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【中考科学·方法总结】Section9:双因素分离法的定量分析
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【中考科学·方法总结】Section9:双因素分离法的定量分析上周我们谈论了双因素分离实验，我们已经知道了： ①双因素实验是指两个因素（或变量）同时作用于同一实验结果； ②双因素对于实验结果的权重不同，即分为主要因素和次要因素； ③双因素中某一个因素往往无法分离（例如上周所说的溶液混合时无法避免稀释效应）； 今天我们继续讨论如何设计定量实验分析两个因素对实验结果的权重关系。 先来看题，一个几乎远古时代的题（如果没记错的话应该是2011年杭州中考科学试题）： 验证树荫降温中“蒸腾”和“遮阴”哪个是降温的主要因素，注意，这里同样不是分析谁是降温的唯一因素，而是分析谁是主要因素。所以首先我们要承认两者对降温都有一定的作用，但是在此基础上我们仍然要分出个主次来。 我们主要分析第（3）小问：根据试题的提示，A树代表同时有“蒸腾”和“遮阴”作用的树荫，因此温度是最低的；B树喷膜是为了阻止蒸腾作用，即可得知B树仍有“遮阴”的作用，而无蒸腾的作用，因此气温应高于A树。而在阳光直射的环境下可以说是既无“蒸腾”的作用，也无“遮阴”的作用，因此气温一定是最高的。 让我们先代入老师的视角，来检验一下实验设计：第一，确实满足“蒸腾”和“遮阴”同时可以起到降温的作用；第二，小王和小李的猜想就是要争一个主次或权重；第三，也是最重要的一点，在本实验中无法分离的因素是哪一个？ 如果双因素都可以顺利剥离，这个实验的难度其实可以大大降温，完全可以设计成一个分别只有单一因素作用的实验，分别设置只有“蒸腾”降温或只有“遮阴”降温的实验组，和双因素均无的空白对照组即可。 但很容易在实际设计实验过程中明白，“遮阴”这一变量事实上是无法分离的，为什么呢？我们可以大致提出两种分离“遮阴”的手段，但都不切实际： 一是可以把树叶剪光，那么则大树就失去了“遮阴”的能力，但同时，植物蒸腾作用的主要器官就是叶，剪去树叶意味着大树也同时失去了“蒸腾降温”的作用，可以说是双因素同时废除，显然不符合要求。 二是可以把实验过程或时间移动至晚上，但是这又完全脱离了原有的实验情景，实验本身问的就是“大树底下好乘凉”是立足于一个在白天炎热的环境中的背景，不可随意脱离实验原有情景也是实验者必须考虑的问题。 因此得出初步的分析，即实验只能通过分离“蒸腾”这一因素来展开（上述实验方法分离原则只需教师或教研员考虑，学生可以只用考虑具体设计分离方法和定量分析过程即可）。实验中对B树喷了一层“会阻挡水分散失的薄膜，几小时后又会自动分解”，我至今没有认真探究过是否存在这样的材料技术，可能有，可能也是教研员基于题目的特殊情景设想出的一种手段，总之，我可以阻止“蒸腾”，但你也不用担心喷膜对树木本身所造成的伤害。教研员通过如果一种实际未必能做到，但题目中又好理解的方式，基本构造出整个题目的关键方法——实现某一因素（变量）的分离。 至此我们回到学生/做题者的视角，继续分析考虑本题。至此可以说A树下气温（T1）最低，B树下气温（T2）略高，阳光直射下气温（T3）最高是一个板上钉钉的事实。且T1＜T2＜T3，只能说明无论是“蒸腾”或是“遮阴”都是可以降低树荫下气温的实际因素，但无法准确回到小李所提出的“遮阴”是主要因素。 因此我们就来到了题目所设计的最后一重提示：请写出温差关系式。 事实上，当时无数同学都因为最后一步的审题而折戟。我也相信，很多第一次面对本题的老师或同学，也会因为最后没有分清“温度”和“温差”二字而轻易地填出了错误的答案。现在借由题目的提示“温差”二字，我们可以比较明确而简单地构造二因素对于降温的作用效果，即如下图所示： 所以通过“双因素作用”与“单因素作用”与“无因素作用”，我们能够迅速找到两个因素分别对于降温的“贡献度”或“各自的降温效果”，即： 由蒸腾作用降低的温度可表示为：T2-T1； 由遮阴作用降低的温度可表示为：T3-T2。 因此，当我们要论证小李所说的即“遮阴降温为主要因素”时，即可理解成由于“遮阴作用而使树荫降温降得更多”，因此得出最后一问的答案： （T3-T2）＞（T2-T1） 如果你此刻对双因素分离实验有了更深层次的理解，你也许可以试一试下面的这题（09年杭州中考科学）： 非常简短的试题，应用我们两期内容所给出的思路和方法，同样也可以发现，它完全符合我们所构建模型中的一切条件： ①有两个因素共同作用于打气筒升温这一实验结果； ②同样需要设计实验来验证谁才是主要因素； ③事实上其中有一项因素（？）同样也是无法分离或者很难分离的。 你是否可以设计一个实验，最好是定量分析的方法来完成该实验？ 事实上，11年大树降温的试题整体来说，设计得比09年打气筒发热的试题更成功，为什么这么说？完全开放性的，由学生自主设计并完成实验过程书写的实验往往会一发而不可收拾，最后产生几十或上百种实验设计流程。不是说这有什么不对，而是对阅卷给分提出了很大的难度。中考向来要求公平，而在公平之下，是要求实验过程的标准性、还是创新性。什么样的答案可以给全分、给一半或者全扣，在实际阅卷过程中就需要反复大量的讨论和研究。而11年的试题，基本上是以一个出题者“主导并提出思路方法”，做题者“配合完成并给出结论”，就尽可能地可控的范围内极大地降低了阅卷难度。 我很喜欢双因素分离，它像一面镜子，让我们能看到科学实验探究和实际生活的两面，如果你细心观察，会发现我们的实际生活中存在着很多的“双因素”问题。谁是主要矛盾谁是次要矛盾？怎样确认主要矛盾和次要矛盾？需要怎样验证、分离并解决当下的问题。 写到最后突然想起一本已经不再继续印刷的书：《杭州中考具体实施细则》，还是年轻的、教学经验不足的我在翻阅《实施细则》时被中考科学的“五个应试层次”中的最高层次的那句话所吸引：“通过初中科学知识解释生活中的现象和解决生活中的问题”。而双因素分离实验正是这句话的最好印证。
