高考“实验与探究专题”的二轮复习策略

张韶杰

摘要结合近几年实验与探究类高考题，总结归纳实验设计的五个要素和五个原则，为改进实验教学，发展学生的生物学核心素养提供理论依据和实验指南。

关键词探究实验 自变量 因变量 无关变量

中图分类号G633.91 文獻标志码B

近几年的高考试题及新考试说明无不体现出对实验与探究能力考查的重视程度，与此同时，考生在这类题目上的信心和得分率也是比较低的。究其原因，是学生平时做题时没有进行及时的总结归纳，对实验相关理论的学习从高一开始就是支离破碎的。经过高中的学习，学生对这类题目已经有了量的积累，因此，教师可在二轮复习中向学生系统性地讲解实验相关理论。实验是依据假设，在人为控制条件下，对实验变量的变化和结果进行捕获解释的科学方法。一个实验可从五个要素、五个原则进行分析。

1假设与假设验证原则

这是现代科学研究中常用的一种科学方法，即假说一演绎法，可分为发现问题、提出假说、演绎推理、实验验证、得出结论五个步骤。学生大多不太理解“演绎”，其实演绎相当于“纸上谈兵”，还没有进行真正的实验证明。例如，用遗传图解推出一个杂交实验结果就是演绎。假设验证是科学实验的必要环节和应遵循的程序准则。孟德尔两大遗传定律的发现、摩尔根证明基因在染色体上、甚至整本必修2教材都明显地贯穿了假说一演绎法。高考也非常重视对假说一演绎法的考查，尤其是在遗传探究题目中，如2013新课标Ⅱ卷第32题，2014全国I卷第32题，2016全国I卷第32题等。

2变量与单一变量原则

2.1自变量与因变量

人为改变的变量称为自变量，随自变量的变化而变化的变量称为因变量。自变量和因变量是实验的灵魂所在，抓住了它们就抓住了实验的大致思路。很多实验题目的考查，或者直接回答自变量与因变量，如2015全国I卷第29题，2015安徽卷第29题等;或者要求考生在吃透实验自变量和因变量的前提下，才能准确作答。如“实验目的”的书写可规范为“探究（或验证）某自变量对某因变量的影响”，实验标题也同样如此确定。同理，考生可从实验目的或实验标题中寻找自变量和因变量，从而把握实验的大致设计思路。高考中多次出现书写实验思路、实验步骤的题目，如2002全国卷27题、2003新课标卷27题、2017全国I卷第29题等。

这类题目的书写可按“四步法”进行：材料分组编号（设置对照试验）、对不同的对象施以不同的处理（控制自变量）、给以相同且适宜的条件（控制无关变量）、实验结果的观察与记录（检测因变量）。“四步法”并非一定是四个步骤，而是像作文提纲一样，有助于考生快速地组织简练的语言作答。

2.2无关变量

除自变量外，实验过程中可能还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响。之所以称之为“无关”，不是因为这些量不发生变化或不会影响实验结果，而是要求在实验中严格控制好这些无关变量，使它们的变化不能干扰自变量的作用结果，即要遵循单一变量原则。

2.3单一变量原则

这是处理实验中的复杂变量关系的准则之一，有两层含义：①确保“单一变量”的实验观测，即不论一个实验中有几个自变量，都应做到一个自变量对应观测一个因变量，这也符合函数中映射的概念;②确保“单一变量”的操作规范，即实验实施中除了要观察的自变量外，其他变量都应当始终保持相同。只有这样做才能最大限度地避免无关变量的干扰。分析实验结果得出相应的实验结论即是对这一原则的考查，如2013新课标Ⅱ卷第29题，2016全国Ⅲ卷第29题，2016全国Ⅱ卷第31题等。分析时，必须坚持单一变量原则，否则会导致分析混乱，所得结论也不科学严谨。

