以“变量”之钥启“科学探究测评”之锁

河北 苏洪波

(作者单位：唐山市开滦第二中学)

科学探究是人们获取、理解生物学概念的有效途径，是学科核心素养四个方面之一，是《中国高考评价体系》中的考查内容和关键能力之一。对科学探究素养的考查有助于学生科学探究素养的发展，助力学生适应时代变革和支撑其长远关键能力发展的培育。在现行纸笔测试的环境下，科学探究能力测评通常为能够对相关生物学问题进行科学探究，如分析问题、设计实验、预测结果并得出结论或作出解释，掌握科学探究的整个流程。科学探究的目的是“在最大程度控制无关变量的基础上研究自变量和因变量的关系”，因此“变量”在解决“科学探究测评”中具有重要意义。本文尝试从变量的数量、变量间的关系对“科学探究测评”进行分析。

1.单因素实验

单因素实验是研究一种自变量与因变量之间关系的实验，可用结构方程Y=f(X)表示，其中Y表示因变量，X表示一种自变量。根据自变量施加的组别、自变量是否具有数量变化分为如下三种：(1)自身对照实验；(2)对照实验；(3)对比实验。

1.1自身对照实验

这类实验是对照组和实验组的操作都在同一研究对象上进行，如植物细胞的质壁分离和复原实验。

【例1】(2018年，全国卷Ⅰ，第31题节选)为探究不同因素对尿量的影响，某同学用麻醉后的实验兔进行不同的实验，实验内容如下：

a.记录实验兔的尿量(单位：滴/分钟)。

b.耳缘静脉注射垂体提取液0.5 mL，记录尿量。

c.待尿量恢复后，耳缘静脉注射20%葡萄糖溶液15 mL，记录尿量。取尿液做尿糖定性实验。

回答下列问题:

(1)该同学发现,与a相比,b处理后实验兔尿量减少,其主要原因是________。

(2)c处理后,肾小管腔内液体的渗透压会升高,实验兔的尿量会________。

【分析】本题测评科学探究中的作出解释和预测结果两个维度。第(1)小题要求考生理解必备知识“抗利尿激素是由垂体释放的激素”和分析实验步骤b得出自变量是抗利尿激素。根据抗利尿激素的生理作用，对“注射垂体提取液后，实验兔尿量减少”作出的解释是“垂体提取液中含有抗利尿激素，促进了肾小管和集合管重吸收水”。第(2)小题要求考生根据必备知识“渗透压”和获取的信息“肾小管腔内液体的渗透压会升高”预测结果，即尿量增加。

1.2对照实验

这类实验是对照组不做任何处理，实验组施加自变量，如比较过氧化氢在不同条件下的分解实验中，1号试管就是对照组，2号、3号和4号试管是实验组。

【例2】(2017年，全国卷Ⅱ，第30题节选)将室温(25℃)饲养的某种体温为37℃的哺乳动物(动物甲)随机分为两组，一组放入41℃环境中1 h(实验组)，另一组仍置于室温环境中(对照组)。期间连续观察并记录这两组动物的相关行为。结果：实验初期，实验组动物的静卧行为明显减少、焦虑不安行为明显增加。回答下列问题：

(3)本实验中设置对照组的目的是________。

【分析】本题测评科学探究中的分析问题维度，考查考生基于对实验步骤的理解，分析得出实验目的是“高温(41℃)对某种哺乳动物相关行为的影响”，即自变量是高温(41℃)。实验设计的目的是研究自变量和因变量的关系，因此对照组的目的是排除非实验因素的干扰，即“排除41℃以外因素对实验结果的影响，以保证本实验的结果是由41℃引起的”。

1.3对比实验

这类实验不另设对照组，而是在进行的几个实验组之间形成对比，对应的结构方程是Y1=f(X1)、Y2=f(X2)、Y3=f(X3)……Yn=f(Xn)，如探究温度(或pH)对酶活性影响的实验。

【例3】BTB是一种酸碱指示剂。BTB的弱碱性溶液颜色可随其中CO2浓度的增高而由蓝变绿再变黄。某同学为研究某种水草的光合作用和呼吸作用，进行了如下实验：用少量的NaHCO3和BTB加水配制成蓝色溶液，并向溶液中通入一定量的CO2使溶液变成浅绿色，之后将等量的绿色溶液分别加入到7支试管中。其中6支加入生长状况一致的等量水草，另一支不加水草，密闭所有试管。各试管的实验处理和结果见下表。

