例談高中生物學(xué)實(shí)驗設(shè)計題的教學(xué)實(shí)踐

朱滿員

(浙江省海鹽高級中學(xué) 314300)

實(shí)驗設(shè)計題是歷年生物學(xué)科高考必考題，也是高考中得分率最低、難度值最大的試題。解答好實(shí)驗設(shè)計題需要學(xué)生有很好的理解能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力以及較強(qiáng)的表達(dá)能力。所以如何做好實(shí)驗設(shè)計題的教學(xué)，也成了高中生物學(xué)教師需要不斷探索的課題。

筆者在長期的一線教學(xué)中，將實(shí)驗設(shè)計題的教學(xué)思路歸納為：大處著眼，小處著手。大處著眼是“世界觀”，小處著手是“方法論”。通俗地說，大處著眼是“做什么”，小處著手就是“怎么做”。本文以浙江省高考的生物學(xué)實(shí)驗設(shè)計題為例，闡述實(shí)驗設(shè)計題教學(xué)中的“大”和“小”。

1 大處著眼，審讀實(shí)驗?zāi)康?/h2>

正確審讀實(shí)驗設(shè)計題的實(shí)驗?zāi)康氖墙鉀Q實(shí)驗設(shè)計題中最重要的“大”，實(shí)驗?zāi)康膶弻α耍痤}方向才會正確。

1.1 審讀實(shí)驗類型 即該實(shí)驗是探究性實(shí)驗還是驗證性實(shí)驗。實(shí)驗類型不會影響實(shí)驗步驟的設(shè)計，但會影響實(shí)驗結(jié)論的預(yù)測：如果是驗證性實(shí)驗，最后的預(yù)測只要求寫出一個應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果即可。但如果是探究性實(shí)驗，則應(yīng)將所有可能的結(jié)果與結(jié)論都羅列出來。例如，2011年的實(shí)驗設(shè)計題，其結(jié)果與結(jié)論就要書寫成“如果乙組CRD明顯高于甲組，說明X對Y細(xì)胞增殖(DNA合成)有促進(jìn)作用。如果乙組CRD與甲組基本相同，說明X對Y細(xì)胞增殖(DNA合成)無影響。如果乙組CRD明顯低于甲組，說明X對Y細(xì)胞增殖(DNA合成)有抑制作用。”

有時不能憑題干判斷是驗證性實(shí)驗還是探究性實(shí)驗，而是要綜合考慮。例如，2016年的理綜生物學(xué)實(shí)驗設(shè)計題：“欲研究甲狀腺和甲狀腺激素的生理作用，對成年小鼠的分組及處理見下表”。從題干上看，好像可以歸入探究性實(shí)驗，但第(2)問中：預(yù)測實(shí)驗結(jié)果(設(shè)計一個坐標(biāo)系,將預(yù)測的實(shí)驗結(jié)果用示意曲線表示)。這表明，實(shí)驗結(jié)果預(yù)測只需呈現(xiàn)一個最可能的就行,那該實(shí)驗的類型即為驗證性實(shí)驗。同理的還有2010年、2013年、2015年和2016年的理綜生物學(xué)實(shí)驗設(shè)計題。縱觀近8年高考試題，只有2011年考查了探究性實(shí)驗，其余考的都是驗證性實(shí)驗。研究發(fā)現(xiàn)若以圖表形式來預(yù)測實(shí)驗結(jié)果的，多為驗證性實(shí)驗；而探究性實(shí)驗的結(jié)果預(yù)測則多用文字表述。

1.2 審讀實(shí)驗性質(zhì) 即定性實(shí)驗還是定量實(shí)驗。實(shí)驗性質(zhì)主要影響的是對照組的設(shè)置。例如，2016年4月的生物學(xué)選考題：“為研究某生物制劑(W)具有促進(jìn)細(xì)菌B增殖的作用”，其中自變量是有無W物質(zhì)，實(shí)驗設(shè)兩組——對照組不加W，實(shí)驗組添加W。而2015年10月的生物學(xué)選考題：“欲進(jìn)行小鼠肝細(xì)胞在不同濃度NaCl溶液中發(fā)生體積和數(shù)量變化的實(shí)驗”中，其自變量不再是“有無NaCl溶液”而是“不同濃度的NaCl溶液”，這就需要設(shè)置至少三種(低、中、高)濃度的實(shí)驗組進(jìn)行相互對照，根據(jù)需要還要設(shè)置0濃度的空白對照。

