例析實(shí)驗(yàn)中的“對(duì)照組”

陜西 蔣立鋒 江蘇 陸曉梅

(作者單位：陜西省柞水中學(xué)；江蘇省靖江市第一高級(jí)中學(xué))

實(shí)驗(yàn)分組與設(shè)計(jì)是高考中常見的一類試題，具有鮮明的生物學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，很好地考查了學(xué)生的必備知識(shí)和學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者節(jié)選部分高考試題，分析并總結(jié)實(shí)驗(yàn)分組與設(shè)計(jì)在高考試題中的考查方式。

1.原題再現(xiàn)

【例1】(2019年，全國(guó)卷Ⅰ，第29題節(jié)選)將生長(zhǎng)在水分正常土壤中的某植物通過(guò)減少澆水進(jìn)行干早處理，該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大,葉片中的脫落酸(ABA)含量增高,葉片氣孔開度減小?；卮鹣铝袉栴}。

(3)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(qǐng)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(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論。要求簡(jiǎn)要寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

【答案】(3)取ABA缺失突變體植株在正常條件下測(cè)定氣孔開度，經(jīng)干旱處理后，再測(cè)定氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變；將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進(jìn)行ABA處理，另一組作為對(duì)照組，一段時(shí)間后，分別測(cè)定兩組的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是ABA處理組氣孔開度減小，對(duì)照組氣孔開度不變。

【實(shí)驗(yàn)分析】本實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的結(jié)論實(shí)際上為兩個(gè):一是“干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的”;二是“干旱條件下氣孔開度減小是由ABA引起的”。

【答案分析】官方所給的參考答案中,對(duì)第一個(gè)結(jié)論的驗(yàn)證選擇了同一組ABA缺失突變體植株在干旱處理前后進(jìn)行自身對(duì)照。對(duì)第二個(gè)結(jié)論則選擇了兩組ABA缺失突變體植株設(shè)置干旱與否的對(duì)照實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。除此之外，還可以設(shè)計(jì)以下兩種方案。

【方案1】設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)形成相互對(duì)照進(jìn)行驗(yàn)證。先測(cè)定ABA缺失突變體植株的氣孔開度,取氣孔開度相同的ABA缺失突變體植株均等分為A、B、C三組,A組在正常水分條件下培養(yǎng),B、C兩組在干旱條件下培養(yǎng),其中B組進(jìn)行ABA處理,C組不做處理。一段時(shí)間后，分別測(cè)定3組植株的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是B組植株氣孔開度小于A組和C組且A、C兩組植株的氣孔開度相同。

【方案2】設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)形成自身前后對(duì)照進(jìn)行驗(yàn)證。取ABA突變體植株先在正常水分條件下培養(yǎng)，測(cè)定氣孔開度，經(jīng)干旱處理后再測(cè)定氣孔開度,在干旱條件下進(jìn)行ABA處理，一段時(shí)間后測(cè)定氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變，干旱條件下ABA處理后氣孔開度減小。

以上三種實(shí)驗(yàn)方案均能實(shí)現(xiàn)題目要求，其本質(zhì)區(qū)別在于對(duì)照組的設(shè)置方式是采取空間上分開還是時(shí)間上分開，而清晰合理的分析思路離不開對(duì)照實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)置方法。相信從教多年的教師會(huì)有這樣的體會(huì),“相差多年的高考題中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)神似題型”，這是模型考查的常見現(xiàn)象,如2013年大綱卷第32題的實(shí)驗(yàn)考查思路和方式與2019年全國(guó)卷Ⅰ如出一轍。

2.對(duì)照實(shí)驗(yàn)

對(duì)照是實(shí)驗(yàn)必不可少的內(nèi)容，是為了闡明某個(gè)因素對(duì)某個(gè)特定對(duì)象的影響的必需環(huán)節(jié)。通常一個(gè)實(shí)驗(yàn)可分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組是接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對(duì)象組；對(duì)照組也稱控制組，對(duì)實(shí)驗(yàn)假設(shè)而言，是不接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對(duì)象組。從理論上說(shuō)，由于實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的無(wú)關(guān)變量影響是相等的、平衡的，故實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組兩者的差異可認(rèn)定為是來(lái)自實(shí)驗(yàn)變量的效果，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的。

