变量:解答生物实验设计题的好“抓手”
2022-06-08
高中生物学各种类型的实验设计类题目的解答都与变量有关。实验步骤设计一般分为四步：（1） 取材，分组，编号。生物学试验中所用的材料包括生物材料、器皿、试剂等（此步骤操作中要排除实验材料中无关变量的干扰）。（2） 对照设置（进行实验变量处理）。（3） 继续处理（无关变量适宜且稳定）。（4） 反应变量的检测。可见实验步骤设计的每一个环节，都必须做好相关变量的确认和操控。其解题模型如图1所示。
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可见，只要抓住变量，就可以建立解题模式，使解题有“法”可依，有“路”可循。现举例说明如下。
1 变量的确认
1.1 变量的类型
生物学实验中的变量是指可被操纵的特定因素或条件。根据其在实验中的作用，可分以下几种情况：
1.1.1 实验变量与反应变量
实验变量，也称自变量，指实验中实验者所操纵的因素或条件;反应变量也称因变量，指实验中由实验变量所引起的变化结果。通常实验变量是原因，反应变量是结果，两者之间具有必然的因果关系。
1.1.2 无关变量与额外变量
无关变量也称控制变量，指实验中除实验变量以外的，影响实验现象和结果的因素或条件，并非与实验“无关”，只不过不是实验中要研究的目标。额外变量也称干扰变量，指实验中由无关变量控制不当引起的变化和结果。实验设计和操作中应力求使实验组之间以及实验组和对照组之间的无关变量保持相同且适宜，避免额外变量的干扰，便于清晰地研究实验变量和因变量的关系。
1.2 实验变量和因变量的确认
通常有以下几种确认方法：
（1） 直观法：即由实验名称或实验目的直接找到实验变量和因变量。
实验变量和因变量一般隐含在题干的信息中，因此可根据实验目的、实验材料等已知条件确定实验变量和反应变量。实验课题一般可描述或转化为：“……对……的作用或影响”或“……是……”的格式。在“对”或“是”之前的中心词可认为是实验变量，而在“对”或“是”之后的中心内容部分可认为是反应变量。例如：① 探究pH对酶活性的影响;② 设计实验，观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响;③ 验证二氧化碳是绿色植物光合作用的原料;④ 验证镁是植物生活的必需元素……在上述问题中，实验变量可分别确定为：pH;生长素或生长素类似物;二氧化碳;镁。
（2） 逆推法：有些实验不能由实验名称或实验目的找到实验变量，可由实验结果（因变量）逆向推出导致其产生的直接原因即为实验变量。例如“探究成熟的植物细胞的吸水和失水的原因”实验中，植物细胞失水（因变量）的原因是外界溶液浓度大于细胞液浓度，吸水（因变量）的原因是外界溶液浓度小于细胞液浓度，而成熟的植物细胞失水和吸水主要取决于原生质层内外的浓度差，所以浓度差是失水和吸水的原因，即实验变量（表1）。
（3） 对比法：有些较复杂的实验还可以从实验组和对照组中找出其中不同的量，而且它又是导致实验结果（因变量）的必然原因，这个量即为实验变量。
2 变量与实验步骤
2.1 操纵实验变量
操纵实验变量是指设法给研究对象施加干扰，造成实验对象的变化，从而使研究对象在被干扰状态中反映出某种现象和属性。不同的实验有不同的操纵实验变量的方法，一般来说有两种情况。一种情况是如果实验变量是一个外在的条件，一般运用实验控制的加法原理来操纵实验变量，即设法给研究对象施加实验变量的干扰，造成研究对象的变化，从而使研究对象在被激发状态中反映其某些特征。例如，在“SO2对植物叶片的影响”的实验中，就是通过实验组对生活着的植物叶片（研究对象）施加实验变量（SO2）来观察叶片的生长状况。
另一种情况是如果实验变量是一个实验条件，一般运用实验控制的减法原理来操纵实验变量，即设法排除实验变量对研究对象的干扰，同时尽量保持被研究对象的稳定。如在“探究种子萌发的外界条件”的实验中，实验变量分别是水、温度和空气，但它们同时又都是种子萌发的外界条件，这时实验组在设计时可分别设法减去水、温度和空气对种子萌发的影响。