其次，實(shí)驗性質(zhì)還影響到實(shí)驗步驟的書寫，定量實(shí)驗的第一步往往要從配制不同濃度的被試試劑開始。從實(shí)驗設(shè)計難度而言，定性實(shí)驗簡單，定量實(shí)驗復(fù)雜些。2010年與2015年10月選考考的都是定量實(shí)驗，其余各年份考的都為定性實(shí)驗。

1.3 審讀實(shí)驗變量 即自變量、因變量和無關(guān)變量。若用一次函數(shù)y=kx(k為常數(shù)且，k≠0)來表示生物學(xué)探究實(shí)驗的本質(zhì)，則X相當(dāng)于自變量，Y相當(dāng)于因變量，K則為無關(guān)變量，實(shí)驗的目的就在于尋找和解釋X與Y之間的因果關(guān)系。具體地說，自變量(X)是指實(shí)驗中由實(shí)驗者所操縱的因素或條件；因變量(Y)則指實(shí)驗中由于實(shí)驗變量而引起的變化和結(jié)果。

為了排除偶然性，科學(xué)的實(shí)驗探究就需要設(shè)置對照，一般只允許有一個自變量，這樣才能準(zhǔn)確地找出自變量與因變量是否存在因果關(guān)系。如果實(shí)驗中不止一個自變量，那就需要多設(shè)幾個實(shí)驗組，但在每一組對照中，只能存在一個自變量，其他的自變量即自動成為無關(guān)變量。需要注意的是：不論一個實(shí)驗有幾個實(shí)驗變量，都應(yīng)確定一個自變量，檢測一個因變量，這就是單一變量原則，它是處理實(shí)驗中復(fù)雜關(guān)系的準(zhǔn)則之一。但在一組對照實(shí)驗中的因變量可以不止一個，多個因變量間可存在相關(guān)性，但不一定存在因果性。

例如：不同濃度的生長素影響某植物乙烯生成和成熟葉片脫落的實(shí)驗，結(jié)果如圖1所示。下列有關(guān)敘述正確的是(D)

圖1 實(shí)驗結(jié)果

A．乙烯濃度越高脫落率越高

B．脫落率隨生長素和乙烯濃度增加而不斷提

C．生長素和乙烯對葉片脫落的作用是相互對抗的

D．生產(chǎn)上可噴施較高濃度生長素類似物降低脫落率

另外，在許多實(shí)驗中因變量往往無法直接觀測到，就需要設(shè)計一種可行的測定方法。例如，衡量小鼠新陳代謝的強(qiáng)弱可用小鼠的耗氧量來表示。衡量酶活性的高低，可用單位酶催化下的酶促反應(yīng)的底物的消耗量或剩余量來表示。這四者關(guān)系可用圖2表示。

圖2 三個變量及與可測指標(biāo)關(guān)系示意圖

1.4 找實(shí)驗原理 如果說實(shí)驗?zāi)康氖恰白鍪裁础保瑢?shí)驗步驟是“怎么做”，那實(shí)驗原理就是“為什么這么做”。實(shí)驗原理是實(shí)驗設(shè)計的理論依據(jù)。對實(shí)驗原理的考查主要體現(xiàn)在“對實(shí)驗結(jié)果的分析與討論”中。例如，2011年的“為了探究某物質(zhì)(X)的作用”，第3問：“實(shí)驗中采用3H-TdR的原因是________。”2015年10月選考題“欲進(jìn)行小鼠肝細(xì)胞在不同濃度NaCl溶液中發(fā)生體積和數(shù)量變化的實(shí)驗”，第3問：“①當(dāng)NaCl溶液濃度大于0.9%時，細(xì)胞體積與數(shù)量發(fā)生的變化及其原因是什么?”2016年理綜生物學(xué)題：“欲研究甲狀腺和甲狀腺激素的生理作用”中第3問：“②通過服用放射性131I來檢測甲狀腺功能的依據(jù)是________，________。 ”

書寫完整正確的實(shí)驗原理要關(guān)注兩個方面：①寫清可測指標(biāo)之所以能反映因變量Y的依據(jù)是什么；②寫清驗證實(shí)驗時“自變量為什么能決定因變量”。這個“為什么”要么是題干所給的，要么就是教材中的知識。

