加強變量分析，培養(yǎng)高中生生物實驗設(shè)計能力

章燕

摘要 “比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗為例，從變量分析入手，以問題串引導(dǎo)學(xué)生思考討論，主動參與實驗設(shè)計，學(xué)會確定變量、控制變量，領(lǐng)悟?qū)嶒炘O(shè)計思路和方法，從而有效提高學(xué)生的生物實驗設(shè)計能力，培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 變量分析 實驗設(shè)計 生物學(xué)實驗

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號：1003-7586（2018）11-0030-03

進(jìn)行實驗設(shè)計是開展科學(xué)探究的重要組成部分，實驗設(shè)計是圍繞所提出的問題進(jìn)行實驗方案設(shè)計的思維過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。實驗設(shè)計的關(guān)鍵在于變量的確定及控制。在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生常因為不能正確地分析變量，所以難以設(shè)計出比較完整的實驗方案，進(jìn)而影響其實驗設(shè)計能力的發(fā)展。因此加強變量分析教學(xué)，幫助學(xué)生掌握實驗設(shè)計的各種變量及其控制方法，是提高學(xué)生實驗設(shè)計能力發(fā)展的有效途徑。

“比較過氧化氫在不同條件下的分解”是人教版高中生物教材中的第一個實驗，教材特別設(shè)置了“控制變量”欄目，介紹有關(guān)實驗設(shè)計的知識，該部分內(nèi)容是發(fā)展學(xué)生實驗設(shè)計能力、培養(yǎng)學(xué)生探究思維和科學(xué)素養(yǎng)的良好素材。下面以“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗為例，從加強變量分析的角度探討高中生實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)策略。

1明確實驗課題，確定變量

確定變量是指明確實驗中的自變量、因變量和無關(guān)變量。在自然狀態(tài)下，造成某一現(xiàn)象的原因可能很多，也就存在多個變量。只有準(zhǔn)確地確定變量，才能具有正確的邏輯推理前提，讓實驗設(shè)計有意義地進(jìn)行下去。一般而言，實驗課題中都包含著自變量和因變量的關(guān)系，因此只有在明確實驗課題的基礎(chǔ)上，學(xué)生才能很容易確定變量。

在本實驗教學(xué)中，教師先創(chuàng)設(shè)情境，展示過氧化氫溶液，提出問題：“在哪些條件下可以加快過氧化氫分解？”以問題引導(dǎo)學(xué)生回憶其分解過程，調(diào)動已有知識基礎(chǔ)，思考、分析并得出結(jié)論：過氧化氫在加熱、加入催化劑FeCl3溶液和過氧化酶時均能加快分解，且不同條件下分解速率不同。由此明確實驗課題——比較過氧化氫在不同條件下的分解速率。

教師再提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：自變量是什么？因變量是什么？無關(guān)變量是什么？隨后通過圖1幫助學(xué)生分析出自變量是“溫度、FeCl3溶液和過氧化氫酶不同條件”，因變量是“過氧化氫的分解速率”。這樣從而使學(xué)生認(rèn)識到自變量為實驗研究對象，因變量是自變量對實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，實驗課題中包含著自變量與因變量的因果關(guān)系，而無關(guān)變量則是除自變量外其他將會對實驗產(chǎn)生影響的因素，如試管的潔凈程度、過氧化氫的用量、反應(yīng)時間等。

最后，教師引入自變量與因變量、無關(guān)變量與額外變量的概念進(jìn)行歸納總結(jié)。學(xué)生理解各類變量概念以及變量之間的關(guān)系，學(xué)會確定變量。

2設(shè)置對照實驗，控制變量

控制變量是在確定變量后，構(gòu)思如何操作自變量、控制無關(guān)變量、觀測因變量。一般需要遵循單一變量原則等實驗設(shè)計原則，以排除其他因素對實驗的影響，只探究自變量和因變量間的相關(guān)性，達(dá)到預(yù)期的實驗?zāi)康模虼丝刂谱兞砍蔀閷嶒炘O(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。控制變量的通常思維路徑為：先進(jìn)行實驗分組、操作自變量;再設(shè)置對照實驗，控制無關(guān)變量;最后，確定觀測因變量的方法。教學(xué)中，教師可結(jié)合該思維路徑，設(shè)計問題串引導(dǎo)學(xué)生分析，思考如何設(shè)置對照實驗、控制變量。

在本實驗教學(xué)中，教師設(shè)置問題串進(jìn)行引導(dǎo)：實驗中應(yīng)設(shè)置幾組實驗？每組實驗作何種不同處理？如何控制無關(guān)變量？為什么設(shè)計常溫條件下的分解實驗？滴入肝臟研磨液和FeCl3時能否用同一支滴管？FeCl3溶液和肝臟研磨液實驗組應(yīng)處于高溫還是常溫條件？如何判斷過氧化氫分解的快慢？是考慮過氧化氫的減少量還是氧氣的生成量？如何檢測？

學(xué)生在確定變量基礎(chǔ)上，通過自主思考、小組討論，逐步得出控制變量的方法：

①進(jìn)行實驗分組和操作自變量：自變量為不同分解條件，依據(jù)單一變量原則，實驗分成4組，設(shè)置常溫、高溫、FeCl3溶液和過氧化氫酶4種分解條件。通過以上分析，學(xué)生意識到可根據(jù)自變量種類進(jìn)行實驗分組，再對每組自變量施加不同處理，讓各組形成對照關(guān)系。

