依據(jù)對(duì)象和變量 構(gòu)建定性和定量實(shí)驗(yàn)分組模型

浙江

合理的實(shí)驗(yàn)分組是建立正確實(shí)驗(yàn)思路的前提，對(duì)照是實(shí)驗(yàn)控制的手段之一，一個(gè)實(shí)驗(yàn)通常需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組是指接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對(duì)象組；對(duì)照組也稱(chēng)控制組，是不接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對(duì)象組。實(shí)驗(yàn)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)變量分為單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)、單對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)、多對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)和多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)四類(lèi)。定性實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)組數(shù)量（p）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)（a）和實(shí)驗(yàn)變量數(shù)（b）的乘積，定量實(shí)驗(yàn)視具體情況再增加個(gè)別分組，另外，需要考慮是否設(shè)置空白對(duì)照組。

1.單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)

單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)的分組，若是不考慮實(shí)驗(yàn)變量梯度的定性實(shí)驗(yàn)，通常將實(shí)驗(yàn)對(duì)象均勻分成兩組；若是考慮實(shí)驗(yàn)變量梯度的定量實(shí)驗(yàn)，通常將實(shí)驗(yàn)對(duì)象均勻分成三組或多組；其余條件保持相同且適宜，再給予不同的實(shí)驗(yàn)變量處理。此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的分組情況可以用表1 所示模型表示。

表1 單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)分組

【例1】（2019 年4 月，浙江選考卷，第33 題節(jié)選 ）欲驗(yàn)證胰島素的生理作用，根據(jù)以下提供的實(shí)驗(yàn)材料與用具，提出實(shí)驗(yàn)思路，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析。

材料與用具：小鼠若干只，胰島素溶液，葡萄糖溶液，生理鹽水，注射器等。

（要求與說(shuō)明：血糖濃度的具體測(cè)定方法及過(guò)程不作要求，實(shí)驗(yàn)條件適宜）

【解析】分析題干信息可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是小鼠，實(shí)驗(yàn)變量是胰島素溶液處理，屬于單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)。在不考慮實(shí)驗(yàn)變量梯度的前提下，從定性角度考慮，定性實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組數(shù)量（p）=實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)（a=1）×實(shí)驗(yàn)變量數(shù)（b=1）=1組，再考慮空白對(duì)照，可以分成如下兩組：

組A：對(duì)小鼠注射葡萄糖溶液；

組B：對(duì)小鼠注射生理鹽水。

2.多對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)

多對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)是指用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)變量處理兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的類(lèi)型。應(yīng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行分組，即分別對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)變量處理。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)分組可以先采用單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)分組法，即先對(duì)某一實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)變量處理，然后對(duì)其余實(shí)驗(yàn)對(duì)象逐個(gè)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)變量處理；也可以同時(shí)分別處理多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，確保各實(shí)驗(yàn)組同時(shí)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，便于對(duì)比。以3 個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為例，多實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)的分組情況可以用表2 所示模型表示。

表2 多對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)分組

續(xù)表

【例2】（2017 年，北京卷，第31 題節(jié)選）瘧原蟲(chóng)是一種單細(xì)胞動(dòng)物。它能使人患瘧疾，引起周期性高熱、寒戰(zhàn)和出汗退熱等臨床癥狀，嚴(yán)重時(shí)致人死亡。

（5）臨床應(yīng)用青蒿素治療瘧疾取得了巨大成功，但其抗瘧機(jī)制尚未完全明了。我國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

表3 探究青蒿素對(duì)線(xiàn)粒體膜電位的影響

【解析】分析題干信息可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是瘧原蟲(chóng)的線(xiàn)粒體和倉(cāng)鼠細(xì)胞的線(xiàn)粒體，實(shí)驗(yàn)變量是青蒿素處理，屬于多對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行分組，從定性角度考慮，定性實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組數(shù)量（p）=實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)（a=2）×實(shí)驗(yàn)變量數(shù)（b=1）=2 組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象再考慮不加青蒿素的兩組空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，可以分成如下四組：

組A：瘧原蟲(chóng)的線(xiàn)粒體，不加入青蒿素；

組B：倉(cāng)鼠細(xì)胞的線(xiàn)粒體，不加入青蒿素；

組C：瘧原蟲(chóng)的線(xiàn)粒體，加入青蒿素；

組D：倉(cāng)鼠細(xì)胞的線(xiàn)粒體，加入青蒿素。

3.單對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)

