生物：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的突破思路與方法（上）

田奇林 舒洲 劉江洲

生物學(xué)是典型的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與探究能力是學(xué)習(xí)這門(mén)學(xué)科的核心能力。實(shí)驗(yàn)與探究能力是在理論認(rèn)知與科學(xué)實(shí)踐過(guò)程中逐漸養(yǎng)成的高階思維能力，既是生物學(xué)課程教學(xué)的重要培養(yǎng)目標(biāo)，也是高考生物學(xué)試題考查的方向。在近幾年的全國(guó)卷中，實(shí)驗(yàn)與探究能力試題約占試題總量的50%，值得同學(xué)們高度關(guān)注。

一、高考對(duì)科學(xué)探究能力的考查

探究是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，高考考查的主要內(nèi)容有：提出生物學(xué)問(wèn)題，形成猜想并作出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或制定方案（思路），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或完成方案，得出結(jié)論;對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象或事實(shí)，進(jìn)行觀察、提問(wèn)、討論和交流的過(guò)程。創(chuàng)新是探究的高級(jí)表現(xiàn)，主要包括發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，提出新的解釋或作進(jìn)一步探究的新思維、新方法，特別注重基于發(fā)散思維、聚合思維、批判思維和元認(rèn)知等創(chuàng)新能力和基于規(guī)范表達(dá)的合作能力的綜合考查。

二、高考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)答題失分的常見(jiàn)原因

【例1】（2019·全國(guó)卷Ⅰ，29題）將生長(zhǎng)在水分正常土壤中的某植物通過(guò)減少澆水進(jìn)行干旱處理，該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開(kāi)度減小，回答下列問(wèn)題。

（1）經(jīng)干旱處理后，該植物根細(xì)胞的吸水能力_______。

（2）與干旱處理前相比，干旱處理后該植物的光合速率會(huì)_______，出現(xiàn)這種變化的主要原因是_______。

（3）有研究表明：干旱條件下氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的，請(qǐng)以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論，要求簡(jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

【答案】（1）增強(qiáng)? ? （2）降低? ? 氣孔開(kāi)度減小使供應(yīng)給光合作用所需的CO2減少? ? （3）取ABA缺失突變體植株在正常條件下測(cè)定氣孔開(kāi)度，經(jīng)干旱處理后，再測(cè)定氣孔開(kāi)度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開(kāi)度不變。將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進(jìn)行ABA處理，另一組作為對(duì)照組，一段時(shí)間后，分別測(cè)定兩組的氣孔開(kāi)度。預(yù)期結(jié)果是ABA處理組氣孔開(kāi)度減小，對(duì)照組氣孔開(kāi)度不變。

1.答卷抽樣分值分布統(tǒng)計(jì)

2.試題分析與評(píng)價(jià)

本題以對(duì)某植物減少澆水進(jìn)行干旱處理為背景，綜合考查了滲透作用原理和光合速率的影響因素，重點(diǎn)考查了生物學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維和科學(xué)探究，要求考生通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證干旱條件下，氣孔開(kāi)度不是由缺水直接引起的，而是由脫落酸（ABA）引起的。試題靈活，要求考生有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力;考生容易入手，但不能準(zhǔn)確和完整地進(jìn)行表達(dá)?？忌梅謪^(qū)間集中在6—8分，平均分為6.84分，試題區(qū)分度較大。

3.考生答題失分原因分析

（1）自變量遺漏。驗(yàn)證“干旱條件下，氣孔開(kāi)度不是由缺水直接引起的，而是由脫落酸（ABA）引起的”中存在兩個(gè)自變量：是否缺水和是否有脫落酸。

（2）隨意更換實(shí)驗(yàn)材料。本題要求以該種植物的ABA缺失體（不能合成ABA）植株為材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，而部分考生錯(cuò)用正常植物作為實(shí)驗(yàn)材料。

（3）增添或錯(cuò)選因變量。本題要求以氣孔開(kāi)度為因變量，而部分考生以光合作用強(qiáng)度、植物重量的變化、植物的生長(zhǎng)情況等作為因變量或出現(xiàn)了多個(gè)因變量。

（4）混淆實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論。將預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果答成了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，如“干旱條件下，氣孔開(kāi)度不是由缺水直接引起的”“干旱條件下，氣孔開(kāi)度是由ABA直接引起的”等。

（5）表達(dá)不全?；卮鸸夂纤俾首兓p慢）的原因，部分考生只回答“氣孔開(kāi)度減小”或者 “吸收的CO2減少”。

（6）不遵循單因子變量原則。只設(shè)計(jì)了兩個(gè)組進(jìn)行對(duì)照，兩個(gè)組有兩個(gè)自變量，如“一個(gè)組在缺水條件下，添加ABA;另一個(gè)組在正常（有水）條件下，不添加ABA”。

（7）不能正確區(qū)分實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。該題是一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，部分考生審題不仔細(xì)，錯(cuò)誤地當(dāng)作探究性實(shí)驗(yàn)，在回答實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果時(shí)，進(jìn)行了分類(lèi)討論。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的突破思路與技巧

1.植物生理實(shí)驗(yàn)

見(jiàn)例1。

【審題關(guān)鍵】

（1）實(shí)驗(yàn)要在干旱的條件下進(jìn)行;