3.對(duì)照方式

3.1空白對(duì)照

空白對(duì)照指不做任何實(shí)驗(yàn)處理的組別，如還原糖鑒定時(shí)，不加斐林試劑的一組；驗(yàn)證X對(duì)某植物的呼吸速率的影響實(shí)驗(yàn)中，不用X處理的一組等?？瞻讓?duì)照組看似毫無(wú)意義，但能明確地對(duì)比和襯托出實(shí)驗(yàn)的變化與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力。

3.2自身對(duì)照

自身對(duì)照指實(shí)驗(yàn)與對(duì)照在同一對(duì)象上進(jìn)行，即不另設(shè)對(duì)照組。單組法和輪組法一般都包含自身對(duì)照，如“植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原”實(shí)驗(yàn)，就是典型的自身對(duì)照實(shí)驗(yàn)。自身對(duì)照方法簡(jiǎn)便，其關(guān)鍵是要看清楚實(shí)驗(yàn)處理前后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化差異，實(shí)驗(yàn)處理前的對(duì)象變化為對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)處理后的對(duì)象變化則為實(shí)驗(yàn)組。

3.3條件對(duì)照

條件對(duì)照指雖給對(duì)象施以某種實(shí)驗(yàn)處理，但這種處理是具有對(duì)照意義的，或者說(shuō)這種處理不是實(shí)驗(yàn)假設(shè)所給定的實(shí)驗(yàn)變量意義的。如“艾弗里肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”中，用“S型細(xì)菌DNA+DNA酶”完成轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的這一組就屬于條件對(duì)照，通過(guò)比較、對(duì)照，更能充分說(shuō)明“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。

3.4相互對(duì)照

這類實(shí)驗(yàn)也叫對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中不另設(shè)對(duì)照組，結(jié)論全部由幾個(gè)事先未知的實(shí)驗(yàn)組相互對(duì)比得出。如“探究氧氣條件對(duì)細(xì)胞呼吸的影響”實(shí)驗(yàn)中，需要設(shè)置有氧和無(wú)氧兩種條件，通過(guò)對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出“氧氣條件”對(duì)細(xì)胞呼吸的影響。此外，教材中“胚芽鞘向光性”實(shí)驗(yàn)中，達(dá)爾文的實(shí)驗(yàn)、拜爾的實(shí)驗(yàn)所采用的都是相互對(duì)照，較好地平衡和抵消了無(wú)關(guān)變量的影響，通過(guò)相互對(duì)照，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說(shuō)服力。

在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、心理學(xué)和教育學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域中，由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特殊性，沒有對(duì)照就沒有實(shí)驗(yàn)。因此，是否有適當(dāng)?shù)膶?duì)照實(shí)驗(yàn)，在許多情況下會(huì)影響研究的成敗，甚至有時(shí)對(duì)照實(shí)驗(yàn)的技術(shù)條件比主實(shí)驗(yàn)還艱難。在物理或化學(xué)的領(lǐng)域里，由于研究對(duì)象的構(gòu)成較為單純，在多數(shù)情況下沒有必要進(jìn)行特殊的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)候很難區(qū)分哪一組是對(duì)照組，哪一組是實(shí)驗(yàn)組，經(jīng)筆者總結(jié)，可根據(jù)以下幾點(diǎn)做出較為準(zhǔn)確的判斷。

4.對(duì)照組

4.1區(qū)分對(duì)比實(shí)驗(yàn)和對(duì)照實(shí)驗(yàn)

對(duì)比實(shí)驗(yàn)和對(duì)照實(shí)驗(yàn)都需要對(duì)照，前者沒有固定的對(duì)照組，即相互對(duì)照，后者有相對(duì)固定的對(duì)照組。如何區(qū)分對(duì)比實(shí)驗(yàn)和對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)?？可通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行辨別。若實(shí)驗(yàn)中有某一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果是事先已知的，那該實(shí)驗(yàn)為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，若實(shí)驗(yàn)中各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是未知的，則為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

4.2對(duì)照組常見設(shè)置方式

對(duì)比實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組往往是相對(duì)的，筆者主要論述比較明顯且相對(duì)固定的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照組設(shè)置方式。