單對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)對(duì)象固定，同時(shí)存在兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)變量處理的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)分組可以先采用單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)分組法，對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行逐一對(duì)照處理，然后對(duì)各處理所得結(jié)果進(jìn)行綜合分析。常用方法為組A 不做任何處理作為空白對(duì)照組，組B 針對(duì)實(shí)驗(yàn)變量1 做實(shí)驗(yàn)組處理，組C 針對(duì)實(shí)驗(yàn)變量2 做實(shí)驗(yàn)組處理，組D 針對(duì)實(shí)驗(yàn)變量3 做實(shí)驗(yàn)組處理，以此類(lèi)推。若考慮變量之間的復(fù)合作用，還需要設(shè)置各實(shí)驗(yàn)變量同時(shí)處理或先后處理的組E 等，例如組E 為實(shí)驗(yàn)變量1 和實(shí)驗(yàn)變量2 同時(shí)處理，組E′為先實(shí)驗(yàn)變量1 處理后實(shí)驗(yàn)變量2 處理，其余以此類(lèi)推，故此類(lèi)定性實(shí)驗(yàn)的分組情況為組A、組B、組C、組D 和組E（E′）；同理，相關(guān)類(lèi)型的定量實(shí)驗(yàn)的分組情況做相應(yīng)改變即可。其中A、B 兩組因?qū)嶒?yàn)變量1 形成對(duì)照，A、C 兩組因?qū)嶒?yàn)變量2 形成對(duì)照，A、D 兩組因?qū)嶒?yàn)變量3 形成對(duì)照，A、E（E′）兩組因?qū)嶒?yàn)變量1 和實(shí)驗(yàn)變量2 的復(fù)合作用形成對(duì)照，以此類(lèi)推。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)的分組情況可以用表4 所示模型表示。

表4 單對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)分組

續(xù)表

單對(duì)象多因子的實(shí)驗(yàn)變量之間產(chǎn)生復(fù)合作用時(shí)，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，通常省略組A、組B、組C和組D，只保留組E（E′），即用實(shí)驗(yàn)變量1 和實(shí)驗(yàn)變量2 同時(shí)處理或先后處理同一實(shí)驗(yàn)對(duì)象，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)變量之間的影響。鑒于實(shí)驗(yàn)對(duì)象相同，若實(shí)驗(yàn)變量之間的影響被抵消，可以減少分組數(shù)量甚至不分組。

【例3】（2020 年7 月，浙江卷，第30 題節(jié)選）欲研究生理溶液中K+濃度升高對(duì)蛙坐骨神經(jīng)纖維靜息電位的影響和Na+濃度升高對(duì)其動(dòng)作電位的影響。請(qǐng)完善以下實(shí)驗(yàn)思路，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行分析與討論。（要求與說(shuō)明：已知蛙坐骨神經(jīng)纖維的靜息電位為-70 mV，興奮時(shí)動(dòng)作電位從去極化到反極化達(dá)+30 mV。測(cè)量的是膜內(nèi)外的電位變化。K+、Na+濃度在一定范圍內(nèi)提高。實(shí)驗(yàn)條件適宜）

【解析】分析題干信息可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是蛙坐骨神經(jīng)纖維，實(shí)驗(yàn)變量是K+濃度和Na+濃度，因此屬于單對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行分組，該題不考慮實(shí)驗(yàn)變量之間的復(fù)合作用，從定性角度考慮，定性實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組數(shù)量（p）=實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)（a=1）×實(shí)驗(yàn)變量數(shù)（b=2）=2 組，再考慮每個(gè)實(shí)驗(yàn)變量（K+、Na+濃度）分高、低兩種濃度，外加考慮生理溶液a 的空白對(duì)照，可以分成如下五組：

組A：蛙坐骨神經(jīng)纖維+生理溶液a，測(cè)量靜息電位和受刺激后的動(dòng)作電位；

組B：蛙坐骨神經(jīng)纖維+低濃度K+溶液，測(cè)量靜息電位；

組C：蛙坐骨神經(jīng)纖維+高濃度K+溶液，測(cè)量靜息電位；

組D：蛙坐骨神經(jīng)纖維+低濃度Na+溶液，刺激后，測(cè)量動(dòng)作電位；

組E：蛙坐骨神經(jīng)纖維+高濃度Na+溶液，刺激后，測(cè)量動(dòng)作電位。

4.多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)

