剖析典型多因子实验，培养实验设计分析能力，本文主要内容关键词为：因子论文,典型论文,能力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
《普通高中生物课程标准》中针对学生实验能力要求提出：初步学会生物科学探究的一般方法，具有较强的生物学实验的基本操作技能、搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力。也就是要求学生能使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并对结果进行解释和分析[1]，包括两个方面的内容：一是能够设计简单的实验，验证简单的生物学事实；二是能对实验现象、实验结果作出正确的解释和分析[2]。通过采用恰当的教学方法组织开展探究性实验来培养学生思维能力是新课程改革的特色之一。整个高中阶段的实验除研究性课题外实验设计的考查对学生的能力要求最高，除要具备一定的知识基础外，还需要具有一定的创造能力。通过考查学生对实验原理、实验数据、实验现象和实验结论等内容的分析、归纳和总结，来考查理解能力、分析能力、综合能力、收集处理信息能力、逻辑思维能力、语言文字表达能力等综合素质[3]。典型的能力要求较高的多因子实验题的剖析对学生设计实验能力的提高有很大的帮助，能促进科学思维的形成和发展。
一般的实验设计中，要遵循单因子变量原则，即在实验设计中，要保证处理实验对象的自变量只有1个，而其他无关变量都应当始终保持相同，这样的实验称为单因子实验。如：为了证明土壤中的微生物能分解农药，必须将土壤分为2等份，装入两个大小相同的容器，一个高温灭菌，一个不做处理，造成一个容器中的土壤中无生活的微生物，一个容器中的土壤中有生活的微生物。然后进行实验，才能说明问题，这就是设置对照原则。在进行此实验时，让两个容器中的土壤在一切其他条件都相同的情况下进行实验，唯独不同的只是一个容器中的土壤中有微生物，一个容器中的土壤中无微生物，有无微生物就成了这一实验的单因子变量。这就是单因子变量原则。在有些实验中，人们也可以同时考察两个或多个自变量对实验对象的影响，这样的实验称为多因子实验。多因子实验都是以单因子实验为基础的，实际上一个多因子实验包含着一系列单因子实验。在多因子实验的实验设计中，往往有多个实验组，有的实验组是探究这个自变量的，有的实验组是探究那个自变量的。在实验结果中，先对实验结果中由某一自变量引起的结果分析，再逐个对其他自变量引起的结果分析，最后对多个自变量引起的结果进行综合分析[4]。例如：高中生物学《分子与细胞》中“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中，设置4只盛有过氧化氢溶液的试管，1号试管放在常温下、2号试管放在90℃高温下；3号试管中放入过氧化氢酶、4号试管放人氯化铁溶液。这是一个双因子实验，但这个实验可以分为2个单因子实验，即1号和2号是探究温度这个自变量的实验，3号和4号是探究催化剂这个自变量的实验。分析两个单因子实验的结果，可以得出一个综合的双因子实验的结论。下面从实验设计和实验结果分析两个方面来剖析，探究如何帮助学生提高实验的分析能力、设计实验能力？
一、分别设计，有机组合
多因子实验的设计要将多个自变量分开，分成多个单因子实验单独设计，然后再进行有机组合，这样难度会明显降低、思路会更清晰。以下以一道两个实验变量的实验设计题来说明。
酵母菌在氧气充足条件下不能进行酒精发酵，有学生认为是氧气抑制了酵母菌无氧呼吸，也有学生认为是有氧呼吸产生的ATP抑制了酵母菌无氧呼吸。请设计实验探究酵母菌在氧气充足条件下不能进行无氧呼吸的原因。
供选的实验试剂和用品：
锥形瓶、酵母菌细胞（试剂1）、质量分数5%的葡萄糖溶液、酵母菌破碎后经离心处理得到的只含有酵母菌细胞质基质的上清液（试剂2）和只含有酵母菌细胞器的沉淀物（试剂3）、ATP溶液、蒸馏水、橡皮管夹若干、其他常用器材和试剂。完成下列实验步骤：