②控制無關(guān)變量：因試管的潔凈程度等無關(guān)變量無法對實驗結(jié)果產(chǎn)生額外影響，通過設(shè)置對照實驗，使除自變量外的其他條件均保持“相同且適宜”，排除其他因素干擾。因此設(shè)計常溫條件下的對照實驗，滴入肝臟研磨液和FeCl3時，不能用同一支滴管，體現(xiàn)“相同”原則;在FeCl3溶液和肝臟研磨液實驗組中自變量是FeCl3溶液和過氧化氫酶，而過氧化氫酶在高溫下失活，故兩組實驗處于常溫條件下，排除溫度對實驗的干擾，體現(xiàn)“適宜”原則。通過以上問題討論，學(xué)生明白根據(jù)單一變量和對照原則等來設(shè)置對照實驗，控制無關(guān)變量，才能使實驗設(shè)計更科學(xué)合理，實驗結(jié)論更準(zhǔn)確可信。

③檢測因變量：判斷過氧化氫分解的快慢可以根據(jù)反應(yīng)物過氧化氫的減少量或生成物氧氣的生成量，根據(jù)檢測方法易操作、簡單直觀原則，選擇氧氣的生成量來判斷。而根據(jù)氧氣的理化性質(zhì)，以氣泡產(chǎn)生的數(shù)量或點燃衛(wèi)生香燃燒猛烈程度作為觀測因變量的方法，進(jìn)而區(qū)分因變量和觀察指標(biāo)。

以上問題串分別對應(yīng)自變量處理、無關(guān)變量控制、因變量觀測的注意事項，學(xué)生對問題進(jìn)行討論分析，逐步得出各變量的處理方法，為接下來設(shè)計實驗奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)生深入思考探究。

3制定實驗方案

在確定變量、控制變量分析后，學(xué)生能明白控制哪些變量及如何控制變量，基本形成實驗設(shè)計思路。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生還需要思考選擇最佳實驗思路，圍繞變量將已確定的變量處理方法變成具體的、可操作的實驗步驟，制定科學(xué)合理的實驗方案，從而順利地達(dá)到預(yù)期效果。

課堂中，教師提供實驗器材，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計實驗，小組討論制定實驗方案。同時，教師巡視指導(dǎo)，選取實驗方案展示，并組織其他小組進(jìn)行討論、補充、修正，確定方案。最后，教師可以選擇用表格的形式（表1）直觀呈現(xiàn)實驗步驟，使學(xué)生認(rèn)識到確定、控制變量與設(shè)計實驗之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對控制變量的理解和運用，幫助其領(lǐng)會實驗設(shè)計思路，提高科學(xué)思維能力。

4實驗指導(dǎo)，比較歸納

根據(jù)實驗方案，學(xué)生分組進(jìn)行實驗探究。在實驗操作過程中，因滴加試劑量不一致、順序不當(dāng)、實驗材料新鮮度不同等，會造成實驗結(jié)果出現(xiàn)差異。教師應(yīng)及時引導(dǎo)學(xué)生探討分析原因，使學(xué)生認(rèn)識到無關(guān)變量控制是否得當(dāng)會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，體會控制變量的重要性，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

待實驗結(jié)束后，各小組記錄實驗結(jié)果并填入表1中的觀測因變量欄。教師結(jié)合“控制變量”欄目相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)一步提出以下問題引導(dǎo)學(xué)生思考討論：試管3、4能否構(gòu)成對照實驗？若是，請分析其中的自變量、實驗組、對照組等。這兩組實驗對照可以得出什么結(jié)論？如果沒有對照組能得出這個結(jié)論嗎？試管1、2，試管1、3，試管1、4分別能構(gòu)成對照實驗嗎？試管1、2、3、4能否構(gòu)成對照實驗？第一組實驗有什么作用？可否去除第一組？

學(xué)生探究分析各組實驗的自變量、因變量，判斷實驗組和對照組，加深對變量等概念的

學(xué)生理解運用，逐步完善表2;對比3、4號試管，分析得出“酶具有高效性”;通過兩兩對比，分析歸納得出實驗中涉及到空白對照、條件對照、相互對照三種對照實驗，并知道設(shè)計第一組常溫作為空白對照組是為了控制無關(guān)變量，使實驗設(shè)計更科學(xué)、實驗結(jié)論更準(zhǔn)確，從而深層次理解“對照原則”和“單一變量原則”。因此，通過以上問題的討論，學(xué)生不僅理解變量、對照實驗等概念和實驗設(shè)計原則，而且學(xué)會設(shè)置對照實驗，掌握控制變量的方法，形成科學(xué)思維。

本案例從變量分析入手引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行層層實驗探究，領(lǐng)悟?qū)嶒炘O(shè)計的過程和方法;以問題串方式引導(dǎo)學(xué)生層層深入分析思考，掌握實驗設(shè)計原則和方法，學(xué)會確定變量、控制變量，從而有效提高學(xué)生的生物實驗設(shè)計能力，培養(yǎng)其自主探究能力，提高生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。