多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)中存在兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并同時(shí)存在兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)變量的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。應(yīng)同時(shí)依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行分組，可以將表2 的“依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象分組”和表4 的“依據(jù)實(shí)驗(yàn)變量分組”進(jìn)行整合，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，往往分組較多。例如有三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和三個(gè)實(shí)驗(yàn)變量，若實(shí)驗(yàn)變量處理有梯度變化，實(shí)驗(yàn)變量之間無(wú)復(fù)合作用，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)分組的情況可以用表5 所示模型表示。

表5 多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)分組

續(xù)表

若實(shí)驗(yàn)變量之間有復(fù)合作用，亦可參照表4 的“變量之間復(fù)合作用”處理方法，對(duì)各實(shí)驗(yàn)變量組合逐一處理，但分組數(shù)量將大大增加，此類(lèi)情況在實(shí)際考試中較為罕見(jiàn)。

【例4】（2016 年10 月，浙江選考卷，第33 題節(jié)選）設(shè)水稻細(xì)胞與染色劑甲反應(yīng)呈紅色，小麥細(xì)胞與染色劑乙反應(yīng)呈黃色，大麥細(xì)胞與染色劑丙反應(yīng)呈綠色。現(xiàn)有A、B、C 三瓶不同的細(xì)胞懸液，每瓶中可能含有一種或多種上述細(xì)胞。欲用染色劑甲、乙、丙鑒別這三瓶細(xì)胞懸液中有幾種細(xì)胞，請(qǐng)根據(jù)以下提供的實(shí)驗(yàn)材料，提出實(shí)驗(yàn)思路，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。

材料與用具：染色劑甲、乙、丙溶液各1 瓶，A、B、C 細(xì)胞懸液各1 瓶，試管若干支，顯微鏡。（要求與說(shuō)明：一種染色劑只與一種細(xì)胞產(chǎn)生反應(yīng)，每支試管中只能加一種染色劑；裝片的具體制作過(guò)程不作要求；實(shí)驗(yàn)條件適宜）

請(qǐng)回答：

（1）實(shí)驗(yàn)思路（其中實(shí)驗(yàn)分組用表格形式表示）：

【解析】分析題干信息可知，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是A、B、C 三種細(xì)胞懸液，實(shí)驗(yàn)變量是甲、乙、丙三種染色劑，屬于多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行分組，不涉及實(shí)驗(yàn)變量間的復(fù)合作用，實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)變量需逐一組合，從定性角度考慮，定性實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組數(shù)量（p）=實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)（a=3）×實(shí)驗(yàn)變量數(shù)（b=3）=9 組，由于各實(shí)驗(yàn)組之間相互對(duì)照，不需空白對(duì)照組，因此可以分成九組，具體如表6 所示。

表6 不同染色劑鑒別不同細(xì)胞懸液的實(shí)驗(yàn)分組

綜上所述，定性實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)分組數(shù)量由實(shí)驗(yàn)對(duì)象數(shù)和實(shí)驗(yàn)變量數(shù)的乘積決定。實(shí)際操作中，除需要根據(jù)具體情況考慮定性分組和定量分組外，還要考慮實(shí)驗(yàn)變量之間是否產(chǎn)生復(fù)合作用?？v觀(guān)歷年高考的實(shí)驗(yàn)題，出現(xiàn)頻率較高的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型為單對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)和多對(duì)象單因子實(shí)驗(yàn)，而單對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)和多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)由于分組比較復(fù)雜，在高考中極為少見(jiàn)，但是真正的科學(xué)研究往往需要開(kāi)展多對(duì)象多因子實(shí)驗(yàn)。通過(guò)構(gòu)建上述四類(lèi)實(shí)驗(yàn)分組模型，可將實(shí)驗(yàn)情境化難為易、化繁為簡(jiǎn)，使得實(shí)驗(yàn)思路撥開(kāi)云霧、柳暗花明，實(shí)驗(yàn)問(wèn)題駕輕就熟、迎刃而解。