单因子变量在解决生物学探究类实验题中的应用

孟春燕

(上海市同济大学第二附属中学 上海 200060)

在高中生物学教学中，学生对于探究类实验的分析和理解一直比较难以把握，实验原则都很清楚，可是碰到具体题目特别是结合图、表、曲线之类的题目就会答非所问或回答不准确或缺乏科学性。上海高考改革两年以来，考核知识点的难度有所降低，但题型却愈加灵活，也更加注重学生运用所学生物学知识解决实际问题的能力。对探究类实验的理解和掌握就可以很好地体现学生学科核心素养里的科学思维素养和科学探究素养水平。探究实验的题目在近两年各区一模、二模考试中均有出现，而且题型多样，但都需要学生从题目提供的背景资料或图标数据中获取信息，分析现象或回答问题。

应对探究类实验的题目，关键是对实验原则的灵活运用。而这些实验原则中，又以单因子变量原则最为基础和核心。在每个实验中，首先要确定单因子变量。单因子变量就是实验变量(自变量)，是一种假定为原因的变量，是由实验者主动操纵的给定的因素或条件，通过它的变化来引起其他变量发生变化[1]。由实验变量引起的变化和结果通常称为反应变量(因变量)，是能够具体测量的指标或能直观观察到的现象，也是在题目中经常要分析和解释的部分。在确定了单因子变量后，可以加以灵活运用，以提高解题的准确性和科学性。如何利用单因子变量抓住解题的关键所在，笔者通过这两年上海各区一模卷和二模卷中出现的几道具体实例来进一步理解和分析。

1 确定题目中的多重单因子变量

这两年出现的探究类实验相关的题目已经愈加灵活和接近实际生活，重点考查学生解决实际问题的能力，题目常以曲线图示或表格形式呈现，且经常出现不只一个单因子变量，题目均要求对结论进行预估和评判，写出合理和不足之处。这类题目重点考查学生灵活运用解决问题的能力，具有一定的难度。

例1 (上海2018年闵行区一模卷第43题)研究人员以东北地区玉米为研究对象，以390 μmol/mol的大气CO2浓度和自然降水条件为对照组(即C390+W0组)，分别研究CO2浓度升高至550 μmol/mol(即C550+W0组)和降水增加15%(即C390+W15组)对玉米净光合速率(即光合作用合成有机物的速率减去呼吸作用消耗有机物的速率)的影响，结果如图。有资料显示，未来东北地区将受到大气CO2浓度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%的共同影响，某同学根据图中数据判断这两种因素的共同作用将在更大程度上促进玉米的产量提高。写出该判断的合理和不足，并修正不足之处。

参考答案： 据图显示这两种因素单独作用都在一定的光照强度下能提高净光合速率。所以，它们单独作用都能促进玉米有机物的积累(1分)，从而促进产量的提高。据此可以预估两个因素共同作用可以更好地提高玉米产量(1分)。但是作为判断得出的结论，还缺乏数据支持(1分)，应增设“C550+W15”(即CO2浓度为550 μmol/mol和降水增加15%)的组(1分)，进行实验，再对结果作分析和判断。

解析： 首先从图中可以看出实验分为三组，单因子变量是大气CO2浓度和降水量。如果学生会确定单因子变量，则根据C550+W0组和C390+W0组的对照及C390+W15组和C390+W0组对照看出“大气CO2浓度升高至550 μmol/mol和降水量增加15%”单独作用都能促进玉米有机物的积累，据此可以预估两个因素共同作用有可能更好提高产量。这就是题目中结论判断的合理之处。但是实验总共只有三组，缺少两个因素共同作用的实验组，如果学生能看出这一点就可以分析出结论判断的不足之处并顺利提出修改建议： 应增设C550+W15组(即CO2浓度为550 μmol/mol和降水增加15%)进行实验。表达科学、完整、逻辑性强这道4分题的回答才算完美。

例2 (上海2018年浦东新区二模卷第44题)番茄营养丰富，栽培广泛。为提高温室番茄产量，研究补光时长和补光光质对番茄净光合速率Pn(即光合作用合成有机物的速率减去呼吸作用消耗有机物的速率)的影响，结果如图。为提高温室番茄产量，某研究者据图分析，认为“每日补照4 h红蓝复合光”为最佳补光方案，写出该方案的合理与局限之处。