2.2 控制无关变量的影响
最常用的控制无关变量的主要方法见表2。
2.3 检测因变量
如何知道因变量的结果呢？就要确定观察和测量的指标和方法，即观察指标。它是指在观察的现象中用什么指标来反映和表达因变量。在实验步骤的最后一句话往往是关于观察指标的，“观察……的变化“，其中“……的变化”就是观察指标。例如，“比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率”中，反应变量是催化效率的高低，相应的观察指标分别是产生气泡多少的比较、冒气泡时间长短的比较和卫生香燃烧情况的比较。
根据实验结果是否可直接观测得到，有下列两种情况：
（1） 可直接观测的因变量（表3）。
（2） 隐蔽的因变量的检测（表4）。
因变量如何检测还要根据题目所给试剂及生物材料特性来确定。
2.4 预测因变量的结果，推理得到实验结论
观察、实验的价值即在于获得验证性的结果。因此，在实验中要记录好实验的观察指标即实验的事实、现象和数据，捕捉、记录由实验变量而带来的因变量。然后，论证、说明实验中的实验变量与因变量的因果关系，从而得到实验的结果。探究性实验因为是探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系，需要对探究内容做出假设。假设一般采用“如果A，则B（A代表预期出现的结果或结论，B代表可能观察到的现象）”的形式表述，是根据现有的科学理论、事实，对所要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案、解释。实验结果预测方法为对应假设，分类讨论，一般采用“如果B，说明A（A代表预期出现的结果或结论，B代表可能观察到的现象）”的形式表述。而验证性实验一般只有一种预期结果。 例如某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为探究低于适宜温度的环境（如10℃）对小鼠能量代谢的影响（能量代谢的强弱用单位时间的耗氧量表示），请依据所给的实验装置（图2）、实验材料和用品，在给出的实验方法和步骤的基础上，继续完成探究实验，预测可能的实验结果和结论，并回答问题。
实验室温度：25℃左右
材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等
方法和步骤：
步骤1：将小鼠放入广口瓶的笼子内，加塞密闭。打开夹子A、B、C，片刻后关闭夹子B，用注射器抽取10 mL氧气备用。关闭夹子C，打开夹子B，使水检压计液面左右平齐。
步骤2： 。
步骤3： 。
结果预测和结论：
① ;
② ;
③ 。
该实验最可能的结果和结论应是 。原因是 。
解析：本题文字信息多，学生一时无从下手。如果根据实验设计题的模型解题，就能够化复杂为简单。
首先，实验目的是要探究低于适宜温度的环境对小鼠能量代谢的影响，因此，涉及的变量肯定是温度。实验变量的操作可通过低于适宜温度和适宜温度两种情况下小鼠能量代谢的强度的比照来得出结论。在操作上，设置低于适宜环境温度的环境，可以通过题目给定的冰袋来解决。
其次，考虑用什么来观察因变量呢？题目要求，能量代谢的强弱是通过单位时间内耗氧量来表示的，所以实验设计要检测的是不同温度条件下氧气的消耗。氧气的消耗如何测定呢？仔细分析实验装置中各结构作用：氧气袋是供氧的，本身没有刻度指标，无法度量，当然不能作为耗氧量的判断依据;注射器是有刻度的，可以用来测量，但只能通过它知道注入广口瓶中的氧气量，而无法知道这些氧气有多少被小鼠消耗;实验装置中的水检压计是干什么用的呢？显然，这个装置中液面的改变可以反映广口瓶中气压的变化，而这个气压的变化正是小鼠消耗氧气导致的（二氧化碳被氢氧化钠吸收，因此广口瓶中二氧化碳不会影响气压的变化）。但水检压计是没有刻度的，怎么知道小鼠在不同情况下耗氧量的变化呢？题目告知，测定的方法是用单位时间内的耗氧量表示，且在材料用具中给出了秒表。根据此实验，难以通过相同时间内的耗氧量来表示小鼠的呼吸强度，因为水检压计上没有刻度。但换个思路，可以测定在不同温度条件下，消耗等量的氧气引起水检压计刻度相同变化所需的时间。水检压计左右液面原来是平衡的，当给广口瓶中注入氧气后，液面就会发生变化，左高右低，随着小鼠对氧的消耗，水检压计的左右液面会趋于平衡，达到平衡需要的时间，是可以测定的。这样，在不同温度条件下，小鼠消耗相同体积的氧气量就可以通过水检压计液面恢复左右平衡的时间来表示。
