廣東 王 定

(作者單位：廣東省東莞外國語學(xué)校)

《中國高考評價體系說明》提出，對于自然科學(xué)類學(xué)科而言，實驗設(shè)計能力、動手操作能力是實踐操作能力群中的考查重點(diǎn)。然而實驗設(shè)計題學(xué)生們普遍得分率較低，大部分高中生的生物學(xué)實驗探究和科學(xué)思維能力較弱?，F(xiàn)筆者以幾道高考題為例，介紹典型的驗證性實驗設(shè)計的解答技巧及培養(yǎng)學(xué)生強(qiáng)化驗證性實驗設(shè)計題型的策略。

生物學(xué)的選拔性考試試題常常以“情境”作為載體，讓學(xué)生在真實的背景下發(fā)揮核心價值的引領(lǐng)作用，運(yùn)用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實際問題。

1.驗證性實驗填空題型答題策略——化繁為簡，將文字轉(zhuǎn)換為實驗流程圖

【例1】(2021年，廣東卷，第19題節(jié)選)人體缺乏尿酸氧化酶，導(dǎo)致體內(nèi)嘌呤分解代謝的終產(chǎn)物是尿酸(存在形式為尿酸鹽)。尿酸鹽經(jīng)腎小球濾過后，部分被腎小管細(xì)胞膜上具有尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收，最終回到血液。尿酸鹽重吸收過量會導(dǎo)致高尿酸血癥或痛風(fēng)。目前，E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的常用臨床藥物。為研發(fā)新的藥物，研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進(jìn)行了研究。給正常實驗大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制劑，獲得了若干只高尿酸血癥大鼠，并將其隨機(jī)分成數(shù)量相等的兩組，一組設(shè)為模型組，另一組灌服F設(shè)為治療組，一段時間后檢測相關(guān)指標(biāo)，結(jié)果如圖1所示。

圖1

(3)與空白對照組(灌服生理鹽水的正常實驗大鼠)相比，模型組的自變量是________。與其他兩組比較，設(shè)置模型組的目的是________。

(4)根據(jù)尿酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白檢測結(jié)果，推測F降低治療組大鼠血清尿酸鹽含量的原因可能是________，減少尿酸鹽重吸收，為進(jìn)一步評價F的作用效果，本實驗需要增設(shè)對照組，具體為________。

這是一道典型的“學(xué)習(xí)探究情境”題。情境源于真實的研究過程或者實際的探索過程，學(xué)生在解決這類情境問題時，必須啟動已有的知識開展智力活動，綜合運(yùn)用知識和能力解決問題。學(xué)生在審題的過程中發(fā)現(xiàn)此題文字內(nèi)容多、實驗設(shè)置組數(shù)復(fù)雜、專業(yè)術(shù)語表達(dá)較多，整體讓學(xué)生覺得情境陌生。在回答第(3)(4)問的過程中，大部分學(xué)生對模型組、實驗組等關(guān)系模糊，因此建議學(xué)生首先將題中的文字轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒灹鞒虉D(圖2)。

圖2

隨后再根據(jù)第(3)問的設(shè)問，補(bǔ)充完善實驗過程(用虛線表示，如圖3)。

圖3

自變量是指可以人為操縱改變的實驗變量，故從圖3可知，模型組的自變量處理是尿酸氧化酶抑制劑；空白對照組指常態(tài)下的一組，即健康的小鼠。題干設(shè)問要求“與其他兩組相比”，因此模型組與空白組對照，可確定高尿酸血癥動物模型是否構(gòu)建成功；模型組與治療組對照，則可以比較評估F的降尿酸效果。

而第(4)問，從實驗圖中可知，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與血清尿酸鹽的含量呈負(fù)相關(guān)，故可以推測F降低尿酸鹽的機(jī)理。最后一空要求評價F的療效，則要綜合本實驗的研究目的“為研發(fā)新的藥物，研究人員對天然化合物F的降尿酸作用進(jìn)行了研究”與題干信息中“E是針對上述蛋白治療高尿酸血癥或痛風(fēng)的常用臨床藥物?！蓖浦枰鲈O(shè)陽性對照：給模型大鼠灌服E(圖4)。

