聚焦实验教学 例析易混概念

贾文俊

(陕西省宝鸡中学)

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》指出“通过探究性学习活动或完成工程学任务,加深对生物学概念的理解,提升应用知识的能力,培养创新精神,进而能用科学的观点、知识、思路和方法,探讨或解决现实生活中的某些问题”,可见概念教学在学科素养提升方面具有重要作用。概念学习中,学生面对跳跃性或模糊性的知识时容易出现思路偏差等错误。本文结合实践教学,对学生易出现“认知模糊”的实验概念进行分类例析。

1.自变量、因变量和无关变量

任何一个系统(或模型)都是由各种变量构成的,当分析这些系统(或模型)时,可以选择研究其中一些变量对另一些变量的影响,那么选择的这些变量就称为自变量(也称实验变量),而被影响的量就被称为因变量(也称反应变量)。简单的说自变量是指实验中由实验者所控制的因素或条件;因变量则指实验中由自变量引起的变化和结果。通常自变量是原因,因变量是结果。无关变量(也称控制变量),是指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件,他们对实验的因变量会产生影响或干扰,因此无关变量控制的原则是相同且适宜原则。

【例1】(2021·海南省·第19题)某课题组为了研究脱落酸(ABA)在植物抗旱中的作用,将刚萌发的玉米种子分成4组进行处理,一段时间后观察主根长度和侧根数量,实验处理方法及结果如图1所示。下列有关叙述正确的是

(C)

图1

A.与第1组相比,第2组结果说明干旱处理促进侧根生长

B.与第2组相比,第3组结果说明缺少ABA时主根生长加快

C.本实验中自变量为干旱和ABA合成抑制剂

D.设置第4组的目的是验证在干旱条件下ABA对主根生长有促进作用

【技巧点拨】①自变量的处理办法,“加”或“减”,如例1第3组实验添加ABA合成抑制剂就是使用了“加”的原理;二是“换”,对自变量无法“加”或“减”时,就可采用“换”的方法。②一般情况下,一组对照实验中自变量仅有一组,但有些实验自变量不止一组,如例1的自变量包括蒸馏水的有无(是否干旱)和是否添加ABA合成抑制剂。③因变量是自变量干涉的结果,一般具有可观测性、可测量性等,如例1的因变量包括主根长度和侧根数量两个方面。④实验步骤有多个变量时,通过拆分法,减少实验变量,遵循单一变量原则,构建多组单一变量实验,逐组进行分析,如例1的实验共四组,包含两个自变量,分析时可以拆分为三组:第1组和第2组,分析蒸馏水的有无产生的结果(干旱处理可以促进主根长度增加,但抑制侧根生长);第2组和第3组,分析是否添加ABA合成抑制剂产生的结果(缺少ABA时主根生长变慢);第2组、第3组和第4组,以第2组为对照组,分析添加ABA合成抑制剂后是否添加ABA产生的结果(ABA合成抑制剂可以减缓ABA在干旱条件下促进主根生长的作用)。⑤自变量、因变量和无关变量之间关系见图2。

图2

2.对照组和实验组

对照组和实验组可通过列表的方法进行比较。

表 实验组和对照组的比较

【例2】(2023·海南省·第14题)禾谷类种子萌发过程中,糊粉层细胞合成蛋白酶以降解其自身贮藏蛋白质,为幼苗生长提供营养。为探究赤霉素在某种禾谷类种子萌发过程中的作用,某团队设计并实施了A、B、C三组实验,结果如图3。下列有关叙述正确的是

(D)