4.2.1常態(tài)對(duì)照

這里所謂的“常態(tài)”就是指接近現(xiàn)實(shí)生活的正常狀態(tài)或自然狀態(tài)。自然狀態(tài)下，植物正常生長(zhǎng)時(shí)需要適宜的光照、水分、礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)等；小動(dòng)物正常生長(zhǎng)需要氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等。需要注意的是，由于自然選擇的作用，某種狀態(tài)對(duì)一些生物來(lái)說(shuō)是正常狀態(tài)，而對(duì)其他生物來(lái)說(shuō)可能為異常狀態(tài)，如干旱、缺氧、血紅蛋白含量高等。因此，不可以認(rèn)為某種狀態(tài)的處理一定就是對(duì)照組，還需要根據(jù)生物自身特性而定。選取教材中部分實(shí)驗(yàn)分析如表1所示。

表1

【例2】為驗(yàn)證光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，選擇生長(zhǎng)狀況一致的小麥幼苗200株，隨機(jī)均分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，分別處理并預(yù)期結(jié)果。下面是關(guān)于實(shí)驗(yàn)組的處理方法和預(yù)期結(jié)果的幾種組合，其中正確的是

( )

①實(shí)驗(yàn)組 ②對(duì)照組 ③黑暗中培養(yǎng) ④在光下培養(yǎng)

⑤生長(zhǎng)良好 ⑥生長(zhǎng)不良

A.②③⑤ B.①③⑥

C.①④⑤ D.②④⑥

【答案】B

4.2.2加減對(duì)照

探究?jī)煞N物質(zhì)對(duì)某種生命活動(dòng)的影響之間的相關(guān)性，既需要對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行單獨(dú)處理的實(shí)驗(yàn)，也需要將兩者進(jìn)行共同處理的實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)的三組實(shí)驗(yàn)中，單獨(dú)進(jìn)行處理的實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照組，如探究生長(zhǎng)素和赤霉素對(duì)促進(jìn)胚芽鞘生長(zhǎng)是否具有協(xié)同效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，用生長(zhǎng)素或赤霉素單獨(dú)處理的實(shí)驗(yàn)就是對(duì)照組，兩種激素同時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)組，這樣的處理方式就是“加法對(duì)照”；又如，某種降糖藥物含有兩種成分A和B，為探究哪種成分在降低血糖中起主導(dǎo)作用，可以選擇去除成分A或成分B后單獨(dú)給藥，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血糖水平，然后將這兩組結(jié)果分別與原藥處理對(duì)比即可得出相應(yīng)的結(jié)論，該實(shí)驗(yàn)原藥處理的實(shí)驗(yàn)為對(duì)照組，這樣的處理方式就是“減法對(duì)照”。這類實(shí)驗(yàn)題在高考試題中較為常見，教師在教學(xué)時(shí)需要注重每組實(shí)驗(yàn)處理的目的和原因。人教版教材中提及的斯他林和貝利斯發(fā)現(xiàn)促胰液素的實(shí)驗(yàn)就是這類實(shí)驗(yàn)的原型之一，實(shí)驗(yàn)中給狗的小腸腸腔注射稀鹽酸就是對(duì)照組，注射稀鹽酸和小腸黏膜研磨后的提取液就是實(shí)驗(yàn)組，該對(duì)照方式屬于“加法對(duì)照”。

【例3】為研究甲狀腺激素對(duì)蝌蚪生長(zhǎng)和發(fā)育的作用，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

將15只蝌蚪均分成三組，分別放在有新鮮水草的普通河水、含有一定濃度的甲狀腺激素的河水、含有一定濃度的甲狀腺抑制劑的河水，三種條件下的3個(gè)培養(yǎng)缸中進(jìn)行飼養(yǎng)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組如何確定？

上述三組實(shí)驗(yàn)中，含有甲狀腺激素和甲狀腺抑制劑的河水相對(duì)于普通河水來(lái)說(shuō)，前者是增加了某種因素，是利用的“加法原理”；后者從表面看是增加了某種因素，實(shí)際上是抑制了蝌蚪產(chǎn)生甲狀腺激素，即減去了甲狀腺激素對(duì)蝌蚪的影響，因此利用的是“減法原理”；這兩組是實(shí)驗(yàn)組，含有新鮮水草的普通河水的一組是對(duì)照組。