圖4

本題實際考查“生境熟知”，可利用實驗設(shè)計的單一變量原則來解決實際問題。明確實驗過程中的兩個重要變量：自變量及因變量。單一變量原則使實驗結(jié)果與單一變量之間形成一一對應(yīng)關(guān)系，便于觀察實驗結(jié)果，以分析實驗結(jié)果是由哪種因素造成的。流程圖可以使自變量及因變量之間的對應(yīng)關(guān)系一目了然，結(jié)合實驗?zāi)康暮蟊憧烧_作答。

因此，明確自變量是解答驗證性實驗設(shè)計試題的重點(diǎn)，它須以實驗?zāi)康暮图僭O(shè)為依據(jù)，具有可變性和可操作性。高考還有一種常見的驗證性實驗的考查方式，它往往要求寫出實驗思路及預(yù)期結(jié)果。對于這種題型，可以采用以下策略解題。

2.驗證性實驗書寫實驗思路類題型答題策略

2.1抓核心，尋“題眼”，把握自變量

明確實驗變量是實驗設(shè)計類試題的重點(diǎn)。常見的確認(rèn)實驗自變量的方式有兩種：一是直接從實驗?zāi)康闹蝎@取。實驗課題一般可以描述或轉(zhuǎn)化為“……對……的作用或影響”或者是“……是……”格式。在“對”或者“是”之前的中心詞就是實驗的自變量，如“探究加酶洗衣粉的最適溫度”實驗中，不同溫度就是自變量。二是通過實驗組和對照組之間的關(guān)系推出實驗自變量。

【例2】(2019年，全國卷Ⅰ，第29題節(jié)選)將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進(jìn)行干旱處理，該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大，葉片中的脫落酸(ABA)含量增高，葉片氣孔開度減小，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。

(3)請以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料，設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論，要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。

【學(xué)生誤區(qū)】瀏覽題目后，學(xué)生往往快速判斷出“ABA的有無”為自變量，與題目中的“ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株和正常植株”剛好對應(yīng)。因此學(xué)生選擇這兩種植株，在干旱條件下設(shè)計分組實驗。但是忽略了題干的要求，即以ABA缺失突變體為材料。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行變量分析：審題后鎖定實驗對象，確定圍繞“ABA缺失突變體”設(shè)計實驗。根據(jù)實驗?zāi)康闹械年P(guān)鍵詞“……不是‘缺水’……而是‘由ABA引起’……”再根據(jù)題干信息“水分正?！薄案珊堤幚怼?，初步判斷本實驗首先需排除“缺水”造成的氣孔開度減小，再在干旱的情況下，設(shè)計“有無ABA”再觀察實驗結(jié)果。因此，本實驗的自變量有“是否缺水”及“有無ABA”。綜上，可利用減法原理操縱實驗變量“是否缺水”。因給定實驗對象“不能合成ABA”，故利用加法原則設(shè)計“ABA的有無”。

利用簡單的文字和箭頭，呈現(xiàn)實驗流程，如圖5。

圖5

確定正確的自變量，根據(jù)實驗?zāi)康拇_定因變量——?dú)饪椎拈_度，遵循實驗設(shè)計的對照原則(空白對照)，根據(jù)簡圖，文字描述其實驗思路。

此外，把握自變量后，本題的實驗設(shè)計還可采用自身前后對照的思路來設(shè)計：取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經(jīng)干旱處理后，再測定氣孔開度。將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進(jìn)行ABA處理，另一組作為對照組，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。

2.2觀現(xiàn)象，測結(jié)果，點(diǎn)睛“因變量”

因變量是實驗研究是否成功的證據(jù)，應(yīng)具有可測性和客觀性，但某些物質(zhì)轉(zhuǎn)化的實驗由于實驗結(jié)果不能通過視覺、嗅覺直接判斷，需要利用相關(guān)化學(xué)原理進(jìn)一步明確檢測實驗結(jié)果?；诖?，例2的預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變。ABA處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。