实验会有什么样的结果呢？比较两种情况下的耗氧量无非有3种结果：相等、大于或小于。根据这3种结果，分别得出3种结论。反过来思考也可以：温度对小鼠的能量代谢可能是没有影响的;可能是使小鼠代谢活动加强的，也可能是使代谢活动减弱的。
由于小鼠是恒温动物，在低温条件下需要消耗更多的能量来维持体温，因此低温下的代谢会加强，消耗相同的氧气所需要的时间在低温下要比高温下少。
答案：步骤2：待小鼠安静后，关闭夹子A，记下时间，将注射器向前推进5 mL（推进数量合理即可），水检压计液面左侧升高，关闭夹子B，待水检压计的液面左右平齐时，记录时间。得到在25℃环境中小鼠消耗5 mL氧气所用的时间。
步骤3：将冰袋放在广口瓶周围，调节距离，使瓶内温度稳定在10 ℃，待小鼠安静后，重复步骤1、2中的有关操作。得到在10 ℃环境中小鼠消耗5 mL氧气所用时间。
结果预测和结论：
① 10℃时小鼠消耗5 mL氧气所用的时间少于25 ℃时，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢会加强。
② 10 ℃时小鼠消耗5 mL氧气所用的时间时，多于25 ℃，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢会减弱。
③ 10 ℃时小鼠消耗5 mL氧气所用的时间等于25 ℃时，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢不受影响。
最可能的结果和结论是：消耗5 mL氧气所用的时间10 ℃时少于25 ℃时，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢会加强。原因是小鼠为恒温动物，在10 ℃时比在25 ℃时维持体温所消耗的能量多。
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可见，只要抓住变量，就可以建立解题模式，使解题有“法”可依，有“路”可循。现举例说明如下。
1 变量的确认
1.1 变量的类型
生物学实验中的变量是指可被操纵的特定因素或条件。根据其在实验中的作用，可分以下几种情况：
1.1.1 实验变量与反应变量
实验变量，也称自变量，指实验中实验者所操纵的因素或条件;反应变量也称因变量，指实验中由实验变量所引起的变化结果。通常实验变量是原因，反应变量是结果，两者之间具有必然的因果关系。
1.1.2 无关变量与额外变量
无关变量也称控制变量，指实验中除实验变量以外的，影响实验现象和结果的因素或条件，并非与实验“无关”，只不过不是实验中要研究的目标。额外变量也称干扰变量，指实验中由无关变量控制不当引起的变化和结果。实验设计和操作中应力求使实验组之间以及实验组和对照组之间的无关变量保持相同且适宜，避免额外变量的干扰，便于清晰地研究实验变量和因变量的关系。
1.2 实验变量和因变量的确认
通常有以下几种确认方法：
（1） 直观法：即由实验名称或实验目的直接找到实验变量和因变量。
实验变量和因变量一般隐含在题干的信息中，因此可根据实验目的、实验材料等已知条件确定实验变量和反应变量。实验课题一般可描述或转化为：“……对……的作用或影响”或“……是……”的格式。在“对”或“是”之前的中心词可认为是实验变量，而在“对”或“是”之后的中心内容部分可认为是反应变量。例如：① 探究pH对酶活性的影响;② 设计实验，观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响;③ 验证二氧化碳是绿色植物光合作用的原料;④ 验证镁是植物生活的必需元素……在上述问题中，实验变量可分别确定为：pH;生长素或生长素类似物;二氧化碳;镁。