图3

A.本实验中只有A组是对照组

B.赤霉素导致糊粉层细胞中贮藏蛋白质的降解速率下降

C.赤霉素合成抑制剂具有促进种子萌发的作用

D.三组实验中,蛋白酶活性由高到低依次为B组、A组、C组

【技巧点拨】①实验组和对照组的判定:生物体原有生存条件等因素未发生改变的就是对照组,生物体原有生存条件等因素被实验者进行改变或限制的则为实验组;运用加(减)法设计的实验,做了加(减)法处理的是实验组,没有做加(减)法处理的是对照组。②如何科学设计实验组和对照组:绝大多数实验题中都给出了材料、用具、试剂等信息,这些信息是实验组和对照组设计的关键,如例2中给出的试剂蒸馏水、赤霉素、赤霉素合成抑制剂,因此可设计施加蒸馏水、赤霉素、赤霉素合成抑制剂三组实验,若需要补充实验,则可在施加赤霉素合成抑制剂一段时间后再施加赤霉素。③实验探究中有多组实验时,在不同的对照系中实验组和对照组可能发生变化,如例2中A组、B组和C组比较时,A组为对照组,但与第1天、第5天、第9天比较时,时间为0的A组、B组和C组均为对照组,由此可见,实验中对照组往往不是单一固定的某一组实验。④在对比实验中没有单独设立的对照组,例如探究酵母菌呼吸方式的实验中有氧组和无氧组互为对照。

3.实验目的和实验原理

实验目的是实验所要达到的目标,是生物学实验的灵魂,其内容包含研究对象、实验现象(因变量)和作用于实验对象的因素(自变量)等。高中生物学实验的实验目的通常可以描述为“探究(验证)自变量对因变量的影响”或“探究(验证)自变量与因变量之间的关系”。实验原理是进行实验的理论依据,包括选择实验材料的依据、作出实验假设的依据、设置实验步骤的依据、分析现象结果的依据和确定观测指标的依据。一般实验原理的描述包括自变量和因变量的关系、因变量的观测指标和对实验过程的阐述。

【例3】(2023·天津市·第5题)下列生物实验探究中运用的原理,前后不一致的是

(B)

A.建立物理模型研究DNA结构——研究减数分裂染色体变化

B.运用同位素标记法研究卡尔文循环——研究酵母菌呼吸方式

C.运用减法原理研究遗传物质——研究抗生素对细菌选择作用

D.孟德尔用假说演绎法验证分离定律——摩尔根研究伴性遗传

【技巧点拨】①实验目的在题干信息中有明显的关键词,如“验证……” “探究……” “假设……” “……是否……” “判断……” “如何……”等,一般根据实验目的可直接判断出是验证性实验还是探究性实验。②确认实验目的时,先对自变量和因变量进行分析,再据题目信息、实验装置或实验现象、实验步骤等推理分析实验目的。③实验目的的书写与表达模式:“实验性质(探究或验证)+自变量对因变量的作用(影响或效果)”或“实验性质(探究或验证)+自变量与因变量的关系”。④实验原理一般来源于两种信息,一是来自教材及教材实验中的实验原理或有关的理论知识,如例3中B项卡尔文循环实验用到了同位素标记的研究方法、探究酵母菌呼吸方式时则用到了对比实验法;二是来自试题情境,此种来源在情境材料实验题中较常见。⑤对实验原理的考查高考中常见题型是依托实验原理对实验结果进行分析,如考查作用机制、判定依据、原因解释、实验思路设计等。

4.实验步骤和实验思路

实验步骤是详细的、可操作性较强的、实验过程(要求学生对实验的选材、分组、处理等均要写出具体要求及详细内容),而实验思路不需要写出具体可直接操作的步骤,只需要有一个大致的实验过程即可。实验思路一般用一句话表述为“用某方法处理某材料,观察其对某方面的影响效果”,描述实验思路的要点是答出自变量、因变量及实验对象,而不是具体可操作性的设计。在控制无关变量时,实验思路中只要提到“相同且适宜”即可,具体操作时不同的实验组可以采用不同的方法去控制。

【例4】(2021·福建省·第4题)生物科学史蕴含科学研究的思路和方法,下列科学史实验与结论不相符的叙述是

(D)

