生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析
——以最適濃度范圍確定為例

呂國裕 （廈門海滄實(shí)驗(yàn)中學(xué) 福建廈門 361026）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確提出：實(shí)驗(yàn)探究能力要求學(xué)生能對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。確定最適濃度范圍是考試的常見考點(diǎn)，學(xué)生對此普遍存在張冠李戴的問題。究其原因是不了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和過程，故對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析生搬硬套，無法依據(jù)實(shí)驗(yàn)情境及設(shè)問靈活分析，沒練習(xí)過的試題只能根據(jù)印象亂套題。了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程，有助于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析；了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法有助于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確分析。

1 問題背景：最適濃度范圍的確定變化多端，學(xué)生入手難，易生搬硬套

最適濃度范圍的確定因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式、設(shè)問的方式及數(shù)據(jù)規(guī)律性不同而千變?nèi)f化。學(xué)生若不理解峰值出現(xiàn)的可能性，無法預(yù)測可能范圍，極易出現(xiàn)錯(cuò)誤。有的試題涉及最適濃度范圍的確定，有的試題只設(shè)問起始濃度的確定。

【例1】（最適濃度范圍在最大值的兩側(cè)之間）取相同長度、去除尖端的小麥胚芽鞘切段。分別用不同濃度的生長素溶液處理并培養(yǎng)一段時(shí)間后，逐一測量其長度，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次，結(jié)果如圖1。以下敘述正確的是（ ）

圖1 小麥胚芽鞘在不同濃度生長素溶液中的生長情況

A.濃度大于10 mg·L-1，抑制胚芽鞘的伸長

B.濃度大于0.00 lmg·L-1，均能促進(jìn)胚芽鞘伸長

C.促進(jìn)胚芽鞘伸長的最適濃度在0.1～10 mg·L-1之間

D.濃度為0.1 mg·L-1時(shí)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，應(yīng)舍棄

分析：本題較典型，最適濃度不是自變量濃度的最大值1 mg·L-1，而是在最大值與兩側(cè)之間都有可能出現(xiàn)最適濃度，即0.1～1 mg·L-1、1～10 mg·L-1之間均可能出現(xiàn)峰值。

參考答案：C。

【例2】（最適濃度范圍在兩等值的最大值之間）為研究生長素類似物2，4－D對某植物插條生根的影響，一實(shí)驗(yàn)小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2，請分析回答：

圖2 不同濃度的2.4-D對某植物插條生根的影響

問題：可確定促進(jìn)插條生根的2，4-D溶液最適濃度范圍是______mg·L-1。

分析：學(xué)生學(xué)過了例1，認(rèn)定最適濃度范圍是在最大值的兩側(cè)之間，即B～E之間（30～110），而本題出現(xiàn)學(xué)生未見過的兩個(gè)等值的最大值，最適宜濃度只能出現(xiàn)在兩個(gè)等值的最大值之間（C～D）。

參考答案：50～80。

從上述試題可以看出，雖然最適濃度范圍的確定變化多端，但仍有規(guī)律可循，一般與自變量或因變量的最大值或最大值的最近值有關(guān)。最適濃度范圍的確定屬于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，要正確分析就必須先要了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是將實(shí)驗(yàn)測得的一系列原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算整理后，用最適宜的方式表示出來。在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用列表法、圖示法表示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的前提，是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

先處理個(gè)別偏差或誤差較大的數(shù)據(jù)。如對某地某種群密度的測定，某樣方的種群密度偏差較大，不能舍棄，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的前提是隨機(jī)取樣，有的樣方數(shù)據(jù)大，有的樣方數(shù)據(jù)小，有的懸殊較大，這是事實(shí)。而對同一樣方，由于不同的人操作，因各種原因數(shù)據(jù)誤差大的就應(yīng)舍棄。只要是實(shí)驗(yàn)過程中因人為操作不當(dāng)引起的較大誤差的數(shù)據(jù)，就得舍棄，而實(shí)驗(yàn)操作正常的偏差不能隨意舍棄。故面對原始記錄中偏差較大的個(gè)別數(shù)據(jù)，應(yīng)作誤差分析，酌情處理。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表法

列表法是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按自變量與因變量的對應(yīng)關(guān)系而列出數(shù)據(jù)表格形式，具有制表簡單快速、數(shù)據(jù)便于比較分析、視覺呈現(xiàn)直觀明了的優(yōu)點(diǎn)，是繪制圖形和構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。統(tǒng)計(jì)表由表題、橫行和縱欄、數(shù)字等要素組成。自變量可以是（首）行，則因變量為（首）列，反之亦可。列表不僅僅是原始數(shù)據(jù)的記錄，有的還要做求平均值等的初步處理，如例3表1。

【例3】針對秸稈還田的效果，某實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行了“秸稈深施還田”的探究。

