以变量控制为核心在高三复习中有效提升实验探究能力
（福建师范大学附属中学福建福州350007）
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出高中生物学科核心素养中“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题，并能设计方案进行研究、得出结论，侧重于实验和实践能力；其中实验探究能力所涵盖的实验设计能力、动手操作能力是高考评价体系提出的“实践操作能力群”的重点。高考生物试题中也常创设科学实验和探究情境，加强对实验探究能力的考查。下面针对高三复习，从教材实验和高考试题出发，以变量控制为核心，通过认知变量、配置变量、构建变量相关的模型来有效训练、提升学生的实验探究能力。
在人教版《必修1·分子与细胞》教材的“降低活化能的酶”一节介绍了如何控制变量和设计对照实验。这是学生在高中生物学的学习中对变量认知的起点。在高三复习中，教师应当充分利用教材资源，帮助学生认清“变量控制”的底层逻辑，使学生先做到知其然。在“比较过氧化氢在不同反应条件下的分解速率”的探究实验中，教师可以图例支架（图1）引导学生从该实验的反应方程式入手分析认知本实验的变量。
图1图例支架示意
学生通过分析，明确：在这个实验中，不同条件是人为控制设置的自变量，包括常温常压、加热、无机催化剂和有机催化剂。其中，有机催化剂实质是猪肝研磨液中过氧化氢酶，也就是本实验研究的主要对象。反应的速率是本实验的因变量，是本实验需要检测的结果，实际操作中往往以带火星的卫生香是否复燃或者复燃的程度来表征。而过氧化氢溶液的量、浓度、反应的时间等本实验的无关变量。在四组实验中，第一组的条件是不加处理的常温常压，因此是空白对照，其他3组是人为设置的加热、催化剂等条件，所以皆为实验组。同时，自主建构反应方程式与变量的关系图（图2）。
图2反应方程式与变量的关系示意图
无论是验证性实验还是探究性实验其本质就是探求自变量和因变量之间的因果关系。教师引导学生再分析本实验，使学生更加准确、深刻地认知变量的科学本质以及实验设计与探究中的基本原则，从而提升科学思维。
在学生已经科学认知变量的基础上，教师围绕变量控制，用试题创设情境，引导学生在实验设计与操作中从配置自变量、控制无关变量和观测因变量入手，遵循科学原则，真正做到知其所以然。
教师出示高考真题：
（2019·海南卷·27）适宜条件下，测得的某植物根细胞对a、b两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系如图3所示（a、b两条曲线分别代表植物根细胞对不同浓度a、b两种物质的吸收速率）。
图3某植物根细胞对a、b两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系
有学生据图认为b曲线表示的跨膜运输方式是主动运输，有学生则认为是协助扩散。教师引导学生设计实验确定哪位学生的判断是正确的。
2.1.1确定自变量
在不同的物质跨膜运输方式中，主动运输的影响因素主要是载体和能量，而协助扩散的影响因素主要是载体和生物膜两侧的物质浓度差。主动运输和协助扩散两者的本质区别是什么，是需不需要消耗能量，因此学生要先确定“能量”这个自变量。所以，不少选择“载体”作为自变量，以“载体蛋白抑制剂”作为实验组材料，或者以“浓度”作为自变量的学生显然犯了方向性的错误，对自变量认知不清。
2.1.2设置自变量
在自变量明确后，如何在实验中恰当地设置自变量呢？根细胞主动运输所需要能量的直接来源是ATP，而ATP能量的主要来源是是有氧呼吸将有机物彻底氧化分解释放转移的能量。在本实验设计中如何设置容易实现的“能量”这个自变量呢？是ATP，是线粒体，还是氧气？学生经过小组讨论后，发现：选择氧气作为直接的自变量，通过设置有氧和无氧两种装置（或者使用呼吸抑制剂），不难实现对真正自变量——“能量”的控制。同样，选择ATP作为直接的自变量，通过使用ATP以及ATP抑制剂，也能实现对真正自变量——“能量”的控制。但是，选择以“线粒体”作为直接的自变量，实际上是不容易实现的，是对自变量地不恰当配置。
因变量有的可以直接观察，有的需要用一定的技术手段进行测量。实际操作中根据实验原理和实验条件确定观察、测量的指标称为观测指标，具体包括：观察特异性的颜色变化、沉淀反应；观察形态结构、生理变化；测量生长发育速度；测量生化反应速率、生物生成量的多少、生理变化等。
例如，本实验中可以检测培养液中b物质的剩余量。而在比较过氧化氢在不同反应条件下的分解速率的实验中，反应的速率是因变量，真正表征反应速率的是单位时间内生成物（氧气或者水）的生成量，实际应该是定量的一个变量，而在实际操作中往往以带火星的卫生香是否复燃或者复燃的程度来代替了，变成了定性实验。那如何真正观测因变量呢？有学生提出来，可以测量单位时间内氧气的生成量，使用排水法收集单位时间内反应释放的氧气。
因此，因变量≠观测指标，在观测指标的基础上要科