以變量控制為核心在高三復習中有效提升實驗探究能力

（福建師范大學附屬中學 福建福州 350007）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出高中生物學科核心素養中“科學探究”是指能夠發現現實世界中的生物學問題，并能設計方案進行研究、得出結論，側重于實驗和實踐能力；其中實驗探究能力所涵蓋的實驗設計能力、動手操作能力是高考評價體系提出的“實踐操作能力群”的重點。高考生物試題中也常創設科學實驗和探究情境，加強對實驗探究能力的考查。下面針對高三復習，從教材實驗和高考試題出發，以變量控制為核心，通過認知變量、配置變量、構建變量相關的模型來有效訓練、提升學生的實驗探究能力。

1 認知變量

在人教版《必修1·分子與細胞》教材的“降低活化能的酶”一節介紹了如何控制變量和設計對照實驗。這是學生在高中生物學的學習中對變量認知的起點。在高三復習中，教師應當充分利用教材資源，幫助學生認清“變量控制”的底層邏輯，使學生先做到知其然。在“比較過氧化氫在不同反應條件下的分解速率”的探究實驗中，教師可以圖例支架（圖1）引導學生從該實驗的反應方程式入手分析認知本實驗的變量。

圖1 圖例支架示意

學生通過分析，明確：在這個實驗中，不同條件是人為控制設置的自變量，包括常溫常壓、加熱、無機催化劑和有機催化劑。其中，有機催化劑實質是豬肝研磨液中過氧化氫酶，也就是本實驗研究的主要對象。反應的速率是本實驗的因變量，是本實驗需要檢測的結果，實際操作中往往以帶火星的衛生香是否復燃或者復燃的程度來表征。而過氧化氫溶液的量、濃度、反應的時間等本實驗的無關變量。在四組實驗中，第一組的條件是不加處理的常溫常壓，因此是空白對照，其他3組是人為設置的加熱、催化劑等條件，所以皆為實驗組。同時，自主建構反應方程式與變量的關系圖（圖2）。

圖2 反應方程式與變量的關系示意圖

無論是驗證性實驗還是探究性實驗其本質就是探求自變量和因變量之間的因果關系。教師引導學生再分析本實驗，使學生更加準確、深刻地認知變量的科學本質以及實驗設計與探究中的基本原則，從而提升科學思維。

2 配置變量

在學生已經科學認知變量的基礎上，教師圍繞變量控制，用試題創設情境，引導學生在實驗設計與操作中從配置自變量、控制無關變量和觀測因變量入手，遵循科學原則，真正做到知其所以然。

2.1 配置自變量

教師出示高考真題：

（2019·海南卷·27）適宜條件下，測得的某植物根細胞對a、b兩種物質的吸收速率與外界溶液中這兩種物質濃度的關系如圖3所示（a、b兩條曲線分別代表植物根細胞對不同濃度a、b兩種物質的吸收速率）。

圖3 某植物根細胞對a、b兩種物質的吸收速率與外界溶液中這兩種物質濃度的關系

有學生據圖認為b曲線表示的跨膜運輸方式是主動運輸，有學生則認為是協助擴散。教師引導學生設計實驗確定哪位學生的判斷是正確的。

2.1.1 確定自變量

在不同的物質跨膜運輸方式中，主動運輸的影響因素主要是載體和能量，而協助擴散的影響因素主要是載體和生物膜兩側的物質濃度差。主動運輸和協助擴散兩者的本質區別是什么，是需不需要消耗能量，因此學生要先確定“能量”這個自變量。所以，不少選擇“載體”作為自變量，以“載體蛋白抑制劑”作為實驗組材料，或者以“濃度”作為自變量的學生顯然犯了方向性的錯誤，對自變量認知不清。

2.1.2 設置自變量

在自變量明確后，如何在實驗中恰當地設置自變量呢？根細胞主動運輸所需要能量的直接來源是ATP，而ATP能量的主要來源是是有氧呼吸將有機物徹底氧化分解釋放轉移的能量。在本實驗設計中如何設置容易實現的“能量”這個自變量呢？是ATP，是線粒體，還是氧氣？學生經過小組討論后，發現：選擇氧氣作為直接的自變量，通過設置有氧和無氧兩種裝置（或者使用呼吸抑制劑），不難實現對真正自變量——“能量”的控制。同樣，選擇ATP作為直接的自變量，通過使用ATP以及ATP抑制劑，也能實現對真正自變量——“能量”的控制。但是，選擇以“線粒體”作為直接的自變量，實際上是不容易實現的，是對自變量地不恰當配置。

2.2 觀測因變量

因變量有的可以直接觀察，有的需要用一定的技術手段進行測量。實際操作中根據實驗原理和實驗條件確定觀察、測量的指標稱為觀測指標，具體包括：觀察特異性的顏色變化、沉淀反應；觀察形態結構、生理變化；測量生長發育速度；測量生化反應速率、生物生成量的多少、生理變化等。

例如，本實驗中可以檢測培養液中b物質的剩余量。而在比較過氧化氫在不同反應條件下的分解速率的實驗中，反應的速率是因變量，真正表征反應速率的是單位時間內生成物（氧氣或者水）的生成量，實際應該是定量的一個變量，而在實際操作中往往以帶火星的衛生香是否復燃或者復燃的程度來代替了，變成了定性實驗。那如何真正觀測因變量呢？有學生提出來，可以測量單位時間內氧氣的生成量，使用排水法收集單位時間內反應釋放的氧氣。

因此，因變量≠觀測指標，在觀測指標的基礎上要科學分析真正因變量的變化，才能從實驗結果正確推導到真正的實驗結論。

2.3 控制無關變量

為了減少實驗的誤差，提高實驗的科學性、準確性，一方面要從實驗的環境條件、反應物的量、實驗處理時間等方面嚴格控制無關變量，有效地避免無關變量對實驗的干擾；另一方面可以從樣本數量、實驗的可操作或可重復性等方面著手。