（1）取锥形瓶等连接成如下装置3套，依次编号为A、B、C 3组。1号瓶锥形瓶中都加质量分数为10%的NaOH溶液，3号锥形瓶瓶中都加澄清的石灰水。
（2）A组的锥形瓶2中加入________B组的锥形瓶2中加入________，C组的锥形瓶2中加入________。
（3）A、B、C 3组装置均先持续通入氮气5 min，去除锥形瓶中的氧气，再将A、B、C 3组装置分别作如下处理：
A组________________，
B组________________，
C组________________。
（4）将3套装置放在温度适宜（25%～35%）的相同条件下培养相同时间（8～10h）。
（5）观察________，判断是否进行无氧呼吸。
预期实验结果并得出相应结论：
①________________
②________________
③________________
④________________。
本题是一道难度系数较高的多因子实验的设计补充题，学生要分别在3种试剂，ATP溶液、蒸馏水，充空气、充氮气3种要素同时作出选择，交叉结果有12种组合，很复杂，在短时间内思绪很难迅速理清，容易顾此失彼。但如果先将两个自变量分开形成两个独立的实验，单独设计，单独分析。难度系数毫无疑问地明显降低。
一是探究酵母菌在氧气充足条件下氧气是否能抑制酵母菌无氧呼吸，此时自变量为氧气的有无，应以酵母菌在无氧气（充氮气）的正常无氧呼吸条件的作对照组，而以氧气充足条件下（充氧气）的其他条件都相同的作实验组，由于正常无氧呼吸的场所是细胞质基质不需要线粒体，故选择只含有酵母菌细胞质基质的上清液（试剂2），而不宜选择酵母菌细胞（试剂1），以排除有氧条件下线粒体中有氧呼吸产生
出现浑浊现象的干扰，思路如下：
二是探究酵母菌有氧呼吸产生的ATP是否抑制了酵母菌无氧呼吸。此时自变量为ATP有无，此时也以酵母菌在无氧气（充氮气）、不加ATP溶液加蒸馏水的正常无氧呼吸组作对照组，而以无氧气（充氮气）、加ATP溶液其他条件都相同的作实验组，由于与线粒体无关仍选择只含有酵母菌细胞质基质的上清液（试剂2）。思路如下：
在________处只能补填蒸馏水，根据等量对照原则、无关变量的相同且适宜等注意点，组织答案：
（2）10 mL的试剂2 mL、10 mL质量分数5%的葡萄糖溶液、2 mL蒸馏水，10 mL的试剂2 mL、10mL质量分数5%的葡萄糖溶液、2 mL蒸馏水，10mL的试剂2 mL、10 mL质量分数5%的葡萄糖溶液、2 mL ATP溶液。
（3）持续通入氧气 持续通入氮气 持续通入氮气
（5）3组实验锥形瓶3中溶液是否变浑浊。
预期实验结果并得出相应结论：
①若A组、B组变浑浊，C组不变浑浊，则酵母菌无氧呼吸不受氧气抑制，受ATP抑制。
②若B组、C组变浑浊，A组不变浑浊，则酵母菌无氧呼吸受氧气抑制，不受ATP抑制。
③若B组变浑浊，A组、C组不变浑浊，则酵母菌无氧呼吸既受氧气抑制，也受ATP抑制。
④若A组、B组、C组均变浑浊，则酵母菌无氧呼吸不受氧气抑制，也不受ATP抑制。
若复杂的多因子实验都能这样由繁化简地分析，难度会明显降低、思路更清晰、设计也就更加严谨，学生设计能力自然会不断提高。
二、排除干扰，单独分析
在对多因子变量实验的结果分析时，找出保持其他因素不变且均相同，只有一种因素不同的组合。看作单因子对照实验来分析，单独观察该种因素的变化对实验结果的影响，这样排除干扰、思路清晰、分析结果才会更准确。
下面以两道多因子实验的结果分析为例来说明。
例1：为研究促甲状腺激素（TSH）分泌的影响因素，研究者从刚宰杀的大白鼠体内分离新鲜的下丘脑和脑垂体。把这些结构单独或一起培养于含有或不含有甲状腺激素的培养基中。培养一段时间后测定培养基内TSH的浓度，结果如图：
（1）在上述实验中设置A瓶的目的是________。
（2）从上述实验中可以得出哪些结论？________
