高中生物實驗分組與數(shù)據(jù)分析中的科學思維

辛小兵

摘要：二輪專題復習中，通過案例分析實驗設(shè)計中的分組和實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理，突破實驗設(shè)計題中學生最大的困惑，培養(yǎng)學生的科學探究和科學思維素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：分組；數(shù)據(jù)處理；科學思維

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2021）18-0083

本文結(jié)合一節(jié)公開課，針對二輪復習中學生在實驗設(shè)計類專題方面存在的問題進行重點突破，通過微專題提升學生實驗設(shè)計分組和分析實驗數(shù)據(jù)、運用實驗數(shù)據(jù)解決生產(chǎn)實踐等新情境中實際問題的能力。

一、實驗設(shè)計常見考查內(nèi)容

實驗探究能力是歷年高考考查的核心，通過實驗設(shè)計考查科學探究和科學思維等學科素養(yǎng)。《普通高中生物學課程標準》學業(yè)質(zhì)量水平描述：針對日常生活和生產(chǎn)中的真實情景，提出有價值的、可探究的問題，設(shè)計并實施方案。運用數(shù)學方法分析實驗結(jié)果，精準闡明實驗結(jié)果和客觀分析與評價在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用和效益風險。依據(jù)新課程標準，高考試題中有關(guān)實驗設(shè)計部分常見的考查內(nèi)容主要有三方面。

1.實驗設(shè)計思路與步驟、變量、結(jié)果和結(jié)論分析

2.實驗設(shè)計與高中教材知識相結(jié)合

3.實驗設(shè)計與生活、生產(chǎn)實踐和新情景相聯(lián)系，評估其應(yīng)用

二、二輪復習中實驗設(shè)計的主要難點

經(jīng)過一輪復習和訓練，學生對實驗設(shè)計思路、自變量和因變量的分析、無關(guān)變量的控制、實驗步驟、實驗結(jié)果和結(jié)論的規(guī)范表達已經(jīng)掌握較好。在二輪復習測試中，2021鄭州二模一道有關(guān)實驗設(shè)計題目，看似比較簡單，但是學生作答情況出乎意料，錯誤率非常高。

試題：【2021鄭州二?！垦芯勘砻鳎旱脱鯌?yīng)激時，小鼠內(nèi)臟神經(jīng)對脾臟淋巴細胞的正常增殖有抑制作用，請以正常小鼠為材料，設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論。要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。（提示：藥物A可以抑制內(nèi)臟傳出神經(jīng)）

學生常見作答：實驗思路：1.取一定量正常小鼠隨機平均分成兩組：甲組正常條件飼養(yǎng)；乙組飼喂藥物A的同時在低氧條件飼養(yǎng)2.一段時間后分別取兩個小組小鼠的脾臟，測定每組小鼠淋巴細胞的平均數(shù)目。預(yù)期結(jié)果：乙組淋巴細胞的平均數(shù)目大于甲組。

學生的實驗設(shè)計思路書寫非常規(guī)范，但錯誤率很高。閱卷后仔細分析作答情況，通過與學生面批座談，了解學生錯答原因主要是：審題不清，沒有了解實驗的目的是什么。在測試過程中，學生依照慣性思維，簡單地理解為驗證小鼠內(nèi)臟神經(jīng)對脾臟淋巴細胞的正常增殖有抑制作用，所以很多學生只是簡單分為兩組。由于分組錯誤，后續(xù)的結(jié)果分析等就會全部出錯，整道題目失分。針對學生出現(xiàn)的情況，筆者在二輪復習中專門開設(shè)實驗設(shè)計的微專題——《實驗設(shè)計的分組與數(shù)據(jù)處理》，提升學生這方面的能力。

三、實驗設(shè)計的分組

1.明確實驗?zāi)康?，遵循分組原則

將2021鄭州二模這道題目與2019年全國卷一道試題對比分析

【2019全國I卷】29.有研究表明：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的，請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論，要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。

引導學生分析題目的意圖，分為兩個層次：1.低氧應(yīng)激；2.內(nèi)臟神經(jīng)對脾臟淋巴細胞的正常增殖有抑制作用。學生提出設(shè)計方案1：

學生提出的方案1的思路是正確，但是是否存在問題呢？引導學生分析實驗遵循的原則進行分析。實驗分組主要遵循的原則：對照原則、隨機原則、重復原則（實驗要有足夠的例數(shù)或次數(shù)）、單盲或雙盲原則（動物實驗）、科學的原則。依據(jù)上述原則，學生發(fā)現(xiàn)上述方案1中，如果先測量低氧條件下的細胞數(shù)目，通常會對小鼠造成傷害，如果繼續(xù)在原有的基礎(chǔ)下加藥物A，不符合科學性的原則。有的學生提出，可以將低氧飼養(yǎng)的小鼠分為兩組，一組測量低氧下的細胞數(shù)目，另外一組不測量，繼續(xù)加藥物A，再測量細胞的數(shù)目。學生在原有方案1的基礎(chǔ)上進行改進，同時與2021年八省聯(lián)考中河北省適應(yīng)性考試的21題進行類比分析，學生提出方案2：