3控制与平衡控制原则

控制主要指实验要严格地均衡无关变量，以消除额外变量。实验中的无关变量一般是无法避免的，这就需要通过平衡控制来抵消它们的影响，尽量消除实验误差，以取得较为精确的实验结果。常用的方法是增设对照组和进行平行重复实验。教材中多处体现了平行重复实验的方法，如“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”时对多个样本的观察;“性状分离比的模拟”实验中分别从两个桶内随机抓取一个小球并记下字母组合，重复该步骤50～100次。

4对照与实验对照原则

除了一个因素其余因素都保持不变的实验叫对照实验。对照实验一般要设置对照组和实验组。实验组是接受自变量处理的对象组;对照组也称控制组，对实验假设而言，是不接受自变量处理的对象组。理论上，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的、被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，可以认定为是来自自变量的效果，这样的实验结果是可信的。2017全国Ⅱ卷第30题就直接考查了设置对照组的目的：既可排除无关变量的影响，保证实验结果是由自变量引起的，又可增加实验结果的可信度和说服力。

对照实验可分为以下几种类型。

4.1空白对照

空白对照指不做任何实验处理的对象组，能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。例如，在“探究土壤微生物的分解作用”实验中，学生往往不理解为何不做处理的土壤组是对照组，而高温灭菌过的土壤组却是实验组。教材中“落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗”这句话可看作本实验的目的，同时也表明白变量为“是否有土壤微生物”。对于土壤中的落叶，存在微生物才是自然状态，是未处理状态，故为对照组。

4.2自身对照

自身对照指实验与对照在同一对象上进行，不另设对照。自身对照方法简便，关键是要理解实验处理前后实验对象本身变化的差异。

例如，“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”实验中每隔一段时间酵母菌的数量就形成了自身对照。又如，在“探究植物细胞的吸水和失水”中，对洋葱鳞片叶外表皮细胞进行的三次观察构成了自身对照等。

4.3条件对照

条件对照指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理不是实验假设所给定的自变量。设置条件对照，能更充分地说明自变量对因变量的影响。

例如，以蝌蚪为实验材料，甲组（实验组）饲喂甲状腺激素;乙组（条件对照）饲喂甲状腺激素抑制剂;丙组（空白对照组）对蝌蚪不做任何处理。本实验的自变量是有无甲状腺激素，通过比较、对照更能说明实验变量——甲状腺激素有促进动物生长发育的作用。又如，艾弗里证明DNA是遗传物质的实验中，第三组加入S型菌的DNA和DNA酶也可看作是条件对照。

4.4相互对照

相互对照也叫对比实验，即设置两个或两个以上的实验组，而不另设对照组，通过对结果的比较分析，来探究某种因素与实验对象的关系。例如，在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”中，需要设置有氧和无氧两种条件，探究酵母菌在不同O：条件下细胞呼吸的方式。这两个组的结果都是事先未知的，都可看作实验组。再如，鲁宾和卡门利用同位素标记法探究O：中的氧是来自H20还是COs，赫尔希和蔡斯利用同位素标记法探究噬菌体的遗传物质是DNA还是蛋白质等。2017全国I卷第29题考查了学生如何设计对比实验。5捕获解释和真实客观原则

捕获指捕捉、记录实验中的现象和数据，解释指论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，从而得出结论。真实客观原则是科学实验所必须遵循的基本准则，即实验中的捕获解释一定要实事求是，使获取的现象和数据尽可能地反映客观事物的本来面目。高考对这一原则的考查主要体现在要求学生通过某些实验数据得出合理的实验结论，考生所犯错误主要集中在主观臆测、凭空胡诌、片面武断等，如2016全国I卷第30题，2013新课标Ⅱ卷第29题等。

以上实验的五个要素和五项原则，是相互联系、整合为一体的。教材虽然有相关介绍，但较为零散且缺乏更多的实例辅助。在学生己积累了大量实验类题目的基础上，教师引导学生对实验基本理论进行系统性的整理归纳，可以使学生的实验与探究能力得到质的提升。实验基本理论的探讨，也为改进实验教学，发展学生的生物学核心素养提供了理论依据和实验指南。