实验中变量的分析及应用

 

课程改革强调科学探究能力是科学课程能力培养的核心。科学探究能力的培养包括三个要素：知识、方法和技能。2007年考试大纲中把“确认变量”作为探究能力的要素之一。运用变量分析思想，有助于学生构建实验设计的基本模式，有助于学生理解探究方法的实质，真正提高科学探究能力。

1.实验中变量的种类和关系

    在实验中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。根据在实验中的作用可分为两类：实验变量与反应变量、无关变量与额外变量。实验变量是要研究的条件，由它引起的变化称为反应变量，二者具有因果关系，实验的目的就在于获得或解释这种因果关系。除此以外，实验中还存在无关变量，它造成的结果会干扰实验称为额外变量。实验中需要控制无关变量，减少额外变量，以保证实验变量和反应变量的对应关系，增加实验可信度。

 

 

2.变量的确认

    明确变量是实验设计的前提。首先要确定实验变量和反应变量，它们是实验要完成的任务和方向，一般来自于对实验目的的分析，如“探究SO₂对植物叶片的影响”实验，空气中的SO₂为实验变量，反应变量就是叶片的生长状况；如“探究温度对酶活性的影响”实验，实验变量为温度，即低温、适温和高温，反应变量即为淀粉酶活性的大小。还需明确实验的无关变量和额外变量。对无关变量考虑的是否全面，能否预测出相应的额外变量，更能体现学生的实验分析能力。一般从以下方面去考虑：①影响实验的内因：如选择实验材料的种类、状况和数量，包括分组时是否平均、随机等；②影响实验的外因：指由所学知识或题目信息分析出，除研究条件以外影响反应变量的因素，如“验证二氧化碳是光合作用合成有机物必需的原料”实验中，除二氧化碳以外，光照、温度等无关变量均会影响光合作用；③实验中采用的操作方法和使用装置也可能影响实验，如“验证甲状腺激素的生理作用”实验中采用切除甲状腺法，就还需排除手术对结果的影响。

3.变量的处理

3.1操纵实验变量

    实验变量的操纵方法很多，但操纵的原理不外乎两种：加法原理和减法原理。当实验变量是研究对象的外在条件时一般使用加法原理，它是指与常态相比，人为给研究对象施加实验变量的干扰，使研究对象在被激发状态下反映某些特征。如在“探究SO₂对植物叶片的影响”实验中，就是对生活着的植物施加一定浓度的SO₂来观察叶片的生长状况。当实验变量是研究现象发生的内在条件时，一般运用减法原理，指在实验组中设法除去实验变量，根据研究对象发生的变化来获得两者之间的关系。如在“探究种子萌发的外界条件”实验中，实验变量分别是水、温度和空气，但在自然界中它们都是种子萌发的条件,因此设置实验组中分别减去水、温度和空气以观察它们对种子萌发的影响。

两种原理的适用条件是相对的，需要结合具体的研究情景和研究条件来灵活的选择，如研究甲状腺激素、性激素等激素的生理作用时，既可用注射法、移植法等加法原理方式，也可以用切除法、阉割法等减法原理方式。

3.2控制无关变量

    控制无关变量的目的是要在比较纯粹的状态下反映研究对象。控制方法一般有3条：①某些无关变量可以人为设法避免或除去，如对实验动植物的选择标准是一定数量的生长状况正常的，且分组时随机均分，以排除实验对象的个体差异带来的影响。②对于为完成实验目的而必须消除的主要的无关变量，一般采用设置对照实验的方法，既能排除无关变量，又能增加实验结果的说服力。对照类型有：空白对照、条件对照、自身对照和相互对照等。如“探究感受单侧光刺激的部位”时，用锡箔帽分别罩住尖端和尖端以下部位作相互对照。③对于实验中不能避免的无关变量，则需利用平衡等量原则，对实验组和对照组施加等量的影响，不但等量，而且是适宜条件下的等量，常态下的等量。如在“探究光的有无对种子萌发的影响”实验中，因水分、温度和氧气等无关变量是种子萌发不可缺少的条件，所以维持实验组对照组的温度、水分和空气状况适宜且相同来抵消干扰。

3.3检测反应变量

    实验能否科学客观地揭示规律变化，反应变量的检测也很重要。使用反应指标和观测指标，能让学生的思路更清晰，方法更准确，表述更规范。反应指标也称反应变量指标，是衡量反应变量变化程度的标准，观测指标则是用于表达反应指标并能进行观察或测量的指标。当反应指标本身可直接被观察或测量时，反应指标同时也是观测指标。当反应指标本身不能被观察或测量时，选择合适的观测指标就显得尤为重要，如“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”实验中，反应指标是淀粉、蔗糖在淀粉酶作用下的水解状况，观测指标应是加斐林试剂看是否出现砖红红色沉淀，并不是加碘液看是否变蓝。

    实验中还需根据原理和要求，结合实验是定性还是定量来确定具体的观测指标。常用的有：①颜色变化或沉淀反应，如可溶性还原糖、脂肪、DNA的鉴定，大肠杆菌菌落的鉴别等。②形态结构和生理状况的变化，如植物根、茎的长度或弯曲程度，动物的耗氧量等。③液面的变化，如气体体积或液体体积变化引起的液面移动等。