参考答案： ①合理： 由图中数据可知，每日补照4 h红蓝复合光的净光合速率最大，番茄积累的有机物最多。②局限： 本实验没有补光时间大于4 h的数据，因此无法获知每日补光4 h是否最佳，其次无法获知红蓝复合光中红光和蓝光的不同比例是否也会影响净光合速率。

解析： 这道题的单因子变量(即实验变量)有两个： 时间和光质。根据单一变量原则，在相同时间里红蓝复合光的净光合速率最大，相同光质比较则4 h光照下光合速率大，可以确定4 h和红蓝复合光两个因素影响下番茄积累的有机物最多，这也就是该方案的合理之处。但该方案前出现了“最佳”这个词，本实验没有补光时间大于4 h小时的数据，如果学生没有关注或思考图下那句注解，也不会想到红蓝复合光中红光和蓝光其他比例是否会提高净光合速率，所以由于图中获取的实验变量信息过少，不能确定4 h和红蓝复合光的组合就一定是最佳方案。

上面两道题虽然已不是传统意义上的实验设计题，但单因子变量在解题中的应用还是比较明显的，学生通过对单因子变量的确定和思考，可以初步掌握解题的思路。

2 挖掘题目中隐含的单因子变量

近两年上海模拟考或等级考中的有些题目看似和单因子变量没什么关系，但是如果没有很好地确定单因子变量，则答题的方向和结论都会出现偏差。

例3 (上海2018年杨浦区二模考第32题)植物的节律时钟控制很多生理过程，如向性生长和光合作用等。为了探究节律时钟对光合作用的影响，科学家构建了TOC和ZTL两种拟南芥突变株(两者的节律时钟周期分别为20和28小时，昼夜时长为1∶1)，并测定两者在不同条件下(T20和T28)光合作用相关指标。其中T20和T28表示室内控制光照/黑暗循环周期分别为20和28小时(光照与黑暗时长为1∶1)。测定结果如图所示。根据图分析实验数据并得出结论。

参考答案： 当拟南芥体内的节律时钟和外界的光照/黑暗循环周期相吻合时，植物体内叶绿素的含量较高，这有利于光合作用的进行，进而增加植物的干重。

解析： 题目中有一题要求学生据图分析实验数据并得出结论，没有任何提示。学生在答题前首先应该分析图中显示了哪些实验数据，这些实验数据的关系是什么。从图中可以看出突变株有两种： 节律时钟周期分别为20 h和28 h的TOC突变株和ZTL突变株；环境控制光照/黑暗循环周期也有两组，分别为20 h和28 h。这些彼此对照的变量就是实验中的自变量。图中两侧纵坐标显示的叶绿素含量和植株干重就是随着自变量改变产生不同结果的因变量。清楚了图中各因素的因果关系才可以根据自变量的改变描述表达因变量的变化，进而得出实验结论。而从前面的分析中可以看出实验的变量有两个，图中怎么分组成了答题关键。有不少学生将上下两组分别进行比较，这样实验中就有两个变量： 突变株种类和环境循环周期，那自然得不出正确的结论。如果掌握了单一变量原则就发现应该将左右两组进行比较，即在同一环境循环周期里看两种突变株光合作用的情况，进而发现当植物的节律时钟和环境光照/黑暗循环周期一致时，植物的叶绿素含量会比较高，有利于光合作用的进行，也就解释了为什么一致时植物的干重含量也比较高。答案自然就出来了。

3 小结

不管在实际探究类实验过程中还是解决与实验有关的理论问题中，理解并掌握实验原则是关键。探究类实验要求学生能灵活运用已学过的自然科学理论，设计简单的实验方案，理解探究实验的一般方法，并能对实验结果进行预估和评判，其目的是培养学生对实验的理解分析、归纳总结能力和解决实际问题的能力，对学生核心素养水平的提高有很大的促进作用。教师应该发挥好引导作用，帮助学生合理运用，如果有条件，可以带着学生做一些探究性的实验课题，在实践中更容易加深理解。