（2）在有ABA和無(wú)ABA參與的條件下測(cè)定氣孔開(kāi)度的變化;

（3）實(shí)驗(yàn)材料要選用“ABA缺失突變體”。

【解題模板】

【拓展延伸】

探究植物激素間的相互作用的答題思路

2.遺傳設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

【例2】（原創(chuàng)）孟德?tīng)枏?4個(gè)豌豆品種中選擇了7對(duì)相對(duì)性狀做雜交實(shí)驗(yàn)，揭示出兩個(gè)重要的遺傳定律。下圖表示控制豌豆三對(duì)相對(duì)性狀的三對(duì)等位基因在染色體上的位置。已知種皮灰色和白色分別由一對(duì)等位基因A和a控制，這對(duì)基因可能位于I號(hào)或IV號(hào)染色體上?，F(xiàn)有各種表現(xiàn)型的純合豌豆植株，不考慮基因突變和交叉互換的情況下，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)A/a是位于I號(hào)染色體上還是IV號(hào)染色體上。

實(shí)驗(yàn)方案：①可選用種皮灰色子葉黃色高莖豌豆與 豌豆做親本雜交，得到F1。②再讓F1自交，然后 ? 。③若表現(xiàn)型及比例為 ? ? ，則A/a位于IV號(hào)染色體上;若表現(xiàn)型及比例為 ，則A/a位于I號(hào)染色體上。

【答案】①種皮白色子葉綠色矮莖? ? ②統(tǒng)計(jì)F2表現(xiàn)型及比例? ? ③種皮灰色高莖∶種皮白色矮莖=3∶1（或種皮灰色子葉黃色∶種皮灰色子葉綠色∶種皮白色子葉黃色∶種皮白色子葉綠色=9∶3∶3∶1）種皮灰色子葉黃色∶種皮白色子葉綠色=3∶1（或種皮灰色高莖∶種皮灰色矮莖∶種皮白色高莖∶種皮白色矮莖=9∶3∶3∶1）

【解題模板】

【拓展延伸】

假說(shuō)—演繹法解答遺傳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的答題思路

3.動(dòng)物生理實(shí)驗(yàn)

【例3】（2018·全國(guó)卷Ⅱ，32題）為研究垂體對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的作用，某同學(xué)用垂體切除法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用幼齡大鼠為材料，以體重變化作為生長(zhǎng)發(fā)育的檢測(cè)指標(biāo)。回答下列問(wèn)題：

（1）請(qǐng)完善下面的實(shí)驗(yàn)步驟：

① 將若干只大鼠隨機(jī)分為A，B兩組后進(jìn)行處理，A組（對(duì)照組）的處理是，B組的處理是 。

② 將上述兩組大鼠置于相同的適宜條件下飼養(yǎng)。

③。

④ 對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理與分析。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：B組大鼠生長(zhǎng)發(fā)育的狀況不如A組，出現(xiàn)這種差異的原因是B組的處理使大鼠缺失了來(lái)源于垂體的 激素和 激素。

【答案】（1）①手術(shù)但不切除垂體 切除垂體③每隔一定時(shí)間，測(cè)定并記錄兩組大鼠的體重 （2）生長(zhǎng) 促甲狀腺

【審題關(guān)鍵】

實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹芯看贵w對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育的作用;A為對(duì)照組;B組的處理使大鼠失去了垂體產(chǎn)生的激素

【解題模板】

【命題陷阱】

①?zèng)]有排除無(wú)關(guān)變量的干擾。注意對(duì)照組必須進(jìn)行假手術(shù)，以排除手術(shù)原因?qū)?shí)驗(yàn)造成的干擾。②語(yǔ)言表達(dá)不準(zhǔn)確，難以做到準(zhǔn)確的量化描述。答題時(shí)應(yīng)盡可能地運(yùn)用定性的語(yǔ)言表達(dá)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件上注意“一段時(shí)間”“適宜的溫度、pH”等語(yǔ)言的應(yīng)用。

【拓展延伸】

探究動(dòng)物激素生理功能的答題思路

4.生化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

【例4】（2016·江蘇卷，8題）過(guò)氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性沒(méi)食子酸呈橙黃色。為探究白菜梗中是否存在過(guò)氧化物酶，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下表。下列相關(guān)敘述正確的是（ ）

A. 1號(hào)管為對(duì)照組，其余不都是實(shí)驗(yàn)組

B. 2號(hào)管為對(duì)照組，其余都為實(shí)驗(yàn)組

C. 若3號(hào)管顯橙紅色，無(wú)須對(duì)照就能證明白菜梗中存在過(guò)氧化物酶

D.若4號(hào)管不顯橙紅色，可證明白菜梗中無(wú)氧化物酶

【答案】A

【審題關(guān)鍵】

實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹骄堪撞斯Ｖ惺欠翊嬖谶^(guò)氧化物酶;實(shí)驗(yàn)原理——過(guò)氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性沒(méi)食子酸呈橙黃色。

【解題模板】

【命題陷阱】

①?zèng)]有掌握對(duì)照實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)。沒(méi)有2號(hào)對(duì)照，就無(wú)法判斷酶反應(yīng)的結(jié)果，也無(wú)法推測(cè)溶液呈現(xiàn)橙黃色的原因。②誤認(rèn)為實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)對(duì)照組。實(shí)踐中往往設(shè)置多重對(duì)照，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信。