章燕

摘要 “比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)為例，從變量分析入手，以問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生思考討論，主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)確定變量、控制變量，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)思路和方法，從而有效提高學(xué)生的生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 變量分析 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號(hào)：1003-7586（2018）11-0030-03

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是開(kāi)展科學(xué)探究的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是圍繞所提出的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的思維過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于變量的確定及控制。在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生常因?yàn)椴荒苷_地分析變量，所以難以設(shè)計(jì)出比較完整的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)而影響其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的發(fā)展。因此加強(qiáng)變量分析教學(xué)，幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各種變量及其控制方法，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力發(fā)展的有效途徑。

“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”是人教版高中生物教材中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，教材特別設(shè)置了“控制變量”欄目，介紹有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的知識(shí)，該部分內(nèi)容是發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、培養(yǎng)學(xué)生探究思維和科學(xué)素養(yǎng)的良好素材。下面以“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)為例，從加強(qiáng)變量分析的角度探討高中生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)策略。

1明確實(shí)驗(yàn)課題，確定變量

確定變量是指明確實(shí)驗(yàn)中的自變量、因變量和無(wú)關(guān)變量。在自然狀態(tài)下，造成某一現(xiàn)象的原因可能很多，也就存在多個(gè)變量。只有準(zhǔn)確地確定變量，才能具有正確的邏輯推理前提，讓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有意義地進(jìn)行下去。一般而言，實(shí)驗(yàn)課題中都包含著自變量和因變量的關(guān)系，因此只有在明確實(shí)驗(yàn)課題的基礎(chǔ)上，學(xué)生才能很容易確定變量。

在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師先創(chuàng)設(shè)情境，展示過(guò)氧化氫溶液，提出問(wèn)題：“在哪些條件下可以加快過(guò)氧化氫分解？”以問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生回憶其分解過(guò)程，調(diào)動(dòng)已有知識(shí)基礎(chǔ)，思考、分析并得出結(jié)論：過(guò)氧化氫在加熱、加入催化劑FeCl3溶液和過(guò)氧化酶時(shí)均能加快分解，且不同條件下分解速率不同。由此明確實(shí)驗(yàn)課題——比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解速率。

教師再提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：自變量是什么？因變量是什么？無(wú)關(guān)變量是什么？隨后通過(guò)圖1幫助學(xué)生分析出自變量是“溫度、FeCl3溶液和過(guò)氧化氫酶不同條件”，因變量是“過(guò)氧化氫的分解速率”。這樣從而使學(xué)生認(rèn)識(shí)到自變量為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，因變量是自變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)課題中包含著自變量與因變量的因果關(guān)系，而無(wú)關(guān)變量則是除自變量外其他將會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響的因素，如試管的潔凈程度、過(guò)氧化氫的用量、反應(yīng)時(shí)間等。

最后，教師引入自變量與因變量、無(wú)關(guān)變量與額外變量的概念進(jìn)行歸納總結(jié)。學(xué)生理解各類變量概念以及變量之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)確定變量。

2設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，控制變量

控制變量是在確定變量后，構(gòu)思如何操作自變量、控制無(wú)關(guān)變量、觀測(cè)因變量。一般需要遵循單一變量原則等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，以排除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，只探究自變量和因變量間的相關(guān)性，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，因此控制變量成為?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？刂谱兞康耐ǔＫ季S路徑為：先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組、操作自變量;再設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，控制無(wú)關(guān)變量;最后，確定觀測(cè)因變量的方法。教學(xué)中，教師可結(jié)合該思維路徑，設(shè)計(jì)問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生分析，思考如何設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)、控制變量。

在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師設(shè)置問(wèn)題串進(jìn)行引導(dǎo)：實(shí)驗(yàn)中應(yīng)設(shè)置幾組實(shí)驗(yàn)？每組實(shí)驗(yàn)作何種不同處理？如何控制無(wú)關(guān)變量？為什么設(shè)計(jì)常溫條件下的分解實(shí)驗(yàn)？滴入肝臟研磨液和FeCl3時(shí)能否用同一支滴管？FeCl3溶液和肝臟研磨液實(shí)驗(yàn)組應(yīng)處于高溫還是常溫條件？如何判斷過(guò)氧化氫分解的快慢？是考慮過(guò)氧化氫的減少量還是氧氣的生成量？如何檢測(cè)？

學(xué)生在確定變量基礎(chǔ)上，通過(guò)自主思考、小組討論，逐步得出控制變量的方法：

①進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組和操作自變量：自變量為不同分解條件，依據(jù)單一變量原則，實(shí)驗(yàn)分成4組，設(shè)置常溫、高溫、FeCl3溶液和過(guò)氧化氫酶4種分解條件。通過(guò)以上分析，學(xué)生意識(shí)到可根據(jù)自變量種類進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組，再對(duì)每組自變量施加不同處理，讓各組形成對(duì)照關(guān)系。

