多变量试验设计归类探讨.doc

2011文件编号：10037586(2011)06005103多变量实验设计归类探析刘 姣 (浙江省温州市龙湾中学 浙江温州 325024)摘 要针对几种常见的多变量实验设计补充题分类探讨，通过对含有多个变量的典型实验例题的剖析，找到此类题目的规律，由此归纳出解题的一般方法，给学生提供一个相对固定的模式，提高解题方法的可操作性，降低解答时的难度。关键词 实验设计题型分析生物学教学中图分类号G63391 文献标识码B近年来的生物学高考中，实验设计补充题已成为一种重要题型。根据题目给定的器材及提出的实验目的，设计或补全实验步骤。实验设计补充题侧重考查学生的实验能力、思维能力和创新能力等各方面的能力以及进行科学实验的思想和方法，能较好地体现当前教学改革特别是考试改革的要求，因此是一类很好的题型。在多种类型的实验设计补充题型中，多变量实验补充完善题出现的频率较高。所谓多变量是指在一个实验中同时存在两个或两个以上变量，且都能对实验结果和结论造成影响，而且根据已给的实验步骤，很难理清每一个变量与实验结果的对应关系，这时需要将多余变量进行灵活的处理：平衡、拆分、转化等，使其他几个因素不变，集中研究一个变量对实验结果的影响，力求做到一个变量对应一个反应结果，即通常所说的单一变量思想。以下针对不同的多变量实验进行分类探讨，实验的具体情况不同，处理方法也不相同，试举几例抛砖引玉。1 当已给实验步骤有多个自变量时。通过平衡法，减少实验变量，遵循单一变量原则，构建多组实验【例1】(2009年辽宁五校联考)去除鼠的甲状腺，10 d后进行测试，与未去除甲状腺的鼠相比较，物质代谢低下，而且在血液中无法检出甲状腺激素。若在摘除术后第三日开始注射用溶剂溶解的甲状腺激素连续5 d，10 d后物质代谢低下症状消失。由此推断甲状腺激素使物质代谢率提高。为证明以上推论，还需要进行若干对照实验进行比较。同时还应进行的实验处理是( )A摘除术后第三天开始，只注射前述实验用的溶解剂B从术后就开始注射与上述实验不同的溶剂溶解的甲状腺激素C不去除甲状腺 不注射甲状腺激素的对照组D注射甲状腺激素，切除甲状腺后第3 Et移植甲状腺分析：任何一个完整的科学实验都有实验目的，这是实验的关键所在、灵魂所在。因为这个实验的其余部分都是为了达到实验目的、完成这个任务而存在的。所以在做实验设计题中，首先找出该实验的实验目的。从题干可以看出，此题的实验目的是验证甲状腺激素具有提高物质代谢率的作用。对动物进行甲状腺激素等药物注射时，一般情况下是先将甲状腺激素溶解在某溶剂(如生理盐水)中，用甲状腺激素溶液处理实验动物，但这样操作的缺陷在于当实验动物出现物质代谢率提高时，很难说清是甲状腺激素的作用还是某溶剂的作用，究其原因在于处理的实验组与正常情况下的对照组相比，存在两个变量：甲状腺激素和某溶剂。实验设计应遵循单一变量原则，如何使两个变量变成为一个变量呢?继续审题，不难发现，这个实验为了验证甲状腺激素的作用，再设置单纯注射某溶剂的一组实验，平衡某溶剂的影响就行了。两组实验对比，某溶剂在整个实验中被控制而成为无关变量，那么能引起实验现象出现差异的变量就只剩甲状腺激素这一个了。预期结果是：单纯注射某溶剂的去甲状腺鼠，代谢率没有提高，而注射溶剂溶解的甲状腺激素的去甲状腺鼠，代谢率提高。对比得出结论：代谢率提高确实是甲状腺激素在起作用，这是一道通过平衡变量的方法将多变量转化为单一变量的实例。答案：A。总结：此类实验的实验目的可概括为：验证介质A中的物质B具有一定的生理作用C，即A(B) C。实验通常分2组进行，实验设计模式如下：实验组：A(B)一有C结果；对照组：A 无C结果。2 当已给实验步骤有多个自变量时。通过拆分法，减少实验变量，遵循单一变量原则。