2 小處著手，規(guī)范步驟與表述

2.1 寫實(shí)驗步驟 一般的實(shí)驗步驟大致分為4步：①取材、分組、編號，前測。取材時對作為實(shí)驗對象的材料需要進(jìn)行簡單的描述，如大小、形狀、數(shù)量、體重、性別、發(fā)育狀態(tài)及健康狀況等。這些需要描述的性狀是屬于無關(guān)變量范疇，要求相同且適宜的。然后根據(jù)對照實(shí)驗的要求均分為若干組，為了之后的表述方便，常將組別編號成ABC或甲乙丙等(若題干要求不分組，則分組編號可省略)。前測則是對因變量的觀察指標(biāo)進(jìn)行第一次測定。一般進(jìn)行前后對照的即實(shí)驗結(jié)果預(yù)測用以時間為橫坐標(biāo)的曲線圖來呈現(xiàn)的都要有前測環(huán)節(jié)，否則曲線的起點(diǎn)無法確定。②設(shè)置對照。根據(jù)實(shí)驗?zāi)康模謩e設(shè)置實(shí)驗組與對照組。對照的類型可以是空白對照、條件對照、相互對照及自身前后對照。若是題干中要求實(shí)驗不分組，則一定是前后對照，時間就成了一個新增的自變量。③在相同且適宜的條件下培養(yǎng)，一段時間后或每隔一段時間進(jìn)行后測。④處理實(shí)驗結(jié)果。即寫上“對實(shí)驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、處理”。

2.2 實(shí)驗結(jié)果與結(jié)論的表述 在教學(xué)實(shí)踐中，常發(fā)現(xiàn)學(xué)生不會區(qū)分結(jié)果與結(jié)論。如，題目明確要求預(yù)測實(shí)驗的結(jié)果與結(jié)論，學(xué)生往往就只寫一個結(jié)果或結(jié)論，誤以為結(jié)果與結(jié)論是一樣的。結(jié)果與結(jié)論的區(qū)別在于：前者指可測指標(biāo)具體測得的數(shù)值、顏色變化等，而實(shí)驗結(jié)論是針對實(shí)驗?zāi)康亩鞒龅呐袛嘈躁愂觥?shí)驗結(jié)果預(yù)測的呈現(xiàn)方式多種多樣，常見的有：文字、曲線圖、柱狀圖和表格等形式。這些形式在歷年的高考中都出現(xiàn)過，所以這成了實(shí)驗設(shè)計專題教學(xué)中重要的內(nèi)容。

3 隨機(jī)應(yīng)變

每年高考的實(shí)驗設(shè)計題是“年年相似又年年新”，誰也無法預(yù)測下一年的實(shí)驗設(shè)計將會如何考。所以還需要培養(yǎng)學(xué)生在陌生題境中尋找解題思路的能力。其中“任務(wù)分解法”是一個不錯的方法。任務(wù)分解法是指將項目工作分解成較小的、更易于管理的組成部分的過程。將看似不可能解決的大問題分解成一個個小問題，并從中找到解決問題的方法。

例如，為驗證反射弧的組成與作用，某同學(xué)提出了以下實(shí)驗思路：取蛙1只，搗毀該蛙的腦，將其懸掛起來。①用1%H2SO4溶液刺激該蛙左后肢的趾端，觀察是否屈腿。②洗去H2SO4，再用1% H2SO4溶液刺激該蛙左后肢的趾端，測量該刺激與屈腿是否同時發(fā)生。③分離得到該蛙左后肢的坐骨神經(jīng)腓腸肌標(biāo)本，用電刺激直接刺激腓腸肌，觀察其是否收縮。④用電刺激直接刺激上述標(biāo)本的腓腸肌肌細(xì)胞，在坐骨神經(jīng)上是否能測量到電位變化。(說明：實(shí)驗條件適宜；實(shí)驗中的刺激強(qiáng)度足夠；屈腿反射屬于屈反射。)請回答：

(1)設(shè)計表格，并將預(yù)測的實(shí)驗結(jié)果與結(jié)果的原因分析填入表中。

(2)為了驗證屈腿反射中的反射中樞所在部位，在上述實(shí)驗的基礎(chǔ)上寫出第⑤項實(shí)驗思路。

此實(shí)驗題實(shí)際上包含了5個驗證性的小實(shí)驗，只不過實(shí)驗對象都是在同一只小青蛙上而已。每一個小實(shí)驗都是前后對照，且都有各自的自變量與因變量。如果能引導(dǎo)學(xué)生從這個角度去解構(gòu)該實(shí)驗題，也就不難解決。