（3）如果研究者想进一步研究在活体实验条件下，甲状腺激素含量对TSH分泌的影响，应如何设计实验？（提供实验大白鼠、甲状腺激素、注射器及其他必需的材料和器具）
剖析1：该题共5组实验。除A瓶明显地看出作为对照，其他4组的自变量均不相同，分析入手很困难，难度系数较高，但如果将存在着的多个自变量分开看成多个单因子变量实验来分析，难度显然会明显降低，单因子对照实验组合可以有：A瓶与B瓶、A瓶与C瓶、C瓶与D瓶、C瓶与E瓶、B瓶与E瓶等。A瓶只有培养液为空白对照，目的是排除培养基对实验结果的干扰。B瓶、C瓶分别以A瓶为对照得出结论：下丘脑不能分泌TSH；垂体能分泌TSH。D瓶、E瓶分别以C瓶为对照得出结论：甲状腺激素能够抑制垂体分泌TSH；下丘脑对垂体分泌TSH有促进作用。
剖析2：利用活体进行实验探究甲状腺激素含量对TSH分泌的影响。这是一个单因子变量实验的设计，思路是只有是否注射甲状腺激素这一变量不同之外，要保证其他条件相同且适宜。因此这样组织答案：①挑生长发育状况相同、性别相同的实验大白鼠10只随机分成2组，编号为A、B两组；②A组注射生理盐水，饲喂正常食物，B组注射等量的甲状腺激素，饲喂等量的正常食物，其余条件相同且适宜；③一段时间后，分别抽取两组动物同部位等量的血液检测TSH的含量，分析结果、得出结论。
例2：为研究酵母菌种群密度的动态变化。某学生按下表所列条件进行了A、B、C和D共4组实验，用1000 mL锥形瓶作为培养器皿，棉塞封口，在25℃下静置培养，其他实验条件均相同，定时用血球计数板计数。根据实验结果绘出的酵母菌种群密度变化曲线图（见下页），请分析回答以下问题：
（1）图中曲线①、②和③分别是________组、________组和________组的结果。
（2）B组和A组的实验结果不同的原因是B组________。
（3）D组和B组的实验结果不同的原因是D组________。
剖析1：该题是2008年高考江苏卷31题的部分内容，难度系数很高，本题考查图文信息的转换能力以及根据所给信息进行分析、判断和处理问题的能力。该实验的自变量有葡萄糖浓度的高低、培养液体积的多少（与空气接触面积的大小即氧气的多少），可看成多组单因子对照实验：A组、B组之间及C组、D组之间（自变量为氧气），A组、C组之间及B组、D组之间（自变量为葡萄糖浓度）。单位体积中的营养成分少，生长繁殖慢，反之则快。培养液体积大，与空气相对接触面积较小，氧气较少、生长繁殖慢，反之则快。
剖析2：图中曲线开始是重合的，原因是养料和氧气都不影响繁殖，都未成为限制因子，后来发生两条变化，养料和氧气中哪个因子先成为限制因子呢？一方面从曲线的峰值细胞密度的最大值主要决定于营养物质的多少。氧气含量的多少会影响细胞代谢的速率，影响能量的利用率，对细胞密度的最大值影响相对小。另一方面在1000 mL锥形瓶装入实验组800 mL培养液、对照组培养液为200 mL，也就是分别各有200 mL和800 mL的空间，再没有通入氧气，200 mL空间中的氧气很快被消耗，所以细胞密度2、4（氧气多）和1、3（氧气少），2、4（氧气多）分别对应表格中A组（营养多）、C组（营养少）。同理1、3对应表格中的B组（营养多）、D组（营养少）。
A组、B组之间单独形成对照。营养供应相同，氧气供应不同，B组和A组的实验结果不同的原因是B组培养液较多，与空气接触面积较小，故供氧较少。B组、D组之间单独形成对照氧气供应相同，营养供应不同，D组和B组的实验结果不同的原因是D组葡萄糖浓度较低，故营养物供应较少。
剖析典型的能力要求较高的多因子实验，让学生在理解实验设计思想的基础上，学习如何选取实验材料、如何控制实验条件、如何科学地设置对照、如何深入分析实验结果，逐渐能举一反三，学会分析，学会设计实验，实验的科学性严谨性都会不断地提高。教师应精心创设更多机会，让学生在新的情境下运用所学的方法、技巧，去解决新问题，同时引导学生对实验方法进行归纳、总结，达到逐渐提高实验设计和实验分析能力的目的。