高中生物實驗分組與數據分析中的科學思維

辛小兵

摘要：二輪專題復習中，通過案例分析實驗設計中的分組和實驗結果的數據處理，突破實驗設計題中學生最大的困惑，培養學生的科學探究和科學思維素養。

關鍵詞：分組；數據處理；科學思維

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：A文章編號：1992-7711（2021）18-0083

本文結合一節公開課，針對二輪復習中學生在實驗設計類專題方面存在的問題進行重點突破，通過微專題提升學生實驗設計分組和分析實驗數據、運用實驗數據解決生產實踐等新情境中實際問題的能力。

一、實驗設計常見考查內容

實驗探究能力是歷年高考考查的核心，通過實驗設計考查科學探究和科學思維等學科素養。《普通高中生物學課程標準》學業質量水平描述：針對日常生活和生產中的真實情景，提出有價值的、可探究的問題，設計并實施方案。運用數學方法分析實驗結果，精準闡明實驗結果和客觀分析與評價在生產實踐中的應用和效益風險。依據新課程標準，高考試題中有關實驗設計部分常見的考查內容主要有三方面。

1.實驗設計思路與步驟、變量、結果和結論分析

2.實驗設計與高中教材知識相結合

3.實驗設計與生活、生產實踐和新情景相聯系，評估其應用

二、二輪復習中實驗設計的主要難點

經過一輪復習和訓練，學生對實驗設計思路、自變量和因變量的分析、無關變量的控制、實驗步驟、實驗結果和結論的規范表達已經掌握較好。在二輪復習測試中，2021鄭州二模一道有關實驗設計題目，看似比較簡單，但是學生作答情況出乎意料，錯誤率非常高。

試題：【2021鄭州二模】研究表明：低氧應激時，小鼠內臟神經對脾臟淋巴細胞的正常增殖有抑制作用，請以正常小鼠為材料，設計實驗來驗證這一結論。要求簡要寫出實驗思路和預期結果。（提示：藥物A可以抑制內臟傳出神經）

學生常見作答：實驗思路：1.取一定量正常小鼠隨機平均分成兩組：甲組正常條件飼養；乙組飼喂藥物A的同時在低氧條件飼養2.一段時間后分別取兩個小組小鼠的脾臟，測定每組小鼠淋巴細胞的平均數目。預期結果：乙組淋巴細胞的平均數目大于甲組。

學生的實驗設計思路書寫非常規范，但錯誤率很高。閱卷后仔細分析作答情況，通過與學生面批座談，了解學生錯答原因主要是：審題不清，沒有了解實驗的目的是什么。在測試過程中，學生依照慣性思維，簡單地理解為驗證小鼠內臟神經對脾臟淋巴細胞的正常增殖有抑制作用，所以很多學生只是簡單分為兩組。由于分組錯誤，后續的結果分析等就會全部出錯，整道題目失分。針對學生出現的情況，筆者在二輪復習中專門開設實驗設計的微專題——《實驗設計的分組與數據處理》，提升學生這方面的能力。

三、實驗設計的分組

1.明確實驗目的，遵循分組原則

將2021鄭州二模這道題目與2019年全國卷一道試題對比分析

【2019全國I卷】29.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，請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設計實驗來驗證這一結論，要求簡要寫出實驗思路和預期結果。

引導學生分析題目的意圖，分為兩個層次：1.低氧應激；2.內臟神經對脾臟淋巴細胞的正常增殖有抑制作用。學生提出設計方案1：

學生提出的方案1的思路是正確，但是是否存在問題呢？引導學生分析實驗遵循的原則進行分析。實驗分組主要遵循的原則：對照原則、隨機原則、重復原則（實驗要有足夠的例數或次數）、單盲或雙盲原則（動物實驗）、科學的原則。依據上述原則，學生發現上述方案1中，如果先測量低氧條件下的細胞數目，通常會對小鼠造成傷害，如果繼續在原有的基礎下加藥物A，不符合科學性的原則。有的學生提出，可以將低氧飼養的小鼠分為兩組，一組測量低氧下的細胞數目，另外一組不測量，繼續加藥物A，再測量細胞的數目。學生在原有方案1的基礎上進行改進，同時與2021年八省聯考中河北省適應性考試的21題進行類比分析，學生提出方案2：