②控制無(wú)關(guān)變量：因試管的潔凈程度等無(wú)關(guān)變量無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生額外影響，通過(guò)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，使除自變量外的其他條件均保持“相同且適宜”，排除其他因素干擾。因此設(shè)計(jì)常溫條件下的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，滴入肝臟研磨液和FeCl3時(shí)，不能用同一支滴管，體現(xiàn)“相同”原則;在FeCl3溶液和肝臟研磨液實(shí)驗(yàn)組中自變量是FeCl3溶液和過(guò)氧化氫酶，而過(guò)氧化氫酶在高溫下失活，故兩組實(shí)驗(yàn)處于常溫條件下，排除溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，體現(xiàn)“適宜”原則。通過(guò)以上問(wèn)題討論，學(xué)生明白根據(jù)單一變量和對(duì)照原則等來(lái)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，控制無(wú)關(guān)變量，才能使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更科學(xué)合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)論更準(zhǔn)確可信。

③檢測(cè)因變量：判斷過(guò)氧化氫分解的快慢可以根據(jù)反應(yīng)物過(guò)氧化氫的減少量或生成物氧氣的生成量，根據(jù)檢測(cè)方法易操作、簡(jiǎn)單直觀原則，選擇氧氣的生成量來(lái)判斷。而根據(jù)氧氣的理化性質(zhì)，以氣泡產(chǎn)生的數(shù)量或點(diǎn)燃衛(wèi)生香燃燒猛烈程度作為觀測(cè)因變量的方法，進(jìn)而區(qū)分因變量和觀察指標(biāo)。

以上問(wèn)題串分別對(duì)應(yīng)自變量處理、無(wú)關(guān)變量控制、因變量觀測(cè)的注意事項(xiàng)，學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行討論分析，逐步得出各變量的處理方法，為接下來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)生深入思考探究。

3制定實(shí)驗(yàn)方案

在確定變量、控制變量分析后，學(xué)生能明白控制哪些變量及如何控制變量，基本形成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生還需要思考選擇最佳實(shí)驗(yàn)思路，圍繞變量將已確定的變量處理方法變成具體的、可操作的實(shí)驗(yàn)步驟，制定科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案，從而順利地達(dá)到預(yù)期效果。

課堂中，教師提供實(shí)驗(yàn)器材，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，小組討論制定實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)，教師巡視指導(dǎo)，選取實(shí)驗(yàn)方案展示，并組織其他小組進(jìn)行討論、補(bǔ)充、修正，確定方案。最后，教師可以選擇用表格的形式（表1）直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到確定、控制變量與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制變量的理解和運(yùn)用，幫助其領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，提高科學(xué)思維能力。

4實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，比較歸納

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，因滴加試劑量不一致、順序不當(dāng)、實(shí)驗(yàn)材料新鮮度不同等，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異。教師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生探討分析原因，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到無(wú)關(guān)變量控制是否得當(dāng)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，體會(huì)控制變量的重要性，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各小組記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并填入表1中的觀測(cè)因變量欄。教師結(jié)合“控制變量”欄目相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)一步提出以下問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考討論：試管3、4能否構(gòu)成對(duì)照實(shí)驗(yàn)？若是，請(qǐng)分析其中的自變量、實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組等。這兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)照可以得出什么結(jié)論？如果沒(méi)有對(duì)照組能得出這個(gè)結(jié)論嗎？試管1、2，試管1、3，試管1、4分別能構(gòu)成對(duì)照實(shí)驗(yàn)嗎？試管1、2、3、4能否構(gòu)成對(duì)照實(shí)驗(yàn)？第一組實(shí)驗(yàn)有什么作用？可否去除第一組？

學(xué)生探究分析各組實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量，判斷實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，加深對(duì)變量等概念的

學(xué)生理解運(yùn)用，逐步完善表2;對(duì)比3、4號(hào)試管，分析得出“酶具有高效性”;通過(guò)兩兩對(duì)比，分析歸納得出實(shí)驗(yàn)中涉及到空白對(duì)照、條件對(duì)照、相互對(duì)照三種對(duì)照實(shí)驗(yàn)，并知道設(shè)計(jì)第一組常溫作為空白對(duì)照組是為了控制無(wú)關(guān)變量，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更科學(xué)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論更準(zhǔn)確，從而深層次理解“對(duì)照原則”和“單一變量原則”。因此，通過(guò)以上問(wèn)題的討論，學(xué)生不僅理解變量、對(duì)照實(shí)驗(yàn)等概念和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，而且學(xué)會(huì)設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，掌握控制變量的方法，形成科學(xué)思維。

本案例從變量分析入手引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行層層實(shí)驗(yàn)探究，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程和方法;以問(wèn)題串方式引導(dǎo)學(xué)生層層深入分析思考，掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則和方法，學(xué)會(huì)確定變量、控制變量，從而有效提高學(xué)生的生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)其自主探究能力，提高生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。