單因子變量在解決生物學探究類實驗題中的應用

孟春燕

(上海市同濟大學第二附屬中學 上海 200060)

在高中生物學教學中，學生對于探究類實驗的分析和理解一直比較難以把握，實驗原則都很清楚，可是碰到具體題目特別是結合圖、表、曲線之類的題目就會答非所問或回答不準確或缺乏科學性。上海高考改革兩年以來，考核知識點的難度有所降低，但題型卻愈加靈活，也更加注重學生運用所學生物學知識解決實際問題的能力。對探究類實驗的理解和掌握就可以很好地體現學生學科核心素養里的科學思維素養和科學探究素養水平。探究實驗的題目在近兩年各區一模、二模考試中均有出現，而且題型多樣，但都需要學生從題目提供的背景資料或圖標數據中獲取信息，分析現象或回答問題。

應對探究類實驗的題目，關鍵是對實驗原則的靈活運用。而這些實驗原則中，又以單因子變量原則最為基礎和核心。在每個實驗中，首先要確定單因子變量。單因子變量就是實驗變量(自變量)，是一種假定為原因的變量，是由實驗者主動操縱的給定的因素或條件，通過它的變化來引起其他變量發生變化[1]。由實驗變量引起的變化和結果通常稱為反應變量(因變量)，是能夠具體測量的指標或能直觀觀察到的現象，也是在題目中經常要分析和解釋的部分。在確定了單因子變量后，可以加以靈活運用，以提高解題的準確性和科學性。如何利用單因子變量抓住解題的關鍵所在，筆者通過這兩年上海各區一模卷和二模卷中出現的幾道具體實例來進一步理解和分析。

1 確定題目中的多重單因子變量

這兩年出現的探究類實驗相關的題目已經愈加靈活和接近實際生活，重點考查學生解決實際問題的能力，題目常以曲線圖示或表格形式呈現，且經常出現不只一個單因子變量，題目均要求對結論進行預估和評判，寫出合理和不足之處。這類題目重點考查學生靈活運用解決問題的能力，具有一定的難度。

例1 (上海2018年閔行區一模卷第43題)研究人員以東北地區玉米為研究對象，以390 μmol/mol的大氣CO2濃度和自然降水條件為對照組(即C390+W0組)，分別研究CO2濃度升高至550 μmol/mol(即C550+W0組)和降水增加15%(即C390+W15組)對玉米凈光合速率(即光合作用合成有機物的速率減去呼吸作用消耗有機物的速率)的影響，結果如圖。有資料顯示，未來東北地區將受到大氣CO2濃度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%的共同影響，某同學根據圖中數據判斷這兩種因素的共同作用將在更大程度上促進玉米的產量提高。寫出該判斷的合理和不足，并修正不足之處。

參考答案： 據圖顯示這兩種因素單獨作用都在一定的光照強度下能提高凈光合速率。所以，它們單獨作用都能促進玉米有機物的積累(1分)，從而促進產量的提高。據此可以預估兩個因素共同作用可以更好地提高玉米產量(1分)。但是作為判斷得出的結論，還缺乏數據支持(1分)，應增設“C550+W15”(即CO2濃度為550 μmol/mol和降水增加15%)的組(1分)，進行實驗，再對結果作分析和判斷。

解析： 首先從圖中可以看出實驗分為三組，單因子變量是大氣CO2濃度和降水量。如果學生會確定單因子變量，則根據C550+W0組和C390+W0組的對照及C390+W15組和C390+W0組對照看出“大氣CO2濃度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%”單獨作用都能促進玉米有機物的積累，據此可以預估兩個因素共同作用有可能更好提高產量。這就是題目中結論判斷的合理之處。但是實驗總共只有三組，缺少兩個因素共同作用的實驗組，如果學生能看出這一點就可以分析出結論判斷的不足之處并順利提出修改建議： 應增設C550+W15組(即CO2濃度為550 μmol/mol和降水增加15%)進行實驗。表達科學、完整、邏輯性強這道4分題的回答才算完美。

例2 (上海2018年浦東新區二模卷第44題)番茄營養豐富，栽培廣泛。為提高溫室番茄產量，研究補光時長和補光光質對番茄凈光合速率Pn(即光合作用合成有機物的速率減去呼吸作用消耗有機物的速率)的影響，結果如圖。為提高溫室番茄產量，某研究者據圖分析，認為“每日補照4 h紅藍復合光”為最佳補光方案，寫出該方案的合理與局限之處。

