浅析验证性实验设计表述题的解答策略

广东 王 定

(作者单位：广东省东莞外国语学校)

《中国高考评价体系说明》提出，对于自然科学类学科而言，实验设计能力、动手操作能力是实践操作能力群中的考查重点。然而实验设计题学生们普遍得分率较低，大部分高中生的生物学实验探究和科学思维能力较弱。现笔者以几道高考题为例，介绍典型的验证性实验设计的解答技巧及培养学生强化验证性实验设计题型的策略。

生物学的选拔性考试试题常常以“情境”作为载体，让学生在真实的背景下发挥核心价值的引领作用，运用必备知识和关键能力去解决实际问题。

1.验证性实验填空题型答题策略——化繁为简，将文字转换为实验流程图

【例1】(2021年，广东卷，第19题节选)人体缺乏尿酸氧化酶，导致体内嘌呤分解代谢的终产物是尿酸(存在形式为尿酸盐)。尿酸盐经肾小球滤过后，部分被肾小管细胞膜上具有尿酸盐转运功能的蛋白URAT1和GLUT9重吸收，最终回到血液。尿酸盐重吸收过量会导致高尿酸血症或痛风。目前，E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物。为研发新的药物，研究人员对天然化合物F的降尿酸作用进行了研究。给正常实验大鼠(有尿酸氧化酶)灌服尿酸氧化酶抑制剂，获得了若干只高尿酸血症大鼠，并将其随机分成数量相等的两组，一组设为模型组，另一组灌服F设为治疗组，一段时间后检测相关指标，结果如图1所示。

图1

(3)与空白对照组(灌服生理盐水的正常实验大鼠)相比，模型组的自变量是________。与其他两组比较，设置模型组的目的是________。

(4)根据尿酸盐转运蛋白检测结果，推测F降低治疗组大鼠血清尿酸盐含量的原因可能是________，减少尿酸盐重吸收，为进一步评价F的作用效果，本实验需要增设对照组，具体为________。

这是一道典型的“学习探究情境”题。情境源于真实的研究过程或者实际的探索过程，学生在解决这类情境问题时，必须启动已有的知识开展智力活动，综合运用知识和能力解决问题。学生在审题的过程中发现此题文字内容多、实验设置组数复杂、专业术语表达较多，整体让学生觉得情境陌生。在回答第(3)(4)问的过程中，大部分学生对模型组、实验组等关系模糊，因此建议学生首先将题中的文字转变为实验流程图(图2)。

图2

随后再根据第(3)问的设问，补充完善实验过程(用虚线表示，如图3)。

图3

自变量是指可以人为操纵改变的实验变量，故从图3可知，模型组的自变量处理是尿酸氧化酶抑制剂；空白对照组指常态下的一组，即健康的小鼠。题干设问要求“与其他两组相比”，因此模型组与空白组对照，可确定高尿酸血症动物模型是否构建成功；模型组与治疗组对照，则可以比较评估F的降尿酸效果。

而第(4)问，从实验图中可知，转运蛋白与血清尿酸盐的含量呈负相关，故可以推测F降低尿酸盐的机理。最后一空要求评价F的疗效，则要综合本实验的研究目的“为研发新的药物，研究人员对天然化合物F的降尿酸作用进行了研究”与题干信息中“E是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛风的常用临床药物。”推知需要增设阳性对照：给模型大鼠灌服E(图4)。

图4

本题实际考查“生境熟知”，可利用实验设计的单一变量原则来解决实际问题。明确实验过程中的两个重要变量：自变量及因变量。单一变量原则使实验结果与单一变量之间形成一一对应关系，便于观察实验结果，以分析实验结果是由哪种因素造成的。流程图可以使自变量及因变量之间的对应关系一目了然，结合实验目的后便可正确作答。

因此，明确自变量是解答验证性实验设计试题的重点，它须以实验目的和假设为依据，具有可变性和可操作性。高考还有一种常见的验证性实验的考查方式，它往往要求写出实验思路及预期结果。对于这种题型，可以采用以下策略解题。

2.验证性实验书写实验思路类题型答题策略

2.1抓核心，寻“题眼”，把握自变量

明确实验变量是实验设计类试题的重点。常见的确认实验自变量的方式有两种：一是直接从实验目的中获取。实验课题一般可以描述或转化为“……对……的作用或影响”或者是“……是……”格式。在“对”或者“是”之前的中心词就是实验的自变量，如“探究加酶洗衣粉的最适温度”实验中，不同温度就是自变量。二是通过实验组和对照组之间的关系推出实验自变量。