通過上述對比分析，學生明晰審清題意，弄清實驗的目的，控制好變量，真正提升科學探究和科學思維素養。

2.常見實驗設計分組類型

實驗設計常見的分組主要有兩種類型：

（1）定性實驗的分組

前后對照：一組（例如質壁分離及復原、動物激素有關實驗）

空白對照：對照組+實驗組（例如驗證酶的高效性）

（2）定量實驗的分組

對照組+不同量的實驗組（例如探究生長素促進植物生根的最適濃度）

實驗組相互對照（例如不同溫度對酶活性的影響）

結合具體實例，與上述分組方法進行對比分析，讓學生體會實驗設計分組中的科學思維，提高學生科學探究的能力。

例如：下圖把生長狀況基本一致、等長的某種植物胚芽鞘分成________組，置于相同的培養液中；

此道題目，學生易按濃度梯度分為7組。教師可帶領學生結合坐標圖中隱含的對照組。教師還可將這種類型的題目進行變式訓練，與已進行預實驗的正式實驗的分組進行比較，讓學生體會實驗分組的科學思維。

四、實驗數據的分析

實驗的考查另一個難點是運用數學方法分析實驗結果，運用科學思維分析生產、生活中與生物學相關的新問題情境，并客觀分析與評價生物技術產品在生產和生活中的應用所產生的效益和風險。

常用表格或坐標圖記錄實驗結果，坐標曲線和圖表數據的分析常進行專題復習，學生已學會分析坐標圖和表：坐標圖中橫縱坐標、單位、特殊點、曲線走向和變化趨勢的分析；表格中表頭標題的含義、表中特殊值、表格中橫縱向的比較。難點在于獲取信息后怎樣處理和在新情境中運用信息。

1.實驗數據和教材知識相聯系

例如：（2021廣雅模考）在實驗設置的濃度范圍內，當Cd2+濃度高于10×10-6mol/L時，石莼凈光合速率的變化趨勢是_______，判斷依據是________。

這類設問考查角度非常好，既考查課本知識又考查學生識圖獲取信息、處理信息的能力，還考查了學生圖文的轉換，試題區分度高。要求學生要理解凈光合速率與總光合速率和呼吸速率的關系。大多數題目考查曲線之間的關系，往往是正、負相關性。本題中兩條曲線都下降，但是兩者下降的幅度不同。學生只有具備一定數據分析能力和科學思維，才能做出準確判斷并合理運用。通過上述實例的分析，在二輪復習中，深挖教材實驗和教材中與實驗設計相聯系的內容進行歸納，并選取經典習題進行訓練。

2.實驗數據在新情境中運用

實驗設計題常選取日常生活、生產實踐、科技發展中的實際問題作為素材，考查新情境下運用知識、解決實際問題的學科素養。

例1.（2012廣東）（1）pH對不同蛋白酶的活力影響有差異。據右圖可知，____________更適宜作為食品添加劑，理由是___________________________。

這道試題學生答題時通常只描述一個理由：酶的活性高，而沒有結合實踐考慮其維持最高酶活性所適應的范圍廣，易在生產實踐中推廣運用。

例2.（2011廣東）探究pH對葉綠素穩定性的影響。取一些葉綠素粗產品，配成一定濃度的溶液，于室溫（約25℃）下進行實驗，方法和結果如下表。

注：葉綠素被破壞后變成黃褐色。

根據所學知識和實驗結果，請回答：

多數考生只回答了根據pH梯度，可推測Y值為8.0，解決此類問題學生可遷移教材中研究溫度、pH值對酶活性的影響，至少設三組，并且將其與具體情境相結合分析，評價其應用效益等。

分析實驗數據解決新情境下的問題，需要學生多思考，具備良好的獲取信息、處理、概括和綜合運用的能力，充分考查了學生的科學思維。在平時教學中，教師注意讓學生理解生物學的核心知識，同時創設情境，多將生物學知識與具體應用結合分析。針對學習中出現的疑問，多用科學思維進行分析、研討和探究。

參考文獻：

[1]教育部考試中心.中國高考評價體系說明[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]教育部.普通高中生物課程標準[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]尹秀菊.重新整合教材素材，拓展實驗設計課題[J].中學生物學，2013（4）：29-30.

（作者單位：廣東省佛山市順德區李兆基中學528300）