初探生物实验设计的自变量设置

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以实验题为载体考查学生的知识、能力和创新精神，是目前高考命题的重要特点和发展趋势。但实验设计的能力要求高、难度大、开放性强，学生往往感到比较困难。下面笔者就从自变量的角度初探生物实验设计。

一、自变量的确定

自变量是实验中由实验者操纵的因素或条件，是实验要研究的因素。一个实验题首先要确定自变量，实验分组数就取决于自变量的处理情况。一般自变量可从实验目的、假设、原理、材料、步骤或结果等中加以确定。

二、自变量的设置

自变量一旦确定即可设置自变量。自变量的设置就是指设法给研究对象施加干扰，造成实验对象的变化，从而使研究对象在扰状态中反映出某种现象和属性。常见的自变量操纵方法有：自变量加法、自变量减法和自变量替换法。

1.自变量加法：是指在常态的基础上，人为增加某种影响因素的方法。比如“验证重金属污染液能影响种子的萌发”的实验中，自变量为重金属污染液，我们一般设计两组，一组将种子置于蒸馏水中，另一组将种子置于重金属污染液中。其中前一组就属于保持常态，而后一组就是在常态的基础上施加自变量因素的影响。

2.自变量减法：是指在常态的基础上，人为去除某种影响因素的方法。如“验证CO2是植物光合作用的必需条件”的实验中，自变量为CO2，我们可以设计一组保持常态，另一组采用自变量减法，利用NaOH溶液除去容器中的CO2。

3.自变量替换法：是在常态的基础上，人为替换影响因素的取值大小或施加程度。比如“验证温度对酶活性的影响”实验中，自变量为温度，温度这个因素是无法施加或去除的，所以只能采用替换温度的取值。

那么在实验设计中自变量具体采用哪种设置方法，关键是看常态中有没有这个自变量。如果常态下没有该自变量，则可采用自变量加法;如果常态下有这个自变量，则可采用自变量减法;如果常态下有这个自变量，但该自变量没办法施加或去除，则采用自变量替换法。

三、自变量设置中的特殊情况

一般情况下实验设计就是在常态的基础上做简单的加法、减法或者替换，但是也不乏一些特殊的情况。下面笔者就呈现几种特殊的情况。

1.设置自变量时，带来了某种干扰因素

【对策】如采用自变量减法时可先设法减掉自变量然后再直接加自变量。

例如：（2000浙江高考）血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，缺乏它血液不能凝固;草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝作用。请根据所提供的实验材料和用具，简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果，验证钙离子在血液凝固中的作用，并回答问题。

实验材料和用具：家兔，生理盐水，70%的酒精棉，适宜浓度的草酸钾溶液，适宜浓度的氯化钙溶液，试管，注射器（针头、针管）。

实验步骤和实验结果：第一步：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水。

分析：本实验的自变量是钙离子，常态下血液中有钙离子，所以可采取自变量减法，即利用草酸钾溶液沉淀钙离子。基于此思路，本实验可如题中第一步所述在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水，然后在两试管中分别加入等量的兔血，结果一段时间后，A管中血液不凝固，B管中血液凝固。这样的设计看似验证了本实验目的，但还不严谨的。因为A管血液不凝固的结果到底是因为去除钙离子导致的还是外加的草酸钾导致的不是非常明确。即在使用自变量减法时带来另一个干扰因素草酸钾，使得实验不够严谨，所以需要在此基础上重新给A管加入自变量钙离子，以反证刚才的结果确实是因有无自变量钙离子引起的。

2.自变量的性质不属于定性而是定量具有梯度性

【对策】关于自变量的实验组多设置几组。

例如：（2005广东高考）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l000mL。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2000 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。 分析：本实验的自变量是不同浓度的重金属污染液，常态下没有该自变量，故在操纵自变量时可以采取自变量加法。但本实验的自变量为定量，它具有一定的梯度性，所以不能简单的在常态的基础上加一下就可以的，需要在常态的基础上多设置几组具浓度梯度的实验组，浓度梯度需实验前稀释配制。

3.实验中具有多个相关自变量，可看做多个实验的组合

【对策】先拆开考虑再根据题干信息合起来。

例如：（2009浙江高考）给正常成年实验兔注射甲药物后，使其患了高血压病，注射乙药物可使高血压症状缓解。为了验证甲、乙两种药物的上述作用，请您根据以下提供的实验材料与用具，设计实验步骤。

材料与用具：一组正常成年实验兔、血压测定仪、适宜浓度的甲药物、适宜浓度的乙药物、注射器等。

（要求：答题时对该组实验兔不再分组;对动物的手术过程与药物的具体注射剂量不做要求）

分析：本实验的自变量是甲药物和乙药物，这两个变量都能引起血压变化。如果没有实验兔分组的限制，我们可将本实验看成分别研究甲药物升血压和乙药物降血压的实验。因为常态下，实验材料都没有这两个自变量，故可采用自变量加法将实验兔设置为一组常态，一组注射甲药物，一组注射乙药物。但由于题干要求对该组实验兔不再分组，而且甲乙药物的注射存在先后的关系，即给正常成年实验兔注射甲药物后，使其患了高血压病，注射乙药物可使高血压症状缓解。所以将三组并为一组进行自身前后对照。经过这样的思考特别能防止落掉给甲药前对血压的测量。