培養(yǎng)學(xué)生確認(rèn)和操作實驗因變量的方式有以下幾點(diǎn)。

一是直接從實驗?zāi)康闹蝎@取。實驗課題一般可以描述或轉(zhuǎn)化為“……對……的作用或影響”或者是“……是……”格式。在“對”或者“是”之后的內(nèi)容即為因變量，如“探究加酶洗衣粉的最適溫度”實驗中，洗滌效果即為因變量，觀測指標(biāo)是“相同時間內(nèi)污物去除效果”或者是“污物完全除盡所需的時間”。

二是根據(jù)實驗原理來確定并對因變量進(jìn)行觀測。如“探索溫度對淀粉酶活性的影響”實驗中，不能用感官直接觀察因變量——酶活性的變化，故只能利用酶的理化性質(zhì)借助相關(guān)的顯色反應(yīng)來判斷因變量的變化。淀粉酶可將淀粉分解為葡萄糖，故酶活性的高低可用化學(xué)反應(yīng)的速率來衡量。因此，因變量的觀測指標(biāo)是通過淀粉的減少量或者葡萄糖的增加量來確定，但檢測產(chǎn)物葡萄糖所用的斐林試劑需在加熱條件下進(jìn)行，會影響到自變量“不同溫度”下淀粉酶的催化效果，故因變量檢測指標(biāo)應(yīng)選擇碘液，利用藍(lán)色的深淺來判斷反應(yīng)物(淀粉)剩余量的變化。

2.3保變量，正確處理無關(guān)變量

在實驗過程中，還會存在一些可變因素對實驗結(jié)果造成影響，即無關(guān)變量。在對照實驗中，為了保證實驗結(jié)果的產(chǎn)生只與自變量有關(guān)，無關(guān)變量都應(yīng)當(dāng)始終保持相同，這樣觀測指標(biāo)即“因變量”才是唯一需要關(guān)注的。在具體探究實驗表達(dá)中，可用如下方式來描述，如“選擇長勢一致、大小相同的同種植物隨機(jī)等量分組”“選擇生理特征相似、健康狀況一致、性別相同的同種動物隨機(jī)等量分組”“在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間/反應(yīng)相同時間”等。

對近幾年各地高考真題進(jìn)行分析后，筆者發(fā)現(xiàn)設(shè)計驗證性實驗書寫實驗思路是常考題型，此類題型考查學(xué)生理解能力、分析能力、綜合能力、收集及處理信息能力、邏輯思維能力、語言文字表達(dá)能力等，掌握此類題型答題模式可以有效提高應(yīng)考技巧。實驗思路關(guān)注的是自變量、因變量的確定以及因變量的觀測指標(biāo)。隨后根據(jù)實驗原理選擇實驗材料，最后合理描述即可。實驗思路簡化描述為分組+自變量+觀測因變量。

2.4重回“目的”，寫預(yù)期，下結(jié)論

實驗預(yù)期大都隱含在“實驗原理”中，這類試題需要學(xué)生運(yùn)用已有的理論知識或試題給出的信息去判斷、分析和預(yù)測實驗的可能結(jié)果，一般是從已知推測未知。但針對驗證性實驗，如2019年全國卷Ⅰ第29題(3)中實驗?zāi)康氖球炞C“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”，故這類實驗是基于實驗來驗證某結(jié)論的準(zhǔn)確性，其預(yù)期結(jié)果與實驗?zāi)康囊灰粚?yīng)。

在高三的復(fù)習(xí)過程中，培養(yǎng)學(xué)生書寫設(shè)計驗證性實驗的思路或者步驟時應(yīng)當(dāng)注意選題，要以問題情境為載體，加強(qiáng)對基本概念、原理、思想方法的引導(dǎo)；也要注意不同知識內(nèi)容間的聯(lián)系，考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識和能力的水平，培養(yǎng)其創(chuàng)造性運(yùn)用知識去解決問題的創(chuàng)新思維和意識。