通過上述對比分析，學生明晰審清題意，弄清實驗的目的，控制好變量，真正提升科學探究和科學思維素養(yǎng)。

2.常見實驗設(shè)計分組類型

實驗設(shè)計常見的分組主要有兩種類型：

（1）定性實驗的分組

前后對照：一組（例如質(zhì)壁分離及復原、動物激素有關(guān)實驗）

空白對照：對照組+實驗組（例如驗證酶的高效性）

（2）定量實驗的分組

對照組+不同量的實驗組（例如探究生長素促進植物生根的最適濃度）

實驗組相互對照（例如不同溫度對酶活性的影響）

結(jié)合具體實例，與上述分組方法進行對比分析，讓學生體會實驗設(shè)計分組中的科學思維，提高學生科學探究的能力。

例如：下圖把生長狀況基本一致、等長的某種植物胚芽鞘分成________組，置于相同的培養(yǎng)液中；

此道題目，學生易按濃度梯度分為7組。教師可帶領(lǐng)學生結(jié)合坐標圖中隱含的對照組。教師還可將這種類型的題目進行變式訓練，與已進行預(yù)實驗的正式實驗的分組進行比較，讓學生體會實驗分組的科學思維。

四、實驗數(shù)據(jù)的分析

實驗的考查另一個難點是運用數(shù)學方法分析實驗結(jié)果，運用科學思維分析生產(chǎn)、生活中與生物學相關(guān)的新問題情境，并客觀分析與評價生物技術(shù)產(chǎn)品在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用所產(chǎn)生的效益和風險。

常用表格或坐標圖記錄實驗結(jié)果，坐標曲線和圖表數(shù)據(jù)的分析常進行專題復習，學生已學會分析坐標圖和表：坐標圖中橫縱坐標、單位、特殊點、曲線走向和變化趨勢的分析；表格中表頭標題的含義、表中特殊值、表格中橫縱向的比較。難點在于獲取信息后怎樣處理和在新情境中運用信息。

1.實驗數(shù)據(jù)和教材知識相聯(lián)系

例如：（2021廣雅?？迹┰趯嶒炘O(shè)置的濃度范圍內(nèi)，當Cd2+濃度高于10×10-6mol/L時，石莼凈光合速率的變化趨勢是_______，判斷依據(jù)是________。

這類設(shè)問考查角度非常好，既考查課本知識又考查學生識圖獲取信息、處理信息的能力，還考查了學生圖文的轉(zhuǎn)換，試題區(qū)分度高。要求學生要理解凈光合速率與總光合速率和呼吸速率的關(guān)系。大多數(shù)題目考查曲線之間的關(guān)系，往往是正、負相關(guān)性。本題中兩條曲線都下降，但是兩者下降的幅度不同。學生只有具備一定數(shù)據(jù)分析能力和科學思維，才能做出準確判斷并合理運用。通過上述實例的分析，在二輪復習中，深挖教材實驗和教材中與實驗設(shè)計相聯(lián)系的內(nèi)容進行歸納，并選取經(jīng)典習題進行訓練。

2.實驗數(shù)據(jù)在新情境中運用

實驗設(shè)計題常選取日常生活、生產(chǎn)實踐、科技發(fā)展中的實際問題作為素材，考查新情境下運用知識、解決實際問題的學科素養(yǎng)。

例1.（2012廣東）（1）pH對不同蛋白酶的活力影響有差異。據(jù)右圖可知，____________更適宜作為食品添加劑，理由是___________________________。

這道試題學生答題時通常只描述一個理由：酶的活性高，而沒有結(jié)合實踐考慮其維持最高酶活性所適應(yīng)的范圍廣，易在生產(chǎn)實踐中推廣運用。

例2.（2011廣東）探究pH對葉綠素穩(wěn)定性的影響。取一些葉綠素粗產(chǎn)品，配成一定濃度的溶液，于室溫（約25℃）下進行實驗，方法和結(jié)果如下表。

注：葉綠素被破壞后變成黃褐色。

根據(jù)所學知識和實驗結(jié)果，請回答：

多數(shù)考生只回答了根據(jù)pH梯度，可推測Y值為8.0，解決此類問題學生可遷移教材中研究溫度、pH值對酶活性的影響，至少設(shè)三組，并且將其與具體情境相結(jié)合分析，評價其應(yīng)用效益等。

分析實驗數(shù)據(jù)解決新情境下的問題，需要學生多思考，具備良好的獲取信息、處理、概括和綜合運用的能力，充分考查了學生的科學思維。在平時教學中，教師注意讓學生理解生物學的核心知識，同時創(chuàng)設(shè)情境，多將生物學知識與具體應(yīng)用結(jié)合分析。針對學習中出現(xiàn)的疑問，多用科學思維進行分析、研討和探究。

參考文獻：

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[2]教育部.普通高中生物課程標準[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]尹秀菊.重新整合教材素材，拓展實驗設(shè)計課題[J].中學生物學，2013（4）：29-30.

（作者單位：廣東省佛山市順德區(qū)李兆基中學528300）