在本實驗中，植物的種類、根的生長狀況與數量、含物質b的培養液的濃度和量以及培養的時間等就是要嚴格控制的無關變量。

3 以變量為核心的模型及其應用

3.1 建構變量控制模型

通過上述的變量認知和變量配置的訓練之后，當學生需要設計或者檢視實驗方案時，教師可以進一步引導學生建構“一表式”整體性、綜合性的實驗設計或探究模型。

以比較過氧化氫在不同反應條件下的分解速率為例，在復習課之前學生對實驗設計的邏輯往往是基于實驗的目的、假設、原理、方法、步驟、結果等展開的（表1）。

表1 常規的實驗設計模型

教師可以引導學生將其按照變量控制的原則轉換，見表2。

表2 基于變量控制的實驗設計模型（以探究酶的高效性為例）

接著，教師引導學生歸納提煉出以變量控制為核心的實驗設計或探究的一般化模型，見表3。

表3 基于變量控制的實驗設計一般化模型

基于變量控制的實驗設計模型的建構實質上是遵循了科學探究的一般步驟，立足于發展學生的科學思維，促進其掌握科學研究的本質規律，進而有效提升其科學素養，見表4。

表4 基于變量控制的實驗設計模型及其分析

3.2 變量控制模型的應用

在高三復習中，實驗探究的具體情境千變萬化，教師通過變量控制模型給學生提供邏輯化的支架，逐步引導學生掌握實驗探究的共性知識，提煉變量控制的基本規律，理解邏輯本質，鍛煉科學思維，提升解題技巧。

【例1】（2020·山東卷·22）科研人員在轉入光敏蛋白基因的小鼠下丘腦中埋置光纖，通過特定的光刺激下丘腦CRH神經元，在脾神經纖維上記錄到相應的電信號，從而發現下丘腦CRH神經元與脾臟之間存在神經聯系，即腦-脾神經通路。該腦-脾神經通路可調節體液免疫，調節過程如圖4所示，圖5為該小鼠CRH神經元細胞膜相關結構示意圖。

圖4 腦-脾神經通路調節體液免疫的調節過程

圖5 該小鼠CRH神經元細胞膜相關結構示意圖

已知切斷脾神經可以破壞腦-脾神經通路，請利用以下實驗材料及用具，設計實驗驗證破壞腦-脾神經通路可降低小鼠的體液免疫能力。簡要寫出實驗設計思路并預期實驗結果。

實驗材料及用具：生理狀態相同的小鼠若干只，N抗原，注射器，抗體定量檢測儀器等。

實驗設計思路：____________。

預期實驗結果：____________ 。

通過復習和訓練，教師引導學生能夠有效地利用模型將實驗的思路和結果轉換為表5。

表5 驗證破壞腦-脾神經通路可降低小鼠的體液免疫能力

本題要求學生回答實驗設計思路并預期結果，根據變量控制模型（表5），從無關變量控制、配置自變量和觀測因變量3個方面可以迅速對應梳理形成實驗設計的思路：取生理狀態相同的小鼠若干只，隨機均分為兩組，分別給兩組小鼠注射相同劑量的N抗原；將其中一組小鼠的脾神經切斷作為實驗組；另一組作為對照組（不做處理或者進行假手術）一段時間后，檢測兩組小鼠抗N抗體的產生量。然后，從預期結果和對應結論回答預期實驗結果：實驗組小鼠的抗N抗體產生量低于對照組的產生量，說明破壞腦-脾神經通路可降低小鼠的體液免疫能力

【例2】某生物興趣小組要設計實驗驗證酶的專一性。請根據題意回答問題：

備選實驗材料和用具：蛋白塊，牛胰蛋白酶溶液，牛胰淀粉酶溶液，蒸餾水，雙縮脲試劑，試管若干，恒溫水浴鍋，時鐘等。

（1）該實驗的自變量是________________________。

（2）實驗步驟：

①取兩支潔凈的相同試管，編號為甲、乙。

②取5 mL牛胰蛋白酶溶液加到甲試管中，再取牛胰淀粉酶溶液加到乙試管中。

③將兩支試管置于恒溫水浴鍋中，保溫（39℃）5 min。

④分別加入等體積等質量的蛋白塊，其他條件相同且適宜。

⑤一段時間后，分別加入等量的雙縮脲試劑進行檢測，記錄實驗結果。

上述實驗步驟中，有兩處明顯錯誤，請找出這兩處錯誤并更正。

①________________________。

②________________________。

經過一定的訓練后，學生熟練掌握變量控制模型，教師還可以進一步引導學生利用模型有效檢視和評價實驗方案，發現其中的不足，見表6。

表6 驗證酶的專一性

本題中（1）為配置自變量，實驗的主題是驗證酶的專一性，題干信息中提供了兩種酶，自變量不難得出為酶的種類。而（2）中，根據變量控制模型，可以檢視酶的種類為自變量。酶溶液的量應為無關變量，因此，控制無關變量，即步驟②中牛胰淀粉酶溶液同樣應為5 mL。因為牛胰蛋白酶與牛胰淀粉酶其本質皆為蛋白質，因此為因變量的檢測中不宜用檢測蛋白質的雙縮脲試劑，可以直接觀察蛋白塊的大小。

4 小結

變量的篩選和配置是生物學實驗中的重要方法，教師只有把握好變量控制這個核心，進而引導學生建構變量控制模型，讓學生利用自己建構的模型快速有效地明晰生物學實驗中的因果關系，為實驗設計與探究提供更好的思路，從而增進科學思維，發展探究能力。