孟春燕

(上海市同濟(jì)大學(xué)第二附屬中學(xué) 上海 200060)

在高中生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于探究類實(shí)驗(yàn)的分析和理解一直比較難以把握，實(shí)驗(yàn)原則都很清楚，可是碰到具體題目特別是結(jié)合圖、表、曲線之類的題目就會(huì)答非所問或回答不準(zhǔn)確或缺乏科學(xué)性。上海高考改革兩年以來，考核知識(shí)點(diǎn)的難度有所降低，但題型卻愈加靈活，也更加注重學(xué)生運(yùn)用所學(xué)生物學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。對(duì)探究類實(shí)驗(yàn)的理解和掌握就可以很好地體現(xiàn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)里的科學(xué)思維素養(yǎng)和科學(xué)探究素養(yǎng)水平。探究實(shí)驗(yàn)的題目在近兩年各區(qū)一模、二?？荚囍芯谐霈F(xiàn)，而且題型多樣，但都需要學(xué)生從題目提供的背景資料或圖標(biāo)數(shù)據(jù)中獲取信息，分析現(xiàn)象或回答問題。

應(yīng)對(duì)探究類實(shí)驗(yàn)的題目，關(guān)鍵是對(duì)實(shí)驗(yàn)原則的靈活運(yùn)用。而這些實(shí)驗(yàn)原則中，又以單因子變量原則最為基礎(chǔ)和核心。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，首先要確定單因子變量。單因子變量就是實(shí)驗(yàn)變量(自變量)，是一種假定為原因的變量，是由實(shí)驗(yàn)者主動(dòng)操縱的給定的因素或條件，通過它的變化來引起其他變量發(fā)生變化[1]。由實(shí)驗(yàn)變量引起的變化和結(jié)果通常稱為反應(yīng)變量(因變量)，是能夠具體測(cè)量的指標(biāo)或能直觀觀察到的現(xiàn)象，也是在題目中經(jīng)常要分析和解釋的部分。在確定了單因子變量后，可以加以靈活運(yùn)用，以提高解題的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。如何利用單因子變量抓住解題的關(guān)鍵所在，筆者通過這兩年上海各區(qū)一模卷和二模卷中出現(xiàn)的幾道具體實(shí)例來進(jìn)一步理解和分析。

1 確定題目中的多重單因子變量

這兩年出現(xiàn)的探究類實(shí)驗(yàn)相關(guān)的題目已經(jīng)愈加靈活和接近實(shí)際生活，重點(diǎn)考查學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，題目常以曲線圖示或表格形式呈現(xiàn)，且經(jīng)常出現(xiàn)不只一個(gè)單因子變量，題目均要求對(duì)結(jié)論進(jìn)行預(yù)估和評(píng)判，寫出合理和不足之處。這類題目重點(diǎn)考查學(xué)生靈活運(yùn)用解決問題的能力，具有一定的難度。

例1 (上海2018年閔行區(qū)一模卷第43題)研究人員以東北地區(qū)玉米為研究對(duì)象，以390 μmol/mol的大氣CO2濃度和自然降水條件為對(duì)照組(即C390+W0組)，分別研究CO2濃度升高至550 μmol/mol(即C550+W0組)和降水增加15%(即C390+W15組)對(duì)玉米凈光合速率(即光合作用合成有機(jī)物的速率減去呼吸作用消耗有機(jī)物的速率)的影響，結(jié)果如圖。有資料顯示，未來東北地區(qū)將受到大氣CO2濃度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%的共同影響，某同學(xué)根據(jù)圖中數(shù)據(jù)判斷這兩種因素的共同作用將在更大程度上促進(jìn)玉米的產(chǎn)量提高。寫出該判斷的合理和不足，并修正不足之處。

