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摘要 “比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验为例，从变量分析入手，以问题串引导学生思考讨论，主动参与实验设计，学会确定变量、控制变量，领悟实验设计思路和方法，从而有效提高学生的生物实验设计能力，培养生物科学素养。
关键词 变量分析 实验设计 生物学实验
中图分类号 G633.91
文献标志码 B
文件编号：1003-7586（2018）11-0030-03
进行实验设计是开展科学探究的重要组成部分，实验设计是围绕所提出的问题进行实验方案设计的思维过程，有助于培养学生的探究能力和科学思维，促進其学科核心素养的养成。实验设计的关键在于变量的确定及控制。在生物学教学中，学生常因为不能正确地分析变量，所以难以设计出比较完整的实验方案，进而影响其实验设计能力的发展。因此加强变量分析教学，帮助学生掌握实验设计的各种变量及其控制方法，是提高学生实验设计能力发展的有效途径。
“比较过氧化氢在不同条件下的分解”是人教版高中生物教材中的第一个实验，教材特别设置了“控制变量”栏目，介绍有关实验设计的知识，该部分内容是发展学生实验设计能力、培养学生探究思维和科学素养的良好素材。下面以“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验为例，从加强变量分析的角度探讨高中生实验设计能力的培养策略。
1明确实验课题，确定变量
确定变量是指明确实验中的自变量、因变量和无关变量。在自然状态下，造成某一现象的原因可能很多，也就存在多个变量。只有准确地确定变量，才能具有正确的逻辑推理前提，让实验设计有意义地进行下去。一般而言，实验课题中都包含着自变量和因变量的关系，因此只有在明确实验课题的基础上，学生才能很容易确定变量。
在本实验教学中，教师先创设情境，展示过氧化氢溶液，提出问题：“在哪些条件下可以加快过氧化氢分解？”以问题引导学生回忆其分解过程，调动已有知识基础，思考、分析并得出结论：过氧化氢在加热、加入催化剂FeCl3溶液和过氧化酶时均能加快分解，且不同条件下分解速率不同。由此明确实验课题——比较过氧化氢在不同条件下的分解速率。
教师再提出问题，引导学生思考：自变量是什么？因变量是什么？无关变量是什么？随后通过图1帮助学生分析出自变量是“温度、FeCl3溶液和过氧化氢酶不同条件”，因变量是“过氧化氢的分解速率”。这样从而使学生认识到自变量为实验研究对象，因变量是自变量对实验结果产生的影响，实验课题中包含着自变量与因变量的因果关系，而无关变量则是除自变量外其他将会对实验产生影响的因素，如试管的洁净程度、过氧化氢的用量、反应时间等。
最后，教师引入自变量与因变量、无关变量与额外变量的概念进行归纳总结。学生理解各类变量概念以及变量之间的关系，学会确定变量。
2设置对照实验，控制变量
控制变量是在确定变量后，构思如何操作自变量、控制无关变量、观测因变量。一般需要遵循单一变量原则等实验设计原则，以排除其他因素对实验的影响，只探究自变量和因变量间的相关性，达到预期的实验目的，因此控制变量成为实验设计的关键环节。控制变量的通常思维路径为：先进行实验分组、操作自变量;再设置对照实验，控制无关变量;最后，确定观测因变量的方法。教学中，教师可结合该思维路径，设计问题串引导学生分析，思考如何设置对照实验、控制变量。
在本实验教学中，教师设置问题串进行引导：实验中应设置几组实验？每组实验作何种不同处理？如何控制无关变量？为什么设计常温条件下的分解实验？滴入肝脏研磨液和FeCl3时能否用同一支滴管？FeCl3溶液和肝脏研磨液实验组应处于高温还是常温条件？如何判断过氧化氢分解的快慢？是考虑过氧化氢的减少量还是氧气的生成量？如何检测？