①將玉米秸稈剪碎、攤平，按100 kg/100 m2的量埋置。

②在整個(gè)生長季節(jié)定期取樣稱量以計(jì)算秸稈分解量（表1）。

表1 不同時(shí)間不同埋深的稱重?cái)?shù)據(jù)（單位：kg）

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖示法

圖示法是依據(jù)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用點(diǎn)、線、面、體、色彩等繪制成整齊有規(guī)律、簡明又?jǐn)?shù)量化的圖形。圖示法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，不僅對統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出具體、明確的表達(dá)，易于理解和獲得深刻印象，而且其表現(xiàn)形式活潑醒目，具有很強(qiáng)的說服力，可謂“一圖知萬言”。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可利用軟件繪成折線圖、散點(diǎn)圖、柱形圖、餅狀圖、條形圖、面積圖、雷達(dá)圖等。最常見、較實(shí)用的是曲線圖（折線圖、散點(diǎn)圖）和柱形圖。如，例1、2、4中的柱形圖。

以例3為例，在坐標(biāo)圖中通過描點(diǎn)分別畫出60 d、120 d分解總量隨埋置深度變化的曲線（圖3）。

圖3 不同埋置深度下秸稈分解總量的變化

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，還要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，透過數(shù)據(jù)尋找“本質(zhì)”，剖析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)原理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這里介紹的是簡單數(shù)據(jù)分析方法，復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析需借助專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，如用SPSS分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)等。

3.1 對表格數(shù)據(jù)的分析

對表格中的數(shù)據(jù)的分析，一般要關(guān)注能反映一定問題的最大值和最小值。認(rèn)真對比行行之間、列列之間、行與列之間的數(shù)據(jù)，都能發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律性問題，從而得出相應(yīng)的局部結(jié)論。

3.1.1 最值分析法

首先要關(guān)注數(shù)據(jù)的最大值與最小值，這兩個(gè)數(shù)據(jù)往往能極端地反映出一些信息，解題時(shí)要把表格中最大值和最小值圈畫起來。

3.1.2 對比分析法

對表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要關(guān)注行與行、列與列、行與列的對比，簡單的問題通過行行對比、列列對比就能發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜的問題要經(jīng)過行與列的對比。

3.2 對圖形數(shù)據(jù)的分析

對圖形數(shù)據(jù)的分析，有其特殊性。坐標(biāo)曲線圖和柱形圖是最常見的考題模型，圖形不同，關(guān)注點(diǎn)也就不同，分析方法有所區(qū)別。下面僅以這兩種常見模型為例，分析圖形數(shù)據(jù)。

3.2.1 曲線圖的數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過處理后的坐標(biāo)曲線圖，有的橫縱坐標(biāo)均有刻度，有的并沒有標(biāo)注數(shù)據(jù)，變成了模式圖。分析坐標(biāo)曲線圖的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖文轉(zhuǎn)換，必須要關(guān)注“兩標(biāo)一線一名稱”。兩標(biāo)指橫、縱坐標(biāo)的表達(dá)含義、刻度和單位；一線指曲線的變化走勢；一名稱指準(zhǔn)確命名“坐標(biāo)曲線圖”。

【例4】圖4為光照強(qiáng)度和凈光合速率的關(guān)系圖，分析圖中A、B、C點(diǎn)的含義及曲線ABC的含義。

圖4 光照強(qiáng)度對凈光合速率的影響曲線圖

首先，要理解橫縱坐標(biāo)生物學(xué)含義。橫坐標(biāo)為光照強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為吸收或釋放二氧化碳的速率。內(nèi)在聯(lián)系為光照強(qiáng)度對凈光合速率的影響。其次，應(yīng)抓四點(diǎn)（起點(diǎn)、交叉點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn)）A點(diǎn)：光照為0，只進(jìn)行呼吸作用；B點(diǎn)：光合作用速率=呼吸速率，光補(bǔ)償點(diǎn)；C點(diǎn)：光飽和點(diǎn)。再次，關(guān)注線段的含義與變化原因。對曲線的分析一般要分段進(jìn)行。AB段：光合作用速率＜呼吸速率；BC：光合作用速率＞呼吸速率；C之后的曲線：光合作用速率達(dá)到最大值，不再隨光強(qiáng)增加而增加。名稱為光照強(qiáng)度（自變量）對凈光合速率（因變量）的影響曲線圖，曲線圖的命名一定要體現(xiàn)自變量與因變量之間的關(guān)系。

3.2.2 柱形圖的數(shù)據(jù)分析

柱形圖因自變量和因變量的對應(yīng)關(guān)系不同，有不同的呈現(xiàn)形式，分析方法上也有所不同，但都可以通過連線法來分析。對單個(gè)因變量和自變量的柱形圖，先把柱形圖的最高點(diǎn)用線連起來，這樣分析就與曲線圖的分析方法相同。如，將例2畫成圖5。對多個(gè)實(shí)驗(yàn)組，可在圖中約求平均值后連線看趨勢。單個(gè)實(shí)驗(yàn)組和對照組、多個(gè)自變量和因變量的柱形圖，可分別連成多條線，如圖6。這樣，通過圖圖轉(zhuǎn)換，再通過圖文轉(zhuǎn)換，可輕松理解柱形圖的數(shù)據(jù)含義。

圖5 不同濃度的2.4-D對某植物抽條生根的影響

圖6 NaCl濃度與再分化出幼苗比例的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析是實(shí)驗(yàn)探究能力的重要組成部分，也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的一種形式，是考生易失分的考點(diǎn)。教師應(yīng)重視學(xué)生對此的訓(xùn)練，綜合提高生物實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。