实验设计题中变量分析法的精准突破

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出生命观念、科学思维、科学探究、社会责任生物学学科核心素养，将实验与探究能力的培养提升到一个新高度。近年的生物学高考中，对实验与探究能力的考查主要涉及实验思路、预期结果和结论得出等维度，能够真实反映出学生分析问题和解决问题能力所达到的水平。笔者结合生物学考试大纲“实验和探究能力”具体要求，总结出用变量分析法对实验设计题进行精准突破。

1变量分析法

实验中的变量是指可被操纵的特定因素或条件，主要包括自变量、因变量和无关变量三种。自变量也称实验变量，是指实验中实验者所操纵的因素或条件。因变量也称反应变量，指实验中由实验变量所引起的变化结果。通常自变量是原因，因变量是结果，两者之间具有必然的因果关系。无关变量是指除自变量外，实验过程中可能还会存在的一些对实验结果造成影响的因素。在解答实验设计题时，运用变量分析法往往可以快而准地解题。下面结合近年全国卷理综生物学试题中部分实验设计题进行分析举隅。

2用变量分析法精准突破实验设计题

2.1基于限定条件的精准突破

【例1】（2019•全国理综卷I•29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，回答下列问题。（3）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。解题思路：从要验证的结论“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”可看出，该题既要验证气孔开度减小不是缺水引起的，又要验证是由ABA引起的。因此，实验的自变量有缺水和ABA；因变量为植株气孔开度。同时，题干中提示“请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料”。所以，实验设计中不能涉及正常植株作为对照。基于上述分析，可将实验设计为两组对照实验，见表1。依据上述分析，在解答本题时，首先基于题干要求的实验材料这个限定条件，选对实验材料，然后再根据所要验证的结论准确确定自变量、认清因变量的观测，从而实现解题的精准突破。教材原型是人教版高中生物必修1的36页中技能训练。设计实验，证明某一种或某几种无机盐是这种植物生长发育所必需的。实验的设计思路是先将植物置于缺某种无机盐的完全培养液，出现某种症状后，再加入该种无机盐，相应症状消失，则可确定该无机盐是这种植株生长发育所必需的。

2.2基于变量分析的精准突破

【例2】（2019•全国理综卷Ⅲ•29节选）氮元素是植物生长的必需元素，合理施用氮肥可提高农作物的产量。回答下列问题。（2）农作物吸收氮元素的主要形式有铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）。已知作物甲对同一种营养液（以硝酸铵为唯一氮源）中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性（NH4+和NO3-同时存在时，对一种离子的吸收量大于另一种）。请设计实验对这种偏好性进行验证，要求简要写出实验思路、预期结果和结论。解题思路：依据作物甲对硝酸铵中NH4+和NO3-的吸收具有偏好性，可作出判断，本实验的目的是验证作物甲对哪一种离子的吸收具有偏好性。因此，可确定自变量是作物甲对哪一种离子的吸收具有偏好性，进而可推导出因变量为培养液中NH4+和NO3-的剩余量。通过比较NH4+和NO3-的剩余量，而得出作物甲NH4+和NO3-的吸收具有偏好性。教材原型为人教版高中生物必修1的63页中资料分析——物质跨膜运输的特点。用相同的培养液培养番茄和水稻，一段时间后，培养液中Ca2+和Mg2+为什么会增高？从变量分析法角度分析，自变量是植物的种类，因变量是植物对矿质离子的吸收情况，通过检测培养液中离子浓度来衡量。

2.3抓住自变量的精准突破

【例3】（2017•全国理综卷I•29）根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型，有些病毒对人类健康会造成很大危害，通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，简要写出（1）实验思路，（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）解题思路：依据题干信息“放射性同位素标记”“假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换”，即可确定甲、乙两组的自变量为放射性同位素标记的差异性碱基（一组标记胸腺嘧啶，一组标记尿嘧啶）。再根据“体外培养的宿主细胞”，并联系教材T2噬菌体侵染大肠杆菌的相关知识，可确定因变量的观测指标为子代病毒的放射性情况。教材原型为人教版高中生物必修2的44～45页中噬菌体侵染细菌的实验。先分别用35S标记噬菌体的蛋白质，用32P标记DNA，然后与细菌混合培养，最后检测上清液和沉淀物中的放射性强度。

3反思

通过上述分析，可以看出高考生物学试题对探究实验的考查是多角度、多维度的。实验设计的考查都不离开实验变量的分析。教师以实验变量分析为抓手，往往能使考生快速打开解题之门，还能提高答题准确率。因此，厘清实验题中隐含的自变量和因变量及无关变量对解题有很大的帮助。当然，以上方法只是实验分析的敲门砖，对于具体的实验设计，往往还会涉及到变量控制等方法。

参考文献：

［1］张秀球.“控制变量法”与高考化学试题命制［J］.中国考试，2013，（9）：48-56.

［2］李进京.例谈生物实验中变量的确定与应用［J］.新高考（高三理化生），2014，（5/6）：82-85.

［3］罗惠峰.例析变量分析法在解答高考生物学实验题中的应用［J］.生物学教学，2018，（8）：74-75.

作者：罗惠峰 单位：广东省江门市棠下中学