学生在确定变量基础上，通过自主思考、小组讨论，逐步得出控制变量的方法：
①进行实验分组和操作自变量：自变量为不同分解条件，依据单一变量原则，实验分成4组，设置常温、高温、FeCl3溶液和过氧化氢酶4种分解条件。通过以上分析，学生意识到可根据自变量种类进行实验分组，再对每组自变量施加不同处理，让各组形成对照关系。
②控制无关变量：因试管的洁净程度等无关变量无法对实验结果产生额外影响，通过设置对照实验，使除自变量外的其他条件均保持“相同且适宜”，排除其他因素干扰。因此设计常温条件下的对照实验，滴入肝脏研磨液和FeCl3时，不能用同一支滴管，体现“相同”原则;在FeCl3溶液和肝脏研磨液实验组中自变量是FeCl3溶液和过氧化氢酶，而过氧化氢酶在高温下失活，故两组实验处于常温条件下，排除温度对实验的干扰，体现“适宜”原则。通过以上问题讨论，学生明白根据单一变量和对照原则等来设置对照实验，控制无关变量，才能使实验设计更科学合理，实验结论更准确可信。
③检测因变量：判断过氧化氢分解的快慢可以根据反应物过氧化氢的减少量或生成物氧气的生成量，根据检测方法易操作、简单直观原则，选择氧气的生成量来判断。而根据氧气的理化性质，以气泡产生的数量或点燃卫生香燃烧猛烈程度作为观测因变量的方法，进而区分因变量和观察指标。
以上问题串分别对应自变量处理、无关变量控制、因变量观测的注意事项，学生对问题进行讨论分析，逐步得出各变量的处理方法，为接下来设计实验奠定基础，促进学生深入思考探究。
3制定实验方案
在确定变量、控制变量分析后，学生能明白控制哪些变量及如何控制变量，基本形成实验设计思路。在此基础上，学生还需要思考选择最佳实验思路，围绕变量将已确定的变量处理方法变成具体的、可操作的实验步骤，制定科学合理的实验方案，从而顺利地达到预期效果。
课堂中，教师提供实验器材，鼓励学生自主设计实验，小组讨论制定实验方案。同时，教师巡视指导，选取实验方案展示，并组织其他小组进行讨论、补充、修正，确定方案。最后，教师可以选择用表格的形式（表1）直观呈现实验步骤，使学生认识到确定、控制变量与设计实验之间的关系，促进学生对控制变量的理解和运用，帮助其领会实验设计思路，提高科学思维能力。
4实验指导，比较归纳
根据实验方案，学生分组进行实验探究。在实验操作过程中，因滴加试剂量不一致、顺序不当、实验材料新鲜度不同等，会造成实验结果出现差异。教师应及时引导学生探讨分析原因，使学生认识到无关变量控制是否得当会对实验结果产生影响，体会控制变量的重要性，形成严谨的科学态度。
待实验结束后，各小组记录实验结果并填入表1中的观测因变量栏。教师结合“控制变量”栏目相关内容，进一步提出以下问题引导学生思考讨论：试管3、4能否构成对照实验？若是，请分析其中的自变量、实验组、对照组等。这两组实验对照可以得出什么结论？如果没有对照组能得出这个结论吗？试管1、2，试管1、3，试管1、4分别能构成对照实验吗？试管1、2、3、4能否构成对照实验？第一组实验有什么作用？可否去除第一组？
学生探究分析各组实验的自变量、因变量，判断实验组和对照组，加深对变量等概念的
学生理解运用，逐步完善表2;对比3、4号试管，分析得出“酶具有高效性”;通过两两对比，分析归纳得出实验中涉及到空白对照、条件对照、相互对照三种对照实验，并知道设计第一组常温作为空白对照组是为了控制无关变量，使实验设计更科学、实验结论更准确，从而深层次理解“对照原则”和“单一变量原则”。因此，通过以上问题的讨论，学生不仅理解变量、对照实验等概念和实验设计原则，而且学会设置对照实验，掌握控制变量的方法，形成科学思维。