构建多组实验【例2】(2009年宁波联考)1937年，植物生理学家希尔发现，将叶绿体分离后置于试管中，假若在试管中加入适当的“氢受体”，如二氯酚吲哚酚(简称DCPIP)，那么照光后便会使水分解并放出氧气，这个反应被称为“希尔反应”。反应的过程如下(注：DCPIP是一种可以接受氢的化合物，在氧化态时是蓝色，在还原态时是无色)。DCPIP(蓝色)+H20 光、叶绿体 DCPIP rt2(无色)+1202为了验证光合作用所需的条件，现提供如下材料和用品：离体叶绿体、05 molL蔗糖溶液、1DCPIP溶液、蒸馏水、量筒、锡箔纸、试管若干、离心机。请依据“希尔反应”涉及的实验原理，完成下面的实验设计并回答下列问题：方法步骤：(1)离体叶绿体溶解于05 molL蔗糖溶液制备成叶绿体悬浮液，(2)选取三支试管，编上1号、2号、3号。(3)向1号试管加入1DcPIP溶液05 mL和叶绿体悬浮液5 mL给于光照处理。(4)将上述试管放置在温度等其他条件相同且适宜的环境中一段时间。(5)一段时间后，对各试管用离心机离心5 min，观察试管内上层清夜的颜色。分析：首先找出本实验的实验目的，从题干中可以看出该实验的实验目的是验证光合作用所需的条件，从“希尔反应”的反应式可知，光合作用的条件是光和叶绿体要同时存在，缺一不可，那么该实验的实验目的完整的表述就是验证光合作用所需的条件是光和叶绿体。从实验目的可以看出，该实验存在两个变量：光和叶绿体，依据实验设计的单一变量原则，需要对两个变量进行拆分，使两个变量变成为一个变量。实验至少要分3组进行，对照组同时提供光和叶绿体，实验组一仅提供光照而无叶绿体，实验组二仅提供叶绿体而无光照，在其他条件相同且适宜的情况下实施实验。由对照组与实验组一进行对比，单一变量是叶绿体，通过结果观察，可以得出叶绿体在光合作用中发挥的作用；由对照组与实验组二进行对比，单一变量是光照，通过结果观察，可以得出光照在光合作用中发挥的作用。1DCPIP溶液是显色剂，通过颜色变化反映化学反应是否顺利进行，是因变量的具体观察指标。j组实验相结合得出结论：光合作用进行的必要条件是光和叶绿体同时存在。这也是一道多变量试题，教师可以引导学生通过将变量进行拆分来实现单一变量。答案：向2号试管中加入等量的1DCPIP溶液和叶绿体悬浮液用锡箔纸包紧试管进行遮光处理；向3号试管中加入等量的1DCPIP溶液和05 molL蔗糖溶液5 mL，对试管进行光照处理。总结：此类实验的实验目的可概括为：验证生理作用C 进行的条件是A和B同时存在，即A+B一一c结果。实验通常分3组进行，实验设计模式如下：对照组：A+B一有C结果；单变量实验组：A 无C结果；单变量实验组：B一无C结果。3 当自变量到因变量的逻辑推理因中间变量被忽视而难以得出结论时，再加入中间变量处理进行设计，予以进一步确认实验结果的发生是中间变量所致【例3】(2010年石家庄市一模)细胞分裂素对植物具有延缓衰老的作用。实验表明离体的叶即使通过叶柄供给矿质元素和水，叶也会很快变黄衰老。有人发现叶柄基部长出不定根时就可极大地推迟衰老的进程。他推测：根合成细胞分裂素供给了叶而推迟其衰老。请设计实验证明他的推测。材料和器具：生长状况及大小相同且叶柄带有不定根的某植物离体成熟叶片若干，植物的完全营养液，一定浓度的细胞分裂素溶液，培养皿若干，剪刀、量筒、滴管等。实验步骤： 一 一 一分析：首先找出本实验的实验目的，从题干中可以看出该实验的实验目的是验证根合成细胞分裂素供给了叶而推迟其衰老。分析实验目的可以得出：叶推迟衰老与根有关的根本原因在于根能合成细胞分裂素，是细胞分裂素起到使叶推迟衰老的作用。该实验也是一道多变量试题，自变量是根和细胞分裂素，因变量是叶推迟衰老，依据实验设计的单一变量原则，需要对两个自变量进行拆分，使两个变量变成为一个变量。