基于科學思維的高中生物學實驗題解題對策與方法

柳軍

摘 要：以高中生物學典型實驗題型為載體，概括出辨析驗證性實驗和探究性實驗的基本方法，闡明了確立實驗自變量、控制實驗無關變量、觀測實驗因變量的要點和技巧，歸納了實驗題的常見設問類型與三種實驗變量的關系，總結出高中生物學實驗題的解題對策與方法。

關鍵詞：高中生物;實驗題;解題對策與方法

生物學是一門實驗科學，通過生物學實驗的操作與考查，能夠培養學生的觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論等科學探究能力，也能夠通過生物學實驗的事實和證據，運用演繹與推理、模型與建模、歸納與概括等科學思維方法，探討、闡釋生命現象、規律及本質，進而培養和發展學生的生物學核心素養。因此，在高中生物學教學與評價，特別是全國各省市歷年的高考生物試題中，實驗題的設置，不但能充分體現高中生物學課程的學科特點和育人價值，而且能夠考查學生生物學核心素養的發展水平。筆者通過對典型“高中生物學實驗題”（以下簡稱“實驗題”）的分析與比較，概括出了高中生物學實驗題的解題對策與方法，希望對高中廣大師生有所幫助。

一、典型例題及解析

某生物興趣小組通過查詢資料得知，人體腎小球發生病變時，會患腎小球腎炎，該病患者尿液中含有蛋白質。現提供質量濃度為0.01g/mL的CuS04溶液、0.05g/ml的CuS04.溶液、0.1g/ml的Na0H溶液、雞蛋清水溶液（含蛋白質）、清水、某腎小球腎炎患者的尿液、試管和必需的實驗用品。請幫助該興趣小組從中挑選指定濃度的試劑來設計一個實驗，證明腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質。要求寫出實驗原理、實驗步驟、實驗結果及實驗結論。

【解析】實驗原理：雙縮脲試劑能與蛋白質發生顏色反應出現紫色。方法步驟：①取3支試管分別標號為甲、乙、丙。②向甲試管中加入2ml清水，乙試管中加入2ml雞蛋清水溶液、丙試管中加入2ml腎小球腎炎患者的尿液;③向甲、乙、丙三支試管中分別加入2ml0.1g/ml的NaOH溶液，搖勻;再分別滴加3—4滴0.01g/ml的CuSO4溶液，搖勻，在溫度等環境條件適宜且相同的條件下進行實驗。④觀察并記錄三支試管中液體顏色變化。實驗結果：甲試管中液體變為藍色，乙和丙試管中液體均出現紫色。實驗結論：腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質。

【引申】將上題中“證明腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質”變為：“證明腎小球腎炎患者的尿液中是否含有蛋白質？”要求寫出實驗原理、實驗假設、實驗步驟、實驗結果及實驗結論。

引申題的實驗原理、實驗步驟和原題解析完全相同，但與原題相比較：第一，原題的設問中沒有實驗假設，而引申的題目中有，且實驗假設有兩種：假設一“腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質”;假設二“腎小球腎炎患者的尿液中不含有蛋白質”。在作答時，只答其中的一種假設即可。第二，實驗結果及實驗結論的表述不同，引申題目的實驗結果及實驗結論為：若甲試管中液體沒有出現紫色，乙和丙試管中液體均出現紫色，則證明腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質。若甲和丙試管中液體沒有出現紫色，而乙試管中液體出現紫色，則證明腎小球腎炎患者的尿液中不含有蛋白質。

二、自變量、無關變量、因變量等實驗變量的辨析

實驗過程中的變化因素稱為變量。其中人為控制的對實驗對象進行處理的因素叫作自變量，上述實驗中向試管中加入清水、雞蛋清水溶液、腎小球腎炎患者的尿液三種不同的液體屬于自變量。因自變量改變而變化的變量叫作因變量，上述實驗中試管中液體顏色就是因變量。除自變量外，實驗過程中還存在一些對實驗結果造成影響的可變因素，叫作無關變量，如上述實驗中清水、雞蛋清水溶液及腎小球腎炎患者的尿液三種不同液體的量均為2ml，三支試管中都加入2ml0.1g/ml的NaOH溶液、3—4滴0.01g/ml的CuSO4溶液、反應時間、溫度等無關變量都保持一致。