试管编号1234567水草无有有有有有有距日光灯的距离(cm)20遮光*1008060402050 min后试管中溶液的颜色浅绿色X浅黄色黄绿色浅绿色浅蓝色蓝色

*遮光是指用黑纸将试管包裹起来，并放在距日光灯100 cm的地方。

若不考虑其他生物因素对实验结果的影响，回答下列问题：

本实验中，50 min后1号试管的溶液是浅绿色，则说明2至7号试管的实验结果是由________引起的。

【分析】本题测评科学探究中的分析问题和作出解释两个维度，考查考生基于对实验数据的理解，分析出实验目的是“不同光照强度对水草的光合作用和呼吸作用的影响”。大部分考生错答“水草的光合作用和呼吸作用”，说明考生没有分析出自变量是“水草距日光灯的距离”及其代表的生物学含义是“光照强度”。

2.多因素实验

多因素实验是研究两种或两种以上自变量与因变量之间关系的实验，可用结构方程Y=f(X,U)表示，其中Y表示因变量，X、U表示不同种自变量。如果自变量X与因变量Y的关系受到自变量U的影响,则U称为调节变量；如果自变量X通过自变量U来影响因变量Y，则U称为中介变量。根据“自变量U”的种类将多因素实验分为“调节变量型”和“中介变量型”两个维度。

2.1调节变量型

2.1.1协同型

这类实验是自变量X和自变量U对因变量Y都有影响，并且同时施加自变量X和U达到增强效应的结果，如生长激素和甲状腺激素对生长发育的作用。

【例4】为研究赤霉素(GA3)和生长素(IAA)对植物生长的影响，切取菟丝子茎顶端2.5 cm长的部分(茎芽)。置于培养液中无菌培养(图1)，实验分为A、B、C三组，分别培养至第1、8、15天，每组在适宜浓度的激素处理30天，测量茎芽长度，结果见图2。

图1

图2

从图2中B组的数据可知，两种激素联合处理对茎芽伸长生长的促进作用是GA3单独处理的________倍、IAA单独处理的________倍，由此可以推测GA3和IAA在对茎芽伸长生长的作用上存在________的关系。

【分析】本题测评科学探究中的分析实验结果和得出结论两个维度。实验目的是“研究赤霉素和生长素对植物生长的影响”，可分解为如下3个子目的：①研究赤霉素(自变量X)对植物生长的影响；②研究生长素(自变量U)对植物生长的影响；③研究赤霉素(自变量X)和生长素(自变量U)在植物生长作用上的关系。分析B组数据可知：①赤霉素处理组茎芽伸长量(6.5～2.5 cm)大于对照组茎芽伸长量(4.0～2.5 cm)，得出“赤霉素促进茎芽伸长生长”；同理得出②“生长素促进茎芽伸长生长”；③赤霉素和生长素联合处理组茎芽伸长量(13.0～2.5 cm)既大于赤霉素处理组，又大于生长素处理组，得出“赤霉素和生长素在对茎芽伸长生长的作用上存在协同的关系”。

2.1.2拮抗型

这类实验是自变量X和自变量U对因变量发挥相反的作用，如胰岛素和胰高血糖素对血糖含量的调节。

【例5】(2017年，全国卷Ⅰ，第3题)通常，叶片中叶绿素含量下降可作为其衰老的检测指标。为研究激素对叶片衰老的影响，将某植物离体叶片分组，并分别置于蒸馏水、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、CTK+ABA溶液中，再将各组置于光下，一段时间内叶片中叶绿素含量变化趋势如图3所示。据图判断，下列叙述错误的是 ( )