【技巧点拨】①实验步骤:一是选材、分组编号;二是控制变量、设置对照,不同的对象以不同的处理方式控制自变量;三是在适宜的条件下进行培养,控制无关变量;四是实验结果的观察与记录(即因变量的检测),归纳总结形成结论。②实验思路是较为粗线条的思考过程,要求言简意赅,书写时要体现对照思想,显示自变量和因变量,对无关变量的表述要注意是相同且适宜。③实验思路与实验步骤有一致性,都是为了实现实验目标设计的。解答时从实验目的分析中提取出自变量和因变量,进而设计出实验组和对照组,确定检测指标,并写出或补充实验思路或实验步骤。实验思路的书写备受近年高考命题者的青睐,如例4中对“科学史实验”的考查均涉及实验思路。

5.实验结果和实验结论

实验结果是指通过观察或测量得到的实验现象,是实验实际出现的情况。实验结论是根据对实验因变量与自变量关系的分析得出的具有普遍意义的理论性结论。实验结论的得出是建立在实验结果的基础之上,先观测记录实验结果,再对所观测记录的数据进行比较分析,综合推导得出。

【例5】(2022·湖南省·第18题节选)若下丘脑体温调节中枢损毁,机体体温不能维持稳定。已知药物A作用于下丘脑体温调节中枢调控体温。现获得A的结构类似物M,为探究M是否也具有解热作用并通过影响下丘脑体温调节中枢调控体温,将A、M分别用生理盐水溶解后,用发热家兔模型进行了以下实验,请完善实验方案并写出实验结论。

分组处理方式结果甲发热家兔模型+生理盐水发热乙发热家兔模型+A溶液退热丙发热家兔模型+M溶液退热丁A发热

①处理方式中A处处理为_____________________________________________________。

②由甲、乙、丙三组实验结果,得出结论__________________________________________________________________________________________________________。

③由甲、乙、丙、丁四组实验结果,得出结论__________________________________________________________________________________________________________。

【参考答案】①下丘脑破坏发热家兔模型+M溶液 ②M具有解热作用 ③M具有解热作用并通过影响下丘脑体温调节中枢调控体温

【技巧点拨】①实验结果是实验观察或测量的现象,如例5中甲、乙、丙、丁四组实验对应的实验结果分别是发热、退热、退热、发热。②实验结论归纳的一般思路:先是通过实验目的或步骤(根据单一因素不同)找出实验变量,将实验分为多个对照组,如例5中分了两种情况(甲、乙、丙三组;甲、乙、丙、丁四组);再由因找果,分析实验变量与结果间的逻辑关系,得出正确结论,如例5中甲、乙、丙三组实验的自变量是施加药品的种类,因变量为是否退热,结论表述模型为自变量对因变量产生影响,即M是有解热作用。再如例5中丙、丁组实验的自变量是模型兔的类型,因变量为是否退热,比较可形成结论“M是通过影响下丘脑体温调节中枢调控体温”;最后根据各对照组中得出的“分结论”综合为“全面结论”,即M具有解热作用,M的解热作用是通过影响下丘脑体温调节中枢实现的。③验证性实验的结果和结论是唯一的,不需要讨论。探究性实验结论需要讨论,一个结果对应一个结论,答题模型为“若……,则……”。④结论的叙述是实验目的或实验课题或实验假设语句的变形。如例5中,实验目的是“探究M是否也具有解热作用并通过影响下丘脑体温调节中枢调控体温”,则实验结论对应为“若丙组兔退热、丁组兔发热,则说明M具有解热作用并通过影响下丘脑体温调节中枢调控体温;若丙组兔退热、丁组兔退热,则说明 M具有解热作用,但并不是通过影响下丘脑体温调节中枢调控体温”。

概念教学是高中生物教学的一个重要环节,能在学生认知能力和认知规律的基础上有效帮助学生深度理解概念内涵和相关概念本质的区别,加深学生对生物学概念的理解、养成科学思维的习惯、形成积极的科学态度发展终身学习及创新实践能力提升均具有积极意义。