本案例从变量分析入手引导学生进行层层实验探究，领悟实验设计的过程和方法;以问题串方式引导学生层层深入分析思考，掌握实验设计原则和方法，学会确定变量、控制变量，从而有效提高学生的生物实验设计能力，培养其自主探究能力，提高生物学学科核心素养。
关键词 变量分析 实验设计 生物学实验
中图分类号 G633.91
文献标志码 B
文件编号：1003-7586（2018）11-0030-03
进行实验设计是开展科学探究的重要组成部分，实验设计是围绕所提出的问题进行实验方案设计的思维过程，有助于培养学生的探究能力和科学思维，促進其学科核心素养的养成。实验设计的关键在于变量的确定及控制。在生物学教学中，学生常因为不能正确地分析变量，所以难以设计出比较完整的实验方案，进而影响其实验设计能力的发展。因此加强变量分析教学，帮助学生掌握实验设计的各种变量及其控制方法，是提高学生实验设计能力发展的有效途径。
“比较过氧化氢在不同条件下的分解”是人教版高中生物教材中的第一个实验，教材特别设置了“控制变量”栏目，介绍有关实验设计的知识，该部分内容是发展学生实验设计能力、培养学生探究思维和科学素养的良好素材。下面以“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验为例，从加强变量分析的角度探讨高中生实验设计能力的培养策略。
1明确实验课题，确定变量
确定变量是指明确实验中的自变量、因变量和无关变量。在自然状态下，造成某一现象的原因可能很多，也就存在多个变量。只有准确地确定变量，才能具有正确的逻辑推理前提，让实验设计有意义地进行下去。一般而言，实验课题中都包含着自变量和因变量的关系，因此只有在明确实验课题的基础上，学生才能很容易确定变量。
在本实验教学中，教师先创设情境，展示过氧化氢溶液，提出问题：“在哪些条件下可以加快过氧化氢分解？”以问题引导学生回忆其分解过程，调动已有知识基础，思考、分析并得出结论：过氧化氢在加热、加入催化剂FeCl3溶液和过氧化酶时均能加快分解，且不同条件下分解速率不同。由此明确实验课题——比较过氧化氢在不同条件下的分解速率。
教师再提出问题，引导学生思考：自变量是什么？因变量是什么？无关变量是什么？随后通过图1帮助学生分析出自变量是“温度、FeCl3溶液和过氧化氢酶不同条件”，因变量是“过氧化氢的分解速率”。这样从而使学生认识到自变量为实验研究对象，因变量是自变量对实验结果产生的影响，实验课题中包含着自变量与因变量的因果关系，而无关变量则是除自变量外其他将会对实验产生影响的因素，如试管的洁净程度、过氧化氢的用量、反应时间等。
最后，教师引入自变量与因变量、无关变量与额外变量的概念进行归纳总结。学生理解各类变量概念以及变量之间的关系，学会确定变量。
2设置对照实验，控制变量
控制变量是在确定变量后，构思如何操作自变量、控制无关变量、观测因变量。一般需要遵循单一变量原则等实验设计原则，以排除其他因素对实验的影响，只探究自变量和因变量间的相关性，达到预期的实验目的，因此控制变量成为实验设计的关键环节。控制变量的通常思维路径为：先进行实验分组、操作自变量;再设置对照实验，控制无关变量;最后，确定观测因变量的方法。教学中，教师可结合该思维路径，设计问题串引导学生分析，思考如何设置对照实验、控制变量。
在本实验教学中，教师设置问题串进行引导：实验中应设置几组实验？每组实验作何种不同处理？如何控制无关变量？为什么设计常温条件下的分解实验？滴入肝脏研磨液和FeCl3时能否用同一支滴管？FeCl3溶液和肝脏研磨液实验组应处于高温还是常温条件？如何判断过氧化氢分解的快慢？是考虑过氧化氢的减少量还是氧气的生成量？如何检测？
学生在确定变量基础上，通过自主思考、小组讨论，逐步得出控制变量的方法：