參考答案： ①合理： 由圖中數據可知，每日補照4 h紅藍復合光的凈光合速率最大，番茄積累的有機物最多。②局限： 本實驗沒有補光時間大于4 h的數據，因此無法獲知每日補光4 h是否最佳，其次無法獲知紅藍復合光中紅光和藍光的不同比例是否也會影響凈光合速率。

解析： 這道題的單因子變量(即實驗變量)有兩個： 時間和光質。根據單一變量原則，在相同時間里紅藍復合光的凈光合速率最大，相同光質比較則4 h光照下光合速率大，可以確定4 h和紅藍復合光兩個因素影響下番茄積累的有機物最多，這也就是該方案的合理之處。但該方案前出現了“最佳”這個詞，本實驗沒有補光時間大于4 h小時的數據，如果學生沒有關注或思考圖下那句注解，也不會想到紅藍復合光中紅光和藍光其他比例是否會提高凈光合速率，所以由于圖中獲取的實驗變量信息過少，不能確定4 h和紅藍復合光的組合就一定是最佳方案。

上面兩道題雖然已不是傳統意義上的實驗設計題，但單因子變量在解題中的應用還是比較明顯的，學生通過對單因子變量的確定和思考，可以初步掌握解題的思路。

2 挖掘題目中隱含的單因子變量

近兩年上海模擬考或等級考中的有些題目看似和單因子變量沒什么關系，但是如果沒有很好地確定單因子變量，則答題的方向和結論都會出現偏差。

例3 (上海2018年楊浦區二模考第32題)植物的節律時鐘控制很多生理過程，如向性生長和光合作用等。為了探究節律時鐘對光合作用的影響，科學家構建了TOC和ZTL兩種擬南芥突變株(兩者的節律時鐘周期分別為20和28小時，晝夜時長為1∶1)，并測定兩者在不同條件下(T20和T28)光合作用相關指標。其中T20和T28表示室內控制光照/黑暗循環周期分別為20和28小時(光照與黑暗時長為1∶1)。測定結果如圖所示。根據圖分析實驗數據并得出結論。

參考答案： 當擬南芥體內的節律時鐘和外界的光照/黑暗循環周期相吻合時，植物體內葉綠素的含量較高，這有利于光合作用的進行，進而增加植物的干重。

解析： 題目中有一題要求學生據圖分析實驗數據并得出結論，沒有任何提示。學生在答題前首先應該分析圖中顯示了哪些實驗數據，這些實驗數據的關系是什么。從圖中可以看出突變株有兩種： 節律時鐘周期分別為20 h和28 h的TOC突變株和ZTL突變株；環境控制光照/黑暗循環周期也有兩組，分別為20 h和28 h。這些彼此對照的變量就是實驗中的自變量。圖中兩側縱坐標顯示的葉綠素含量和植株干重就是隨著自變量改變產生不同結果的因變量。清楚了圖中各因素的因果關系才可以根據自變量的改變描述表達因變量的變化，進而得出實驗結論。而從前面的分析中可以看出實驗的變量有兩個，圖中怎么分組成了答題關鍵。有不少學生將上下兩組分別進行比較，這樣實驗中就有兩個變量： 突變株種類和環境循環周期，那自然得不出正確的結論。如果掌握了單一變量原則就發現應該將左右兩組進行比較，即在同一環境循環周期里看兩種突變株光合作用的情況，進而發現當植物的節律時鐘和環境光照/黑暗循環周期一致時，植物的葉綠素含量會比較高，有利于光合作用的進行，也就解釋了為什么一致時植物的干重含量也比較高。答案自然就出來了。

3 小結

不管在實際探究類實驗過程中還是解決與實驗有關的理論問題中，理解并掌握實驗原則是關鍵。探究類實驗要求學生能靈活運用已學過的自然科學理論，設計簡單的實驗方案，理解探究實驗的一般方法，并能對實驗結果進行預估和評判，其目的是培養學生對實驗的理解分析、歸納總結能力和解決實際問題的能力，對學生核心素養水平的提高有很大的促進作用。教師應該發揮好引導作用，幫助學生合理運用，如果有條件，可以帶著學生做一些探究性的實驗課題，在實踐中更容易加深理解。