首先要证明叶推迟衰老与根有关，实验分2组进行，对照组叶柄有根，其结果应该是叶推迟衰老；实验组一为叶柄无根，其结果应该是叶很快衰老，两组实验的单一变量是根的有无，通过对比可以得出：叶推迟衰老与根有关。要想进一步验证叶推迟衰老是根合成的细胞分裂素所致，还应补充一组实验即实验组二，在无根时用细胞分裂素处理叶柄也可推迟叶衰老。对照组与实验二对比发现：根与细胞分裂素的作用具有等效性，综合j组实验可推导出根合成的细胞分裂素使叶推迟衰老。答案： 将生长状况相同且叶柄带有不定根的植物离体成熟叶片分成等量的A、B、c三组，A组不做处理，B、c组剪去不定根； 将培养皿分成三组，分别标号为1、2、3号，各加适量的完全培养液；把A、B、c三组带叶柄的叶片分别放到相应的1、2、3号培养皿中； 2号培养皿中加适量的细胞分裂素，1号和3号均不加； 将三组装置置于其他条件相同且适宜的环境中培养，观察并记录叶片出现衰老(变黄)所需的时间。总结：此类实验的实验目的可概括为： 验证A通过B引起一定的生理作用C，即AB_+C结果。实验通常分3组进行，实验设计模式如下：对照组：A 有C结果；实验组1：无A一无C结果；实验组2：B一有C结果。4 当已给实验条件很难确定自变量与因变量的对应关系时，创设桥梁实验组，减少实验变量，遵循单一变量原、贝IJ【例4】(2010年高考理科综合模拟)甘蒙锦鸡儿是一种喜暖中旱生灌木，在内蒙古高原和林格尔与阿拉善两地均有分布，生物学家对两地的甘蒙锦鸡儿的两个自然种群的光合特性进行了比较研究。研究结果如图1所示：专 互量树0500 750 1000 1250 1500 1750 2000 光照强度(Imolprotonm2s)图1 甘蒙锦鸡儿两种群光合特性生物学家试图探讨两地甘蒙锦鸡儿光合特性的差异是环境造成的或基因差异造成的，他们的实验方案设计如下：材料用具：和林格尔和阿拉善两地的甘蒙锦鸡儿幼苗、CI一301光合测定系统(可方便快速地测量叶片的净光合速率)等。实验步骤：(1)在和林格尔选择适宜的实验用地，每行1O棵，问行种植生长发育状况类似的两地甘蒙锦鸡儿幼苗各50株。(2)甘蒙锦鸡儿成长到一定阶段，利用CI一301光合测定系统测量叶片在不同光强下的净光合速率，每个光强下测量3次取平均值。请预测实验结果及结论：分析：从图1看出，两地甘蒙锦鸡儿的光补偿点和光饱和点均不相同。实验目的就是探究两地锦鸡儿光合特性的差异是环境所致还是基因差异所致，但仅仅根据题目所给的条件，无法得出确定的结论。原因在于和林格尔和阿拉善两地的环境不同，两地的甘蒙锦鸡儿基因也有差异，即自变量有两个：环境因素和基因因素。根据实验设计的单一变量原贝0，应该使两个变量变成为一个变量，继续审题，不难发现，生物学家采用移栽的方法将阿拉善的锦鸡儿移栽到和林格尔，即创造一个移地实验组使两地甘蒙锦鸡儿所处的环境相同。实验组为移地组，原阿拉善和和林格尔为对照组，移地组与原阿拉善的对照组相比，唯一的差异就是环境不同；移地组与原和林格尔的对照组相比，唯一的差异就是基因不同，这样多变量就转化成单一变量，确保了科学研究的严谨性和科学性。预期结果和结论是：如果移地组和原和林格尔的对照组光合特性相同，则光合特性是由环境决定的；如果移地组与原阿拉善的对照组光合特性相同，则光合特性是由基因决定的；如果移地组与原两地的都不相同则是基因和环境的共同作用的结果。答案：两地甘蒙锦鸡儿光合特性没有显著差异，是环境差异引起的；两地甘蒙锦鸡儿光合特性存在显著差异。是基因差异引起的。总结：此类实验的实验目的可总结为：探究某生理特性C是由A决定的还是由B决定的，即A_+C，还是B_C。实验设计模式如下：对照组：Ao+Bo-+Co、A1+B】_C】； 实验组：A0+B1 C?。预期结果和结论： C=c。，生理特性c由A决