①进行实验分组和操作自变量：自变量为不同分解条件，依据单一变量原则，实验分成4组，设置常温、高温、FeCl3溶液和过氧化氢酶4种分解条件。通过以上分析，学生意识到可根据自变量种类进行实验分组，再对每组自变量施加不同处理，让各组形成对照关系。
②控制无关变量：因试管的洁净程度等无关变量无法对实验结果产生额外影响，通过设置对照实验，使除自变量外的其他条件均保持“相同且适宜”，排除其他因素干扰。因此设计常温条件下的对照实验，滴入肝脏研磨液和FeCl3时，不能用同一支滴管，体现“相同”原则;在FeCl3溶液和肝脏研磨液实验组中自变量是FeCl3溶液和过氧化氢酶，而过氧化氢酶在高温下失活，故两组实验处于常温条件下，排除温度对实验的干扰，体现“适宜”原则。通过以上问题讨论，学生明白根据单一变量和对照原则等来设置对照实验，控制无关变量，才能使实验设计更科学合理，实验结论更准确可信。
③检测因变量：判断过氧化氢分解的快慢可以根据反应物过氧化氢的减少量或生成物氧气的生成量，根据检测方法易操作、简单直观原则，选择氧气的生成量来判断。而根据氧气的理化性质，以气泡产生的数量或点燃卫生香燃烧猛烈程度作为观测因变量的方法，进而区分因变量和观察指标。
以上问题串分别对应自变量处理、无关变量控制、因变量观测的注意事项，学生对问题进行讨论分析，逐步得出各变量的处理方法，为接下来设计实验奠定基础，促进学生深入思考探究。
3制定实验方案
在确定变量、控制变量分析后，学生能明白控制哪些变量及如何控制变量，基本形成实验设计思路。在此基础上，学生还需要思考选择最佳实验思路，围绕变量将已确定的变量处理方法变成具体的、可操作的实验步骤，制定科学合理的实验方案，从而顺利地达到预期效果。
课堂中，教师提供实验器材，鼓励学生自主设计实验，小组讨论制定实验方案。同时，教师巡视指导，选取实验方案展示，并组织其他小组进行讨论、补充、修正，确定方案。最后，教师可以选择用表格的形式（表1）直观呈现实验步骤，使学生认识到确定、控制变量与设计实验之间的关系，促进学生对控制变量的理解和运用，帮助其领会实验设计思路，提高科学思维能力。
4实验指导，比较归纳
根据实验方案，学生分组进行实验探究。在实验操作过程中，因滴加试剂量不一致、顺序不当、实验材料新鲜度不同等，会造成实验结果出现差异。教师应及时引导学生探讨分析原因，使学生认识到无关变量控制是否得当会对实验结果产生影响，体会控制变量的重要性，形成严谨的科学态度。
待实验结束后，各小组记录实验结果并填入表1中的观测因变量栏。教师结合“控制变量”栏目相关内容，进一步提出以下问题引导学生思考讨论：试管3、4能否构成对照实验？若是，请分析其中的自变量、实验组、对照组等。这两组实验对照可以得出什么结论？如果没有对照组能得出这个结论吗？试管1、2，试管1、3，试管1、4分别能构成对照实验吗？试管1、2、3、4能否构成对照实验？第一组实验有什么作用？可否去除第一组？
学生探究分析各组实验的自变量、因变量，判断实验组和对照组，加深对变量等概念的
学生理解运用，逐步完善表2;对比3、4号试管，分析得出“酶具有高效性”;通过两两对比，分析归纳得出实验中涉及到空白对照、条件对照、相互对照三种对照实验，并知道设计第一组常温作为空白对照组是为了控制无关变量，使实验设计更科学、实验结论更准确，从而深层次理解“对照原则”和“单一变量原则”。因此，通过以上问题的讨论，学生不仅理解变量、对照实验等概念和实验设计原则，而且学会设置对照实验，掌握控制变量的方法，形成科学思维。
本案例从变量分析入手引导学生进行层层实验探究，领悟实验设计的过程和方法;以问题串方式引导学生层层深入分析思考，掌握实验设计原则和方法，学会确定变量、控制变量，从而有效提高学生的生物实验设计能力，培养其自主探究能力，提高生物学学科核心素养。