三、實驗類型的辨析

通過對上述原例題和引申例題的設問及解答的分析、比較不難看出：原例題和引申例題是兩種不同類型的實驗，其中原例題為驗證性實驗類型，而引申例題為探究性實驗類型。結合這兩道例題，對這兩類實驗的不同點和相同點概括如下：

通過以上兩道例題的分析和表格的比較可以看出：驗證性實驗和探究性實驗的最主要區別是實驗結果及實驗結論的表述不同。

四、實驗題中幾種常見設問類型的解題對策與方法

這里僅對高考中考查頻率較高的四種設問類型，如“實驗課題名稱的確立”“實驗步驟”“實驗設計思路”“實驗結果及實驗結論”的解題對策與方法進行歸納與概括。

（一）實驗課題名稱的確立

例如：“在用赤霉素促進某植物枝條長高的實踐過程中，發現枝條長高情況不一，分析其原因，認為可能與赤霉素的濃度有關。請據此擬定一個相關研究的課題。要求寫出課題名稱及相關研究中的觀察指標和影響這一指標的因素”。

課題名稱為“探究赤霉素濃度對該植物枝條長高的影響”，觀察指標為“枝條長高程度”，影響這一指標的因素為“赤霉素濃度”。其中“赤霉素濃度”為實驗的自變量，“枝條長高程度”為實驗的因變量。因此，課題名稱的解題對策與方法是：只需用最簡潔的語言表述清楚自變量與因變量的關系即可，通常不涉及無關變量。

（二）實驗步驟的設計

首先要確立自變量，其中對照實驗的自變量必須遵循單一變量原則，如上述例題中單一變量為加入試管中的“清水、雞蛋清水溶液和腎小球腎炎患者的尿液”這一項，其中清水組和雞蛋清水溶液組分別為對照組，腎小球腎炎患者的尿液組為實驗組，此實驗屬于對照實驗。自變量確定后，該實驗分幾組也就確定了。

其次要強調無關變量，無關變量可用“適宜且相同”五個字概括，通常包括適宜且相同的實驗取材、試劑用量以及環境條件（如反應時間、溫度等）三方面，如上述例題中“清水、雞蛋清水溶液和腎小球腎炎患者的尿液均為2ml;向甲、乙、丙三支試管中分別加入“2ml 0.1g/ml的NaOH溶液，搖勻;再分別滴加3—4滴0.01g/ml的CuSO4溶液，搖勻”等均為無關變量。

最后要提及因變量，如上述例題中“觀察并記錄液體顏色變化”為因變量。因變量實際上就是“實驗結果或實驗現象”。因此，實驗步驟的解題對策與方法是：首先要確立自變量，其次要強調無關變量，還要提及因變量，三者缺一不可。

（三）實驗設計思路的表述

例如：將雞的新鮮肝臟研磨成勻漿，過濾后得到提取液。取6支試管1和1’（甲組）、2和2’（乙組）、3和3’（丙組）。在1，2，3號試管中分別加入等量的H2O2溶液;1’，2’，3’號試管中分別加入等量的新鮮肝臟研磨勻漿提取液。將甲組、乙組、丙組中的液體分別調整到pH為2，7，12。一段時間后，在常溫下分別將1和1’中液體混合均勻，2和2’中液體混合均勻，3和3’中液體混合均勻。觀察發現：乙組中氣泡的產生速率最快且使帶火星的衛生香復燃劇烈，而甲、丙兩組幾乎無氣泡產生且帶火星的衛生香不復燃。

以上實驗的三種處理pH不一定是肝臟研磨液中H2O2酶促使H2O2分解的最適pH。你怎樣設計實驗才能確定最適pH？（只要求寫出設計思路）

實驗設計思路為：“在pH為1和12之間每隔一定pH設置一個實驗組，其他實驗條件保持一致。以氣泡的產生速率及帶火星的衛生香復燃程度為指標確定最適pH”。其中“pH為1和12間的pH梯度”為實驗的自變量，“氣泡的產生速率及帶火星的衛生香復燃程度”為實驗的因變量，“相同的溫度等實驗條件、各組試管中分別加入相同且等量的反應液”為實驗的無關變量，搞清楚這三個實驗變量及關系后，用準確的語言文字加以表述即可。因此，實驗設計思路的解題對策與方法是：關鍵要表述清楚自變量與因變量的關系，提一下無關變量即可。

