)自變量可確定分為四組，即只加體細(xì)胞、加體細(xì)胞和W、只加癌細(xì)胞、加癌細(xì)胞和W四組（本題答案）;實(shí)驗(yàn)組數(shù)確定了，實(shí)驗(yàn)步驟的書寫就可基本確定。為體現(xiàn)單因子變量原則，所加的一切物質(zhì)都要體現(xiàn)等量;

2.3推敲實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)指標(biāo)和處理

每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有觀測(cè)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)指標(biāo)是記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要途徑。如何確定實(shí)驗(yàn)觀測(cè)指標(biāo)呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，可提示學(xué)生認(rèn)真閱讀題目提供的“實(shí)驗(yàn)材料”這段文字的描述。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供的材料和用具中，除了必備的試劑、藥品和實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到的儀器，如試管、燒杯、量筒等實(shí)驗(yàn)器皿外，一般都會(huì)提供本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的設(shè)備，如顯微鏡或測(cè)量?jī)x等設(shè)備。就可指導(dǎo)學(xué)生思考，提供的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)指標(biāo)之間的聯(lián)系，不難就可以推敲出實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)指標(biāo)。如本題中的“實(shí)驗(yàn)材料”文字中有“顯微鏡、血球計(jì)數(shù)板”，顯然實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就是在顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)細(xì)胞的數(shù)量。

但實(shí)驗(yàn)觀測(cè)指標(biāo)的測(cè)量次數(shù)的確定，也是學(xué)生犯錯(cuò)率很高地方。有的實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的測(cè)量，施加自變量后再次進(jìn)行測(cè)量，否則最后的測(cè)量數(shù)據(jù)是沒(méi)有可信度的。本題中關(guān)于細(xì)胞數(shù)量的計(jì)數(shù)，開始加入的是等量的細(xì)胞，因此沒(méi)必要實(shí)驗(yàn)前測(cè)，只需培養(yǎng)一段時(shí)間后再測(cè)就可。解決這類問(wèn)題的有效方法就是收集針對(duì)本類的近年各省的高考試題，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)情境確定觀測(cè)次數(shù)訓(xùn)練，可顯著提高學(xué)生對(duì)此類問(wèn)題的敏感度。

此外，若一個(gè)組內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象有多個(gè)，還需對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。如果試題要求測(cè)量隨時(shí)間變化情況，還需對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行間隔時(shí)間多次測(cè)量獲得過(guò)程變化數(shù)據(jù)。獲得實(shí)驗(yàn)全部數(shù)據(jù)后，都需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)分析比較得出結(jié)論;

3.依托變量分析的實(shí)驗(yàn)步驟語(yǔ)言表述

根據(jù)以上的分析，相信學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心和細(xì)節(jié)問(wèn)題都會(huì)比較清楚，對(duì)學(xué)生書寫實(shí)驗(yàn)步驟的書面表達(dá)能起到指向性較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)步驟的安排順序其實(shí)就是實(shí)驗(yàn)變量分析的過(guò)程，有一般的規(guī)律性可循。現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)步驟的書面表達(dá)過(guò)程模式總結(jié)如下：

第一步：取材、分組、編號(hào)、實(shí)驗(yàn)前觀測(cè);（取材時(shí)注意平行對(duì)照原則，實(shí)驗(yàn)的組數(shù)依據(jù)材料和變量而定，編號(hào)最好不要用阿拉伯?dāng)?shù)字以免和步驟號(hào)碼混淆，看清是否需要實(shí)驗(yàn)前觀測(cè)記錄現(xiàn)象）

第二步：施加控制實(shí)驗(yàn)變量;（根據(jù)分組情況對(duì)不同的組別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)變量的施加和控制，并注意等量原則）

第三步：培養(yǎng)、觀測(cè)、記錄;（寫清楚應(yīng)在相同且適宜的培養(yǎng)條件和實(shí)驗(yàn)的具體觀測(cè)指標(biāo)）

教學(xué)過(guò)程可提供幾個(gè)具有代表性的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行學(xué)生自主書寫實(shí)驗(yàn)步驟的書面表達(dá)訓(xùn)練，對(duì)學(xué)生的書寫情況，利用高拍儀即時(shí)評(píng)價(jià)提出不規(guī)范之處，并進(jìn)行逐步分析評(píng)價(jià)要點(diǎn)是否到位。

4.本模式教學(xué)中存在的問(wèn)題及反思

在使用本模式組織教學(xué)時(shí)，學(xué)生的分析過(guò)程仍有些零亂，因?yàn)榧磿r(shí)改變學(xué)生的思維習(xí)慣有些難度。在教學(xué)過(guò)程中，可設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)，邀請(qǐng)學(xué)生同伴互助合作，針對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析互相點(diǎn)評(píng)，效果更加顯著。在學(xué)生訓(xùn)練中幫助學(xué)生自主總結(jié)簡(jiǎn)化的思維要點(diǎn)，思維要點(diǎn)總結(jié)如下，一找自變量，知道自變量控制方法;二定實(shí)驗(yàn)的組數(shù);三找因變量，推測(cè)因變量的觀測(cè)方法，要不要實(shí)驗(yàn)前測(cè)量;四明了探究還是驗(yàn)證，知道結(jié)果預(yù)測(cè)有幾種。按以上四要點(diǎn)來(lái)整體把握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和細(xì)節(jié)，教學(xué)實(shí)踐證明更能有效指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。5C8F148E-E448-4D93-B607-8796433F5E33