參考答案： 據(jù)圖顯示這兩種因素單獨(dú)作用都在一定的光照強(qiáng)度下能提高凈光合速率。所以，它們單獨(dú)作用都能促進(jìn)玉米有機(jī)物的積累(1分)，從而促進(jìn)產(chǎn)量的提高。據(jù)此可以預(yù)估兩個(gè)因素共同作用可以更好地提高玉米產(chǎn)量(1分)。但是作為判斷得出的結(jié)論，還缺乏數(shù)據(jù)支持(1分)，應(yīng)增設(shè)“C550+W15”(即CO2濃度為550 μmol/mol和降水增加15%)的組(1分)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再對(duì)結(jié)果作分析和判斷。

解析： 首先從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)分為三組，單因子變量是大氣CO2濃度和降水量。如果學(xué)生會(huì)確定單因子變量，則根據(jù)C550+W0組和C390+W0組的對(duì)照及C390+W15組和C390+W0組對(duì)照看出“大氣CO2濃度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%”單獨(dú)作用都能促進(jìn)玉米有機(jī)物的積累，據(jù)此可以預(yù)估兩個(gè)因素共同作用有可能更好提高產(chǎn)量。這就是題目中結(jié)論判斷的合理之處。但是實(shí)驗(yàn)總共只有三組，缺少兩個(gè)因素共同作用的實(shí)驗(yàn)組，如果學(xué)生能看出這一點(diǎn)就可以分析出結(jié)論判斷的不足之處并順利提出修改建議： 應(yīng)增設(shè)C550+W15組(即CO2濃度為550 μmol/mol和降水增加15%)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表達(dá)科學(xué)、完整、邏輯性強(qiáng)這道4分題的回答才算完美。

例2 (上海2018年浦東新區(qū)二模卷第44題)番茄營養(yǎng)豐富，栽培廣泛。為提高溫室番茄產(chǎn)量，研究補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)和補(bǔ)光光質(zhì)對(duì)番茄凈光合速率Pn(即光合作用合成有機(jī)物的速率減去呼吸作用消耗有機(jī)物的速率)的影響，結(jié)果如圖。為提高溫室番茄產(chǎn)量，某研究者據(jù)圖分析，認(rèn)為“每日補(bǔ)照4 h紅藍(lán)復(fù)合光”為最佳補(bǔ)光方案，寫出該方案的合理與局限之處。

參考答案： ①合理： 由圖中數(shù)據(jù)可知，每日補(bǔ)照4 h紅藍(lán)復(fù)合光的凈光合速率最大，番茄積累的有機(jī)物最多。②局限： 本實(shí)驗(yàn)沒有補(bǔ)光時(shí)間大于4 h的數(shù)據(jù)，因此無法獲知每日補(bǔ)光4 h是否最佳，其次無法獲知紅藍(lán)復(fù)合光中紅光和藍(lán)光的不同比例是否也會(huì)影響凈光合速率。

解析： 這道題的單因子變量(即實(shí)驗(yàn)變量)有兩個(gè)： 時(shí)間和光質(zhì)。根據(jù)單一變量原則，在相同時(shí)間里紅藍(lán)復(fù)合光的凈光合速率最大，相同光質(zhì)比較則4 h光照下光合速率大，可以確定4 h和紅藍(lán)復(fù)合光兩個(gè)因素影響下番茄積累的有機(jī)物最多，這也就是該方案的合理之處。但該方案前出現(xiàn)了“最佳”這個(gè)詞，本實(shí)驗(yàn)沒有補(bǔ)光時(shí)間大于4 h小時(shí)的數(shù)據(jù)，如果學(xué)生沒有關(guān)注或思考圖下那句注解，也不會(huì)想到紅藍(lán)復(fù)合光中紅光和藍(lán)光其他比例是否會(huì)提高凈光合速率，所以由于圖中獲取的實(shí)驗(yàn)變量信息過少，不能確定4 h和紅藍(lán)復(fù)合光的組合就一定是最佳方案。

上面兩道題雖然已不是傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，但單因子變量在解題中的應(yīng)用還是比較明顯的，學(xué)生通過對(duì)單因子變量的確定和思考，可以初步掌握解題的思路。

