變量分析法在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題中的精準(zhǔn)突破

羅惠峰

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，將實(shí)驗(yàn)與探究能力的培養(yǎng)提升到一個(gè)新高度。近年的生物學(xué)高考中，對(duì)實(shí)驗(yàn)與探究能力的考查主要涉及實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期結(jié)果和結(jié)論得出等維度，能夠真實(shí)反映出學(xué)生分析問題和解決問題能力所達(dá)到的水平。筆者結(jié)合生物學(xué)考試大綱“實(shí)驗(yàn)和探究能力”具體要求，總結(jié)出用變量分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題進(jìn)行精準(zhǔn)突破。

1變量分析法

實(shí)驗(yàn)中的變量是指可被操縱的特定因素或條件，主要包括自變量、因變量和無(wú)關(guān)變量三種。自變量也稱實(shí)驗(yàn)變量，是指實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件。因變量也稱反應(yīng)變量，指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)變量所引起的變化結(jié)果。通常自變量是原因，因變量是結(jié)果，兩者之間具有必然的因果關(guān)系。無(wú)關(guān)變量是指除自變量外，實(shí)驗(yàn)過程中可能還會(huì)存在的一些對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的因素。在解答實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題時(shí)，運(yùn)用變量分析法往往可以快而準(zhǔn)地解題。下面結(jié)合近年全國(guó)卷理綜生物學(xué)試題中部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題進(jìn)行分析舉隅。

2用變量分析法精準(zhǔn)突破實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題

2.1基于限定條件的精準(zhǔn)突破

[例1]（2019·全國(guó)理綜卷I·29節(jié)選）將生長(zhǎng)在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進(jìn)行干旱處理，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，回答下列問題。

（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。

解題思路：從要驗(yàn)證的結(jié)論“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”可看出，該題既要驗(yàn)證氣孔開度減小不是缺水引起的，又要驗(yàn)證是由ABA引起的。因此，實(shí)驗(yàn)的自變量有缺水和ABA;因變量為植株氣孔開度。同時(shí)，題干中提示“請(qǐng)以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料”。所以，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中不能涉及正常植株作為對(duì)照。基于上述分析，可將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，見表1。

依據(jù)上述分析，在解答本題時(shí)，首先基于題干要求的實(shí)驗(yàn)材料這個(gè)限定條件，選對(duì)實(shí)驗(yàn)材料，然后再根據(jù)所要驗(yàn)證的結(jié)論準(zhǔn)確確定自變量、認(rèn)清因變量的觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)解題的精準(zhǔn)突破。

教材原型是人教版高中生物必修1的36頁(yè)中技能訓(xùn)練。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明某一種或某幾種無(wú)機(jī)鹽是這種植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路是先將植物置于缺某種無(wú)機(jī)鹽的完全培養(yǎng)液，出現(xiàn)某種癥狀后，再加入該種無(wú)機(jī)鹽，相應(yīng)癥狀消失，則可確定該無(wú)機(jī)鹽是這種植株生長(zhǎng)發(fā)育所必需的。

2.2基于變量分析的精準(zhǔn)突破

[例2]（2019·全國(guó)理綜卷Ⅲ·29節(jié)選）氮元素是植物生長(zhǎng)的必需元素，合理施用氮肥可提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。回答下列問題。

（2）農(nóng)作物吸收氮元素的主要形式有銨態(tài)氮（NH4⁺）和硝態(tài)氮（NO3^-）。已知作物甲對(duì)同一種營(yíng)養(yǎng)液（以硝酸銨為唯一氮源）中NH4⁺和NO3^-的吸收具有偏好性（NH4⁺和NO3^-同時(shí)存在時(shí)，對(duì)一種離子的吸收量大于另一種）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)這種偏好性進(jìn)行驗(yàn)證，要求簡(jiǎn)要寫出實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期結(jié)果和結(jié)論。

解題思路：依據(jù)作物甲對(duì)硝酸銨中NH4⁺和NO3^-的吸收具有偏好性，可作出判斷，本實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證作物甲對(duì)哪一種離子的吸收具有偏好性。因此，可確定自變量是作物甲對(duì)哪一種離子的吸收具有偏好性，進(jìn)而可推導(dǎo)出因變量為培養(yǎng)液中NH4⁺和NO3^-的剩余量。通過比較NH4⁺和NO3^-的剩余量，而得出作物甲NH4⁺和NO3^-的吸收具有偏好性。

教材原型為人教版高中生物必修1的63頁(yè)中資料分析——物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。用相同的培養(yǎng)液培養(yǎng)番茄和水稻，一段時(shí)間后，培養(yǎng)液中Ca²⁺和Mg²⁺為什么會(huì)增高？從變量分析法角度分析，自變量是植物的種類，因變量是植物對(duì)礦質(zhì)離子的吸收情況，通過檢測(cè)培養(yǎng)液中離子濃度來(lái)衡量。

2.3抓住自變量的精準(zhǔn)突破

[例3]（2017·全國(guó)理綜卷I·29）根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型，有些病毒對(duì)人類健康會(huì)造成很大危害，通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。假設(shè)在宿主細(xì)胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換，請(qǐng)利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以確定一種新病毒的類型，簡(jiǎn)要寫出（1）實(shí)驗(yàn)思路，（2）預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組）

解題思路：依據(jù)題干信息“放射性同位素標(biāo)記”“假設(shè)在宿主細(xì)胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換”，即可確定甲、乙兩組的自變量為放射性同位素標(biāo)記的差異性堿基（一組標(biāo)記胸腺嘧啶，一組標(biāo)記尿嘧啶）。再根據(jù)“體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞”，并聯(lián)系教材T2噬菌體侵染大腸桿菌的相關(guān)知識(shí)，可確定因變量的觀測(cè)指標(biāo)為子代病毒的放射性情況。

教材原型為人教版高中生物必修2的44～45頁(yè)中噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。先分別用³⁵s標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)，用³²P標(biāo)記DNA，然后與細(xì)菌混合培養(yǎng)，最后檢測(cè)上清液和沉淀物中的放射性強(qiáng)度。

3反思

通過上述分析，可以看出高考生物學(xué)試題對(duì)探究實(shí)驗(yàn)的考查是多角度、多維度的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的考查都不離開實(shí)驗(yàn)變量的分析。教師以實(shí)驗(yàn)變量分析為抓手，往往能使考生快速打開解題之門，還能提高答題準(zhǔn)確率。因此，厘清實(shí)驗(yàn)題中隱含的自變量和因變量及無(wú)關(guān)變量對(duì)解題有很大的幫助。當(dāng)然，以上方法只是實(shí)驗(yàn)分析的敲門磚，對(duì)于具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，往往還會(huì)涉及到變量控制等方法。