實驗設計題中變量分析法的精準突破
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《普通高中生物學課程標準（2017年版）》提出生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任生物學學科核心素養，將實驗與探究能力的培養提升到一個新高度。近年的生物學高考中，對實驗與探究能力的考查主要涉及實驗思路、預期結果和結論得出等維度，能夠真實反映出學生分析問題和解決問題能力所達到的水平。筆者結合生物學考試大綱“實驗和探究能力”具體要求，總結出用變量分析法對實驗設計題進行精準突破。
1變量分析法
實驗中的變量是指可被操縱的特定因素或條件，主要包括自變量、因變量和無關變量三種。自變量也稱實驗變量，是指實驗中實驗者所操縱的因素或條件。因變量也稱反應變量，指實驗中由實驗變量所引起的變化結果。通常自變量是原因，因變量是結果，兩者之間具有必然的因果關系。無關變量是指除自變量外，實驗過程中可能還會存在的一些對實驗結果造成影響的因素。在解答實驗設計題時，運用變量分析法往往可以快而準地解題。下面結合近年全國卷理綜生物學試題中部分實驗設計題進行分析舉隅。
2.1基于限定條件的精準突破
【例1】（2019•全國理綜卷I•29節選）將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理，該植物根細胞中溶質濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開度減小，回答下列問題。（3）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。請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設計實驗來驗證這一結論。要求簡要寫出實驗思路和預期結果。解題思路：從要驗證的結論“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”可看出，該題既要驗證氣孔開度減小不是缺水引起的，又要驗證是由ABA引起的。因此，實驗的自變量有缺水和ABA；因變量為植株氣孔開度。同時，題干中提示“請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料”。所以，實驗設計中不能涉及正常植株作為對照。基于上述分析，可將實驗設計為兩組對照實驗，見表1。依據上述分析，在解答本題時，首先基于題干要求的實驗材料這個限定條件，選對實驗材料，然后再根據所要驗證的結論準確確定自變量、認清因變量的觀測，從而實現解題的精準突破。教材原型是人教版高中生物必修1的36頁中技能訓練。設計實驗，證明某一種或某幾種無機鹽是這種植物生長發育所必需的。實驗的設計思路是先將植物置于缺某種無機鹽的完全培養液，出現某種癥狀后，再加入該種無機鹽，相應癥狀消失，則可確定該無機鹽是這種植株生長發育所必需的。
2.2基于變量分析的精準突破
【例2】（2019•全國理綜卷Ⅲ•29節選）氮元素是植物生長的必需元素，合理施用氮肥可提高農作物的產量。回答下列問題。（2）農作物吸收氮元素的主要形式有銨態氮（NH4+）和硝態氮（NO3-）。已知作物甲對同一種營養液（以硝酸銨為唯一氮源）中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性（NH4+和NO3-同時存在時，對一種離子的吸收量大于另一種）。請設計實驗對這種偏好性進行驗證，要求簡要寫出實驗思路、預期結果和結論。解題思路：依據作物甲對硝酸銨中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性，可作出判斷，本實驗的目的是驗證作物甲對哪一種離子的吸收具有偏好性。因此，可確定自變量是作物甲對哪一種離子的吸收具有偏好性，進而可推導出因變量為培養液中NH4+和NO3-的剩余量。通過比較NH4+和NO3-的剩余量，而得出作物甲NH4+和NO3-的吸收具有偏好性。教材原型為人教版高中生物必修1的63頁中資料分析——物質跨膜運輸的特點。用相同的培養液培養番茄和水稻，一段時間后，培養液中Ca2+和Mg2+為什么會增高？從變量分析法角度分析，自變量是植物的種類，因變量是植物對礦質離子的吸收情況，通過檢測培養液中離子濃度來衡量。
2.3抓住自變量的精準突破
【例3】（2017•全國理綜卷I•29）根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型，有些病毒對人類健康會造成很大危害，通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型，簡要寫出（1）實驗思路，（2）預期實驗結果及結論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組）解題思路：依據題干信息“放射性同位素標記”“假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換”，即可確定甲、乙兩組的自變量為放射性同位素標記的差異性堿基（一組標記胸腺嘧啶，一組標記尿嘧啶）。再根據“體外培養的宿主細胞”，并聯系教材T2噬菌體侵染大腸桿菌的相關知識，可確定因變量的觀測指標為子代病毒的放射性情況。教材原型為人教版高中生物必修2的44～45頁中噬菌體侵染細菌的實驗。先分別用35S標記噬菌體的蛋白質，用32P標記DNA，然后與細菌混合培養，最后檢測上清液和沉淀物中的放射性強度。
3反思
通過上述分析，可以看出高考生物學試題對探究實驗的考查是多角度、多維度的。實驗設計的考查都不離開實驗變量的分析。教師以實驗變量分析為抓手，往往能使考生快速打開解題之門，還能提高答題準確率。因此，厘清實驗題中隱含的自變量和因變量及無關變量對解題有很大的幫助。當然，以上方法只是實驗分析的敲門磚，對于具體的實驗設計，往往還會涉及到變量控制等方法。
參考文獻：
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［3］羅惠峰.例析變量分析法在解答高考生物學實驗題中的應用［J］.生物學教學，2018，（8）：74-75.
作者：羅惠峰 單位：廣東省江門市棠下中學