以上三種類型實驗題的設問，在解答時通常不考慮該實驗屬于驗證性還是探究性實驗。

（四）實驗結果及實驗結論

這是驗證性實驗和探究性實驗的最主要區別，是考查學生的生物學核心素養的有效手段，所以是全國各省市歷屆高考生物實驗題中考查頻率最高的問題之一，對這兩類問題的解題對策與方法，分析歸納如下。

1.驗證性實驗

由于驗證性實驗的實驗結果已知，實驗結論一定，所以只需從題干中找出實驗結論，再通過實驗結論推出實驗結果或實驗現象即可。如上述原例題，實驗結論就是題干中的“腎小球腎炎患者的尿液中含有蛋白質”，由此可推出實驗結果為：加“腎小球腎炎患者的尿液”的試管中，液體遇雙縮脲試劑變為紫色。

2.探究性實驗

由于結果未知，結論多種，故只有合理分析推理，才能準確作答。例如：某雌雄異株植物，已知高莖對矮莖為顯性，控制高莖的基因為A，控制矮莖的基因為a。現有純合的高莖和矮莖植株若干，請設計實驗探究“控制高莖/矮莖的基因A/a，是位于常染色體上還是X染色體上”（要求寫出實驗設計思路，預測實驗結果并得出相應的結論）。

分析推理：從題干不難看出，此實驗為探究性實驗，且實驗結果未知，實驗結論只有兩種，即控制高莖/矮莖的基因A/a，位于常染色體上和X染色體上。假設控制高莖/矮莖的基因A/a位于常染色體上時，選取純合的♀矮莖（aa）和♂高莖（AA）親本雜交，F1全為高莖（Aa）;同理，假設控制高莖/矮莖的基因A/a位于X染色體上時，選取純合的♀矮莖（XaXa）和♂高莖（XAY）親本雜交，F1中♀全為高莖（XAXa），♂全為矮莖（XaY）。

錯誤解答：選取純合的♀矮莖和♂高莖親本雜交，若控制高莖/矮莖的基因A/a位于常染色體上，則F1全為高莖;若控制高莖/矮莖的基因A/a位于X染色體上，則F1中♀全為高莖，♂全為矮莖。顯然該解答將實驗結果與實驗結論的因果關系搞反了。

準確解答：實驗設計思路為“選取純合的♀矮莖和♂高莖親本雜交，觀察F1植株與莖高矮相關的表現型及比例”。實驗結果及相應的結論為“若F1全為高莖，則控制高莖/矮莖的基因A/a位于常染色體上;若F1中♀全為高莖，♂全為矮莖，則控制高莖/矮莖的基因A/a位于X染色體上”。

探究性實驗的實驗結果及結論的解題對策與方法是：先從實驗結論的分析入手，確定共有哪幾種實驗結論，再根據每種實驗結論分別推出相對應的實驗結果或實驗現象。特別要注意：作答時一定要先寫實驗結果或實驗現象，后寫得出的相應實驗結論，即按“若xx實驗結果，則xx實驗結論”的方式書寫。

結束語

生物學實驗題的考查，最能體現普通高中生物學課程標準（2017版）的基本理念，也能很好地考查學生的科學探究、科學思維等生物學核心素養，是今后高考考查的重中之重，因此，在平時的教學中，應進一步加強對學生實驗與探究能力的培養，注重科學思維的訓練;在評價方面，要倡導以“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的實驗綜合評價。要授人以魚，更要授人以漁！

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]普通高中教科書：生物學：必修1分子與細胞2019年6月第1版[M].人民教育出版社.

本文系2019年度寧夏哲學社會科學（教育學）規劃項目課題“寧夏學科名師工作室建設個案研究”，課題批準號19XNJB09。寧夏第五屆基礎教育教學課題 “極課大數據在中學生物教學中有效應用的實踐研究”，課題批準號JXKT-SW-05-002。

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