图3

A.细胞分裂素能延缓该植物离体叶片的衰老

B.本实验中CTK对该植物离体叶片的作用可被ABA削弱

C.可推测ABA组叶绿体中NADPH合成速率大于CTK组

D.可推测施用ABA能加速秋天银杏树的叶由绿变黄的过程

【分析】本题测评科学探究中的分析问题、得出结论和预测结果三个维度。考生根据实验数据(数学模型)可得出实验目的是“研究CTK和ABA对叶片衰老的影响”。根据单一变量原则，得出如下结论：①CTK具有减弱叶片衰老程度的作用；②ABA具有加大叶片衰老程度的作用；③CTK和ABA在调控离体叶片衰老上具有拮抗作用。CD选项考查考生应用必备知识“光合作用”和获得结论预测结果，在此不再赘述。

2.1.3共同型

这类实验是单独施加自变量X或自变量U对因变量无影响，只有同时施加自变量X和自变量U才对因变量有影响，如H+泵运输H+既需要ATP供能，又需要载体蛋白。

【例6】(2019年，全国卷Ⅱ，第3题)某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白，具有ATP水解酶活性，能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外)，置于暗中一段时间后，溶液的pH不变。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组，一组照射蓝光后溶液的pH明显降低；另一组先在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂(抑制ATP水解)，再用蓝光照射，溶液的pH不变。根据上述实验结果，下列推测不合理的是 ( )

A.H+-ATPase位于保卫细胞质膜上，蓝光能够引起细胞内的H+转运到细胞外

B.蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用导致H+逆浓度梯度跨膜运输

C.H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量可由蓝光直接提供

D.溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞

【分析】本题测评科学探究中的得出结论维度。由“悬浮有气孔保卫细胞的溶液在暗中pH不变，照射蓝光后溶液的pH明显降低”得出照射蓝光(自变量X)能促进保卫细胞中的H+进入外界溶液；由“在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂，再用蓝光照射，溶液的pH不变”，说明H+的跨膜转运需要保卫细胞的H+-ATPase完成，蓝光激活H+-ATPase；由“H+向外转运是逆浓度梯进行”和“H+-ATPase……ATP水解酶活性”，说明H+的跨膜转运需要的能量是由ATP(自变量U)提供的，而不是由蓝光直接提供的。综上分析得出H+-ATPase运输H+需要蓝光激活和ATP直接供能。

2.2中介变量型

中介变量作用的模型如图4。

图4

图中a、b、c含义是影响。若c=0，则称为完全中介；若c>0，则称为部分中介。

2.2.1完全中介

【例7】(2019年，全国卷Ⅰ，第29题节选)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。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。

【分析】本题测评科学探究中的设计实验和预测结果两个维度。考生通过实验目的“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”，可以得出：(1)干旱(自变量X)完全通过ABA(中介变量U)影响气孔开度(因变量Y)；(2)实验目的分解为2个子目的：①干旱条件下，气孔开度减小不是由缺水直接引起的；②干旱条件下，气孔开度减小是由ABA引起的。题目限定以该种植物的ABA缺失突变体植株为材料，因此子目的①的方案设计是ABA缺失突变体植株是否经干旱处理；子目的②的方案设计是ABA缺失突变体植株在干旱条件下，是否经ABA处理。中介变量模型如图5。

图5

2.2.2部分中介

【例8】(2019年，全国卷Ⅰ，第4题)动物受到惊吓刺激时，兴奋经过反射弧中的传出神经作用于肾上腺髓质，使其分泌肾上腺素；兴奋还通过传出神经作用于心脏。下列相关叙述错误的是 ( )

A.兴奋是以电信号的形式在神经纤维上传导的

B.惊吓刺激可以作用于视觉、听觉或触觉感受器

C.神经系统可直接调节、也可通过内分泌活动间接调节心脏活动

D.肾上腺素分泌增加会使动物警觉性提高、呼吸频率减慢、心率减慢

【分析】本题测评科学探究中的得出结论维度。考生获取信息可以构建心脏活动调节的模型：惊吓刺激动物感受器后，兴奋传递到①肾上腺髓质，其分泌的肾上腺素作用于心脏(神经-体液调节)；②心脏(神经调节)。中介变量模型如图6。

图6

科学探究素养的测评有助于发展学生的科学探究素养，有助于学生适应时代变革和支撑其长远发展关键能力的培育。“变量”分析不仅利于学生突破科学探究测评，提升科学探究和科学思维等学科核心素养；同时也可以为教师命制试题提供方向。