4.变量分析思想在各种实验题型中的应用

4.1实验分析题型——根据提供的实验方案，对实验的原理、步骤、结果进行反思或评价，并作出解答

例1（2005年全国理综）为了验证胰岛素具有降低血糖的作用，以小鼠活动状况为观察指标设计实验。某同学的实验方案如下：

①将正常小鼠随机分成A、B两组，观察并记录其活动状况。

②A组小鼠注射适量胰岛素溶液，B组注射等量生理盐水。一段时间后，A组小鼠会出现四肢无力，活动减少，甚至昏迷等低血糖症状，B组活动状况无变化。

③A组小鼠出现低血糖症状后，分别给A、B两组小鼠注射等量葡萄糖溶液。一段时间后，A组小鼠低血糖症状缓解，B组活动状况无变化。

该实验方案可以说明胰岛素具有降低血糖的作用。

请回答：                      

（1）该实验原理是：                        。

（2）分析小鼠注射胰岛素溶液后出现低血糖症状的原因：                 。

（3）胰岛素在血糖平衡调节中的作用是：                                   。

解析：实验的原理是实验设计的依据，试题改变了常规的依据原理设计实验步骤的思路，而是要求考生通过步骤逆向分析实验的原理。实验原理的表述包括两部分：（1）关于本实验所要探究的变化的原理，即实验变量与反应变量的关系：胰岛素能降低血糖；（2）观测指标体现反应指标的原理：血糖下降会引起动物活动状况变化，注射葡萄糖后症状消失，可根据小鼠活动状况反映血糖变化。

答案：（1）胰岛素具有降低血糖的作用。体内胰岛素含量过高时，引起血糖下降，机体出现活动减少，甚至昏迷等低血糖症状，此症状可以通过补充葡萄糖溶液得到缓解。（2）注射胰岛素溶液后，血糖含量下降，小鼠组织细胞特别是脑组织细胞因血糖供应减少，导致能量供应不足而发生功能障碍，从而引起低血糖症状。（3）胰岛素可使组织细胞对血糖的利用增加，同时使血糖来源减少，从而使血糖含量减少。

4.2实验设计题型——根据题目提供的条件，自行设计实验方案

例2（2005年广东生物）研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液l00OmL。利用以下实验材料和器材设计实验，探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。

实验材料和器材：水稻种子，试管，培养皿，纱布，尺子（l00mm），蒸馏水，恒温光照培养箱（温度设定为28℃，光强度为200O Lux）。(实验材料和器材的数量不限)
    根据给出的实验材料和器材．请设计实验方法和步骤．预测实验结果并作出分析。
    （1）方法和步骤：
    （2）结果预测和分析：

解析：变量的确定和控制方法是实验设计的核心内容，现分析如下：

内项      容目	变量的确定	变量的控制
实验变量	各种不同浓度的重金属污染液	用加法原理对研究对象施加干扰，即用清水作对照，配制几种不同浓度的重金属污染液作实验组
无关变量	①影响种子萌发的内因，如籽粒饱满、大小等 ②影响种子萌发的外因，如适宜的水分、温度、空气、光照等 ③用一粒种子的偶然性	①选饱满、大小一致的水稻种子，去掉种子籽粒对实验的影响 ②利用平衡等量原则，给实验组和对照组相同的、适宜的外界条件 ③重复原则，选一定数量的种子进行实验
反应变量	①种子萌发情况 ②水稻生长状况	①统计发芽率 ②测量幼苗株高，并计算平均值

答案：（1）方法和步骤：①用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10、10²、10³、10⁴倍获得4种不同浓度的污染液。②挑选籽粒饱满、大小一致的水稻种子250粒，随机分成5组，每组50粒。③取5只培养皿，垫上纱布；其中4只培养皿加人等体积的不同浓度重金属污染液（浸润纱布即可），另1只培养皿加入等体积的蒸馏水作为对照。④在每只培养皿的纱布上，均匀放置50粒水稻种子；⑤将5只培养皿置于恒温光照培养箱培养；每天实验组补充等量的相应浓度重金属污染液，对照组补充等体积的蒸馏水，以保持纱布的湿润。⑥1周后统计各组的发芽率；用尺子测量幼苗株高（或根长），计算平均值。（2）结果预测和分析：不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发均有抑制作用，随着浓度的增加，萌发率逐渐降低；不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用，随着浓度的增加，株高（或根长）逐渐降低。

4.3完善实验方案型——对实验方案中的错误或不完善处，进行改正、补充，使实验方案趋于完善

例3（2002年全国理综）为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下面是实验的基本思路。请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么？再写出你的设计思路。

（1）实验一：取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器进行培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。

（2）实验二：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水，实验组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。

（3）实验三：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。

（4）下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。

解析：实验设计方案设立正常条件作对照组，利用减法原理除去镁元素作实验组，体现了对照原则，还体现了实验材料和培养条件的等同性原则。但对无关变量的控制不够充分，植株的正常生长需要各种矿质元素，因此实验一中两组植物生长均不正常；实验二、三中使用了砂性土壤，可能含有镁而使结果无法验证结论。

答案：（1）不能。因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需的矿质元素而使两组植物生长均不正常。（2）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。（3）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。（4）取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含植物必需的各种矿质元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气。观察比较两组植物的生长发育情况。