2 挖掘題目中隱含的單因子變量

近兩年上海模擬考或等級(jí)考中的有些題目看似和單因子變量沒什么關(guān)系，但是如果沒有很好地確定單因子變量，則答題的方向和結(jié)論都會(huì)出現(xiàn)偏差。

例3 (上海2018年楊浦區(qū)二?？嫉?2題)植物的節(jié)律時(shí)鐘控制很多生理過程，如向性生長(zhǎng)和光合作用等。為了探究節(jié)律時(shí)鐘對(duì)光合作用的影響，科學(xué)家構(gòu)建了TOC和ZTL兩種擬南芥突變株(兩者的節(jié)律時(shí)鐘周期分別為20和28小時(shí)，晝夜時(shí)長(zhǎng)為1∶1)，并測(cè)定兩者在不同條件下(T20和T28)光合作用相關(guān)指標(biāo)。其中T20和T28表示室內(nèi)控制光照/黑暗循環(huán)周期分別為20和28小時(shí)(光照與黑暗時(shí)長(zhǎng)為1∶1)。測(cè)定結(jié)果如圖所示。根據(jù)圖分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。

參考答案： 當(dāng)擬南芥體內(nèi)的節(jié)律時(shí)鐘和外界的光照/黑暗循環(huán)周期相吻合時(shí)，植物體內(nèi)葉綠素的含量較高，這有利于光合作用的進(jìn)行，進(jìn)而增加植物的干重。

解析： 題目中有一題要求學(xué)生據(jù)圖分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論，沒有任何提示。學(xué)生在答題前首先應(yīng)該分析圖中顯示了哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系是什么。從圖中可以看出突變株有兩種： 節(jié)律時(shí)鐘周期分別為20 h和28 h的TOC突變株和ZTL突變株；環(huán)境控制光照/黑暗循環(huán)周期也有兩組，分別為20 h和28 h。這些彼此對(duì)照的變量就是實(shí)驗(yàn)中的自變量。圖中兩側(cè)縱坐標(biāo)顯示的葉綠素含量和植株干重就是隨著自變量改變產(chǎn)生不同結(jié)果的因變量。清楚了圖中各因素的因果關(guān)系才可以根據(jù)自變量的改變描述表達(dá)因變量的變化，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。而從前面的分析中可以看出實(shí)驗(yàn)的變量有兩個(gè)，圖中怎么分組成了答題關(guān)鍵。有不少學(xué)生將上下兩組分別進(jìn)行比較，這樣實(shí)驗(yàn)中就有兩個(gè)變量： 突變株種類和環(huán)境循環(huán)周期，那自然得不出正確的結(jié)論。如果掌握了單一變量原則就發(fā)現(xiàn)應(yīng)該將左右兩組進(jìn)行比較，即在同一環(huán)境循環(huán)周期里看兩種突變株光合作用的情況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)當(dāng)植物的節(jié)律時(shí)鐘和環(huán)境光照/黑暗循環(huán)周期一致時(shí)，植物的葉綠素含量會(huì)比較高，有利于光合作用的進(jìn)行，也就解釋了為什么一致時(shí)植物的干重含量也比較高。答案自然就出來了。

3 小結(jié)

不管在實(shí)際探究類實(shí)驗(yàn)過程中還是解決與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論問題中，理解并掌握實(shí)驗(yàn)原則是關(guān)鍵。探究類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生能靈活運(yùn)用已學(xué)過的自然科學(xué)理論，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，理解探究實(shí)驗(yàn)的一般方法，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估和評(píng)判，其目的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解分析、歸納總結(jié)能力和解決實(shí)際問題的能力，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)水平的提高有很大的促進(jìn)作用。教師應(yīng)該發(fā)揮好引導(dǎo)作用，幫助學(xué)生合理運(yùn)用，如果有條件，可以帶著學(xué)生做一些探究性的實(shí)驗(yàn)課題，在實(shí)踐中更容易加深理解。