4.2.3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)因?yàn)樵噭┯昧?、加入順序、操作?xí)慣等人為因素導(dǎo)致有所偏差，這時(shí)就需要設(shè)置“標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照”。如驗(yàn)證酶A是否為蛋白質(zhì)，對(duì)照組不加酶A，其余相同等。一般來(lái)說(shuō)，顯色類實(shí)驗(yàn)都應(yīng)如此設(shè)置對(duì)照組，如還原糖、蛋白質(zhì)、DNA、淀粉等物質(zhì)的定性檢驗(yàn)。一些定量實(shí)驗(yàn)也需要設(shè)置對(duì)照組，如測(cè)定葉綠體色素的吸收光譜實(shí)驗(yàn)，溶解色素的溶劑本身對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收率也要一并測(cè)出。

【例4】過(guò)氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性沒食子酸呈橙紅色。為探究白菜梗中是否存在過(guò)氧化物酶，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表2。下列相關(guān)敘述正確的是

( )

表2

A.1號(hào)管為對(duì)照組，其余不都是實(shí)驗(yàn)組

B.2號(hào)管為對(duì)照組，其余都為實(shí)驗(yàn)組

C.若3號(hào)管顯橙紅色，無(wú)需對(duì)照就能證明白菜梗中存在過(guò)氧化物酶

D.若4號(hào)管不顯橙紅色，可證明白菜梗中無(wú)過(guò)氧化物酶

【答案】A

【解析】從表中信息可知，管1為空白對(duì)照組，管2為陽(yáng)性(標(biāo)準(zhǔn))對(duì)照組，管4為條件對(duì)照組(相對(duì)于管3)。

4.2.4隱藏對(duì)照

有些實(shí)驗(yàn)的結(jié)論已經(jīng)多方證實(shí)，被稱為“學(xué)科常識(shí)”，在進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，就可以免去設(shè)計(jì)對(duì)照組，如普利斯特利的小鼠實(shí)驗(yàn)及蠟燭實(shí)驗(yàn)。還有些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可作為對(duì)照的資源很豐富，也無(wú)需單設(shè)對(duì)照組，如驗(yàn)證轉(zhuǎn)基因棉花的抗蟲、抗病特性，選擇普通大田棉花的病蟲害發(fā)生情況作為對(duì)照組即可。

綜上，凡是實(shí)驗(yàn)必有對(duì)照，至于對(duì)照組如何設(shè)置，方式靈活多樣，有些實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組很明確；有些實(shí)驗(yàn)可以相互對(duì)照，故沒有明確的對(duì)照組；還有的實(shí)驗(yàn)需要多層次設(shè)置對(duì)照組，進(jìn)行逐一對(duì)比后，方能得出科學(xué)合理的結(jié)論?？傊?，對(duì)照組的存在是為了滿足實(shí)驗(yàn)的要求，使實(shí)驗(yàn)具有嚴(yán)密的邏輯性和說(shuō)服力。對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在掌握方法的同時(shí)，還需要教師們認(rèn)真分析，區(qū)別對(duì)待。

設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)照的問題本質(zhì)上是自變量的設(shè)置方式與分組，高考復(fù)習(xí)中，如何做好實(shí)驗(yàn)分組方面的復(fù)習(xí)呢？筆者認(rèn)為可以從以下兩個(gè)方面著手：①科學(xué)合理地分組，主要是依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和目的來(lái)確定需要設(shè)置幾組實(shí)驗(yàn)組；②每組實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，這也是高考中最為常見的實(shí)驗(yàn)考查方式，該類型問題的解答需要充分理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、明確實(shí)驗(yàn)的三個(gè)變量(尤其是自變量)以及各種變量間的邏輯關(guān)系等。只有明確上述兩點(diǎn)才能有的放矢地、科學(xué)而準(zhǔn)確地解答。

新課改實(shí)施以來(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考查仍然以書面形式為主，這與新課標(biāo)提出的科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)相差甚遠(yuǎn),不排除客觀上的學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的原因，也可能有主觀上的“應(yīng)試教育為主”的原因，教學(xué)與考試中也只能通過(guò)設(shè)置探究性、情境化的實(shí)驗(yàn)試題來(lái)促成學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成。教師應(yīng)轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，在教學(xué)中創(chuàng)造真實(shí)條件或虛擬條件組織學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究能力，培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)用于解決生活實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)和課堂教學(xué)質(zhì)量提升的雙贏局面，為學(xué)生的人生發(fā)展奠定一定的實(shí)踐能力基礎(chǔ)，同時(shí)為國(guó)家輸送更多具有實(shí)踐創(chuàng)新潛力的高素養(yǎng)人才。