（2） 逆推法：有些实验不能由实验名称或实验目的找到实验变量，可由实验结果（因变量）逆向推出导致其产生的直接原因即为实验变量。例如“探究成熟的植物细胞的吸水和失水的原因”实验中，植物细胞失水（因变量）的原因是外界溶液浓度大于细胞液浓度，吸水（因变量）的原因是外界溶液浓度小于细胞液浓度，而成熟的植物细胞失水和吸水主要取决于原生质层内外的浓度差，所以浓度差是失水和吸水的原因，即实验变量（表1）。
（3） 对比法：有些较复杂的实验还可以从实验组和对照组中找出其中不同的量，而且它又是导致实验结果（因变量）的必然原因，这个量即为实验变量。
2 变量与实验步骤
2.1 操纵实验变量
操纵实验变量是指设法给研究对象施加干扰，造成实验对象的变化，从而使研究对象在被干扰状态中反映出某种现象和属性。不同的实验有不同的操纵实验变量的方法，一般来说有两种情况。一种情况是如果实验变量是一个外在的条件，一般运用实验控制的加法原理来操纵实验变量，即设法给研究对象施加实验变量的干扰，造成研究对象的变化，从而使研究对象在被激发状态中反映其某些特征。例如，在“SO2对植物叶片的影响”的实验中，就是通过实验组对生活着的植物叶片（研究对象）施加实验变量（SO2）来观察叶片的生长状况。
另一种情况是如果实验变量是一个实验条件，一般运用实验控制的减法原理来操纵实验变量，即设法排除实验变量对研究对象的干扰，同时尽量保持被研究对象的稳定。如在“探究种子萌发的外界条件”的实验中，实验变量分别是水、温度和空气，但它们同时又都是种子萌发的外界条件，这时实验组在设计时可分别设法减去水、温度和空气对种子萌发的影响。
2.2 控制无关变量的影响
最常用的控制无关变量的主要方法见表2。
2.3 检测因变量
如何知道因变量的结果呢？就要确定观察和测量的指标和方法，即观察指标。它是指在观察的现象中用什么指标来反映和表达因变量。在实验步骤的最后一句话往往是关于观察指标的，“观察……的变化“，其中“……的变化”就是观察指标。例如，“比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率”中，反应变量是催化效率的高低，相应的观察指标分别是产生气泡多少的比较、冒气泡时间长短的比较和卫生香燃烧情况的比较。
根据实验结果是否可直接观测得到，有下列两种情况：
（1） 可直接观测的因变量（表3）。
（2） 隐蔽的因变量的检测（表4）。
因变量如何检测还要根据题目所给试剂及生物材料特性来确定。
2.4 预测因变量的结果，推理得到实验结论
观察、实验的价值即在于获得验证性的结果。因此，在实验中要记录好实验的观察指标即实验的事实、现象和数据，捕捉、记录由实验变量而带来的因变量。然后，论证、说明实验中的实验变量与因变量的因果关系，从而得到实验的结果。探究性实验因为是探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系，需要对探究内容做出假设。假设一般采用“如果A，则B（A代表预期出现的结果或结论，B代表可能观察到的现象）”的形式表述，是根据现有的科学理论、事实，对所要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案、解释。实验结果预测方法为对应假设，分类讨论，一般采用“如果B，说明A（A代表预期出现的结果或结论，B代表可能观察到的现象）”的形式表述。而验证性实验一般只有一种预期结果。 例如某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为探究低于适宜温度的环境（如10℃）对小鼠能量代谢的影响（能量代谢的强弱用单位时间的耗氧量表示），请依据所给的实验装置（图2）、实验材料和用品，在给出的实验方法和步骤的基础上，继续完成探究实验，预测可能的实验结果和结论，并回答问题。