【例2】(2019年，全国卷Ⅰ，第29题节选)将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸(ABA)含量增高，叶片气孔开度减小，有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。

(3)请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料，设计实验来验证这一结论，要求简要写出实验思路和预期结果。

【学生误区】浏览题目后，学生往往快速判断出“ABA的有无”为自变量，与题目中的“ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株和正常植株”刚好对应。因此学生选择这两种植株，在干旱条件下设计分组实验。但是忽略了题干的要求，即以ABA缺失突变体为材料。

教师引导学生进行变量分析：审题后锁定实验对象，确定围绕“ABA缺失突变体”设计实验。根据实验目的中的关键词“……不是‘缺水’……而是‘由ABA引起’……”再根据题干信息“水分正常”“干旱处理”，初步判断本实验首先需排除“缺水”造成的气孔开度减小，再在干旱的情况下，设计“有无ABA”再观察实验结果。因此，本实验的自变量有“是否缺水”及“有无ABA”。综上，可利用减法原理操纵实验变量“是否缺水”。因给定实验对象“不能合成ABA”，故利用加法原则设计“ABA的有无”。

利用简单的文字和箭头，呈现实验流程，如图5。

图5

确定正确的自变量，根据实验目的确定因变量——气孔的开度，遵循实验设计的对照原则(空白对照)，根据简图，文字描述其实验思路。

此外，把握自变量后，本题的实验设计还可采用自身前后对照的思路来设计：取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度。将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度。

2.2观现象，测结果，点睛“因变量”

因变量是实验研究是否成功的证据，应具有可测性和客观性，但某些物质转化的实验由于实验结果不能通过视觉、嗅觉直接判断，需要利用相关化学原理进一步明确检测实验结果。基于此，例2的预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。

培养学生确认和操作实验因变量的方式有以下几点。

一是直接从实验目的中获取。实验课题一般可以描述或转化为“……对……的作用或影响”或者是“……是……”格式。在“对”或者“是”之后的内容即为因变量，如“探究加酶洗衣粉的最适温度”实验中，洗涤效果即为因变量，观测指标是“相同时间内污物去除效果”或者是“污物完全除尽所需的时间”。

二是根据实验原理来确定并对因变量进行观测。如“探索温度对淀粉酶活性的影响”实验中，不能用感官直接观察因变量——酶活性的变化，故只能利用酶的理化性质借助相关的显色反应来判断因变量的变化。淀粉酶可将淀粉分解为葡萄糖，故酶活性的高低可用化学反应的速率来衡量。因此，因变量的观测指标是通过淀粉的减少量或者葡萄糖的增加量来确定，但检测产物葡萄糖所用的斐林试剂需在加热条件下进行，会影响到自变量“不同温度”下淀粉酶的催化效果，故因变量检测指标应选择碘液，利用蓝色的深浅来判断反应物(淀粉)剩余量的变化。

2.3保变量，正确处理无关变量

在实验过程中，还会存在一些可变因素对实验结果造成影响，即无关变量。在对照实验中，为了保证实验结果的产生只与自变量有关，无关变量都应当始终保持相同，这样观测指标即“因变量”才是唯一需要关注的。在具体探究实验表达中，可用如下方式来描述，如“选择长势一致、大小相同的同种植物随机等量分组”“选择生理特征相似、健康状况一致、性别相同的同种动物随机等量分组”“在相同且适宜的条件下培养一段时间/反应相同时间”等。

对近几年各地高考真题进行分析后，笔者发现设计验证性实验书写实验思路是常考题型，此类题型考查学生理解能力、分析能力、综合能力、收集及处理信息能力、逻辑思维能力、语言文字表达能力等，掌握此类题型答题模式可以有效提高应考技巧。实验思路关注的是自变量、因变量的确定以及因变量的观测指标。随后根据实验原理选择实验材料，最后合理描述即可。实验思路简化描述为分组+自变量+观测因变量。

2.4重回“目的”，写预期，下结论

实验预期大都隐含在“实验原理”中，这类试题需要学生运用已有的理论知识或试题给出的信息去判断、分析和预测实验的可能结果，一般是从已知推测未知。但针对验证性实验，如2019年全国卷Ⅰ第29题(3)中实验目的是验证“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起”，故这类实验是基于实验来验证某结论的准确性，其预期结果与实验目的一一对应。

在高三的复习过程中，培养学生书写设计验证性实验的思路或者步骤时应当注意选题，要以问题情境为载体，加强对基本概念、原理、思想方法的引导；也要注意不同知识内容间的联系，考查学生综合运用知识和能力的水平，培养其创造性运用知识去解决问题的创新思维和意识。