实验室温度：25℃左右
材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等
方法和步骤：
步骤1：将小鼠放入广口瓶的笼子内，加塞密闭。打开夹子A、B、C，片刻后关闭夹子B，用注射器抽取10 mL氧气备用。关闭夹子C，打开夹子B，使水检压计液面左右平齐。
步骤2： 。
步骤3： 。
结果预测和结论：
① ;
② ;
③ 。
该实验最可能的结果和结论应是 。原因是 。
解析：本题文字信息多，学生一时无从下手。如果根据实验设计题的模型解题，就能够化复杂为简单。
首先，实验目的是要探究低于适宜温度的环境对小鼠能量代谢的影响，因此，涉及的变量肯定是温度。实验变量的操作可通过低于适宜温度和适宜温度两种情况下小鼠能量代谢的强度的比照来得出结论。在操作上，设置低于适宜环境温度的环境，可以通过题目给定的冰袋来解决。
其次，考虑用什么来观察因变量呢？题目要求，能量代谢的强弱是通过单位时间内耗氧量来表示的，所以实验设计要检测的是不同温度条件下氧气的消耗。氧气的消耗如何测定呢？仔细分析实验装置中各结构作用：氧气袋是供氧的，本身没有刻度指标，无法度量，当然不能作为耗氧量的判断依据;注射器是有刻度的，可以用来测量，但只能通过它知道注入广口瓶中的氧气量，而无法知道这些氧气有多少被小鼠消耗;实验装置中的水检压计是干什么用的呢？显然，这个装置中液面的改变可以反映广口瓶中气压的变化，而这个气压的变化正是小鼠消耗氧气导致的（二氧化碳被氢氧化钠吸收，因此广口瓶中二氧化碳不会影响气压的变化）。但水检压计是没有刻度的，怎么知道小鼠在不同情况下耗氧量的变化呢？题目告知，测定的方法是用单位时间内的耗氧量表示，且在材料用具中给出了秒表。根据此实验，难以通过相同时间内的耗氧量来表示小鼠的呼吸强度，因为水检压计上没有刻度。但换个思路，可以测定在不同温度条件下，消耗等量的氧气引起水检压计刻度相同变化所需的时间。水检压计左右液面原来是平衡的，当给广口瓶中注入氧气后，液面就会发生变化，左高右低，随着小鼠对氧的消耗，水检压计的左右液面会趋于平衡，达到平衡需要的时间，是可以测定的。这样，在不同温度条件下，小鼠消耗相同体积的氧气量就可以通过水检压计液面恢复左右平衡的时间来表示。
实验会有什么样的结果呢？比较两种情况下的耗氧量无非有3种结果：相等、大于或小于。根据这3种结果，分别得出3种结论。反过来思考也可以：温度对小鼠的能量代谢可能是没有影响的;可能是使小鼠代谢活动加强的，也可能是使代谢活动减弱的。
由于小鼠是恒温动物，在低温条件下需要消耗更多的能量来维持体温，因此低温下的代谢会加强，消耗相同的氧气所需要的时间在低温下要比高温下少。
答案：步骤2：待小鼠安静后，关闭夹子A，记下时间，将注射器向前推进5 mL（推进数量合理即可），水检压计液面左侧升高，关闭夹子B，待水检压计的液面左右平齐时，记录时间。得到在25℃环境中小鼠消耗5 mL氧气所用的时间。
步骤3：将冰袋放在广口瓶周围，调节距离，使瓶内温度稳定在10 ℃，待小鼠安静后，重复步骤1、2中的有关操作。得到在10 ℃环境中小鼠消耗5 mL氧气所用时间。
结果预测和结论：
① 10℃时小鼠消耗5 mL氧气所用的时间少于25 ℃时，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢会加强。
② 10 ℃时小鼠消耗5 mL氧气所用的时间时，多于25 ℃，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢会减弱。
③ 10 ℃时小鼠消耗5 mL氧气所用的时间等于25 ℃时，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢不受影响。
最可能的结果和结论是：消耗5 mL氧气所用的时间10 ℃时少于25 ℃时，说明小鼠的生活环境从25 ℃降为10 ℃时，能量代谢会加强。原因是小鼠为恒温动物，在10 ℃时比在25 ℃时维持体温所消耗的能量多。