生物：突破實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路與方法（下）

田奇林 劉江洲 舒洲

規(guī)范表達(dá)是高考答題的基本要求，能不能將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹薄皩?shí)驗(yàn)原理”“實(shí)驗(yàn)假設(shè)”“實(shí)驗(yàn)思路”“實(shí)驗(yàn)方案”“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”和“實(shí)驗(yàn)結(jié)論”等進(jìn)行規(guī)范表達(dá)，決定高考的成敗。本文將著重介紹在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中如何運(yùn)用文字表達(dá)的技巧，規(guī)范答題過程。

一、正確書寫實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析并準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)?zāi)康囊话泱w現(xiàn)自變量與因變量之間的關(guān)系。書寫模式是：實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)性質(zhì)（探究或驗(yàn)證）+自變量對因變量的影響。如：探究（實(shí)驗(yàn)性質(zhì)）光照強(qiáng)度（自變量）對光合作用強(qiáng)度（因變量）的影響;植物細(xì)胞在不同情況下（自變量）的失水和吸水情況（因變量）的研究。

值得說明的是：一個(gè)實(shí)驗(yàn)中自變量可能有1個(gè)或多個(gè)，因變量也可能有1個(gè)或多個(gè)，無關(guān)變量一般有多個(gè)。如探究“××”和“××”對“××”的影響，涉及2個(gè)自變量;如探究“××”對“××”和“××”的影響，涉及2個(gè)因變量;如教材中探究過氧化氫的分解，有是否加熱、是否存在Fe3+和是否存在過氧化氫酶3個(gè)自變量?！白C明……是否……”屬于探究性實(shí)驗(yàn)。

二、正確寫出實(shí)驗(yàn)原理

【例1】（2017·全國卷Ⅰ，29題改編）某科研機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了一種新型病毒，并對該病毒的遺傳物質(zhì)進(jìn)行研究?？捎没瘜W(xué)分析的方法對該病毒的遺傳物質(zhì)種類進(jìn)行研究，請寫出其中的原理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

【答案】脫氧核糖和堿基T是DNA的組成成分，核糖和堿基U是RNA的組成成分，利用化學(xué)分析的方法弄清該新型病毒遺傳物質(zhì)中五碳糖或含氮堿基的種類，據(jù)此判斷該病毒的遺傳物質(zhì)是DNA還是RNA。

【解題錦囊】實(shí)驗(yàn)原理就是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)，包括選擇實(shí)驗(yàn)材料的依據(jù)、作出實(shí)驗(yàn)假設(shè)的依據(jù)、設(shè)置實(shí)驗(yàn)步驟的依據(jù)、分析現(xiàn)象與結(jié)果的依據(jù)和確定觀測指標(biāo)的依據(jù)。答題的方法是在實(shí)驗(yàn)操作所涉及的理論中找出該實(shí)驗(yàn)特有的決定實(shí)驗(yàn)成敗的實(shí)驗(yàn)操作及其理論。

（1）實(shí)驗(yàn)原理一般由三段組成：自變量和因變量的關(guān)系+因變量的觀測指標(biāo)+實(shí)驗(yàn)過程描述。

（2）實(shí)驗(yàn)原理中“因變量的觀測指標(biāo)”可作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參考;有些題目要求考生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其考查的是實(shí)驗(yàn)原理，所以對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)必須合理套用實(shí)驗(yàn)原理。

【拓展延伸】觀察根尖分生組織的有絲分裂。

實(shí)驗(yàn)操作 操作涉及的理論 操作原理 理論原理

課前3—4天，將洋蔥放在裝滿清水的廣口瓶上，底部接觸水面 清水確保根尖生長所需的水分，培養(yǎng)3—4天確保根的長長 待根長出5 cm時(shí)，取出健壯的根尖，制成臨時(shí)裝片觀察 在高等植物體內(nèi)，根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂旺盛

將裝置放在溫暖的地方 為根尖生長提供適宜的溫度

根長至5 cm時(shí)，將根尖制成臨時(shí)裝片觀察 有絲分裂常見于根尖的分生區(qū)的細(xì)胞

三、規(guī)范寫出實(shí)驗(yàn)假設(shè)

【例2】（2020年3月深圳市調(diào)研試題，32題）根據(jù)基因位于染色體上的位置，可分為伴性遺傳和常染色體遺傳，其中伴性遺傳又分為伴X遺傳（基因僅位于X染色體的非同源區(qū)段上）、伴Y遺傳（基因僅位于Y染色體的非同源區(qū)段上）和同源區(qū)段遺傳（基因位于X與Y染色體的同源區(qū)段上）。某研究人員從世代連續(xù)培養(yǎng)的野生型紅眼果蠅種群中分離出雌、雄各一只紫眼突變體，并進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。分析回答下列問題：

實(shí)驗(yàn)①：紫眼雌果蠅×野生型雄果蠅→F1均為紅眼→F1雌雄相互交配得F2，F(xiàn)2中紅眼∶紫眼=3∶1

實(shí)驗(yàn)②：紫眼雄果蠅×野生型雌果蠅→F1均為紅眼→F1雌雄相互交配得F2，F(xiàn)2中紅眼∶紫眼=3∶1

（1）根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可確定果蠅眼色的遺傳不可能是伴Y遺傳和伴X遺傳，確定的依據(jù)分別是? ? ? ? ? ? ?。

（2）研究人員提出了控制果蠅眼色的基因位于X與Y染色體同源區(qū)段的假設(shè)（假設(shè)1）。你認(rèn)為果蠅眼色基因的位置還可以提出哪一種假設(shè)（假設(shè)2）？? ? ? ? ? ? ? 。

（3）為了判斷上述何種假設(shè)成立，需要對實(shí)驗(yàn)①、②的結(jié)果做進(jìn)一步的觀測，則支持上述假設(shè)1的觀測結(jié)果是? ? ? ? ? ?。

【答案】（1）若果蠅眼色的遺傳為伴Y遺傳，則實(shí)驗(yàn)①的F1和F2中所有雄性果蠅的眼色均表現(xiàn)為紅眼，實(shí)驗(yàn)②的F1和F2中所有雄性果蠅的眼色均表現(xiàn)為紫眼，而實(shí)際雜交結(jié)果與之不符;若果蠅眼色的遺傳是伴X遺傳，則實(shí)驗(yàn)①F1應(yīng)為紅眼∶紫眼=1∶1，F(xiàn)2也應(yīng)為紅眼∶紫眼=1∶1，與實(shí)際雜交結(jié)果不符。

（2）控制果蠅眼色的基因位于常染色體上。

（3）實(shí)驗(yàn)①F2中紫眼果蠅性別是雌性，實(shí)驗(yàn)②F2中紫眼果蠅性別是雄性。

【解題錦囊】假設(shè)是指用來說明某種現(xiàn)象但未經(jīng)證實(shí)的論題，是對研究結(jié)果的預(yù)測，是對課題涉及的主要變量之間相互關(guān)系的設(shè)想，假設(shè)是研究者對研究結(jié)果預(yù)先賦予的答案，是一種可能的解釋和說明。假設(shè)是根據(jù)自己已知的知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)對問題做出的假設(shè)，不是無端的猜測，如光合作用需要光。假設(shè)的提出可能正確也可能錯(cuò)誤，假設(shè)要能解釋題目現(xiàn)象或與題干相符。一般情況下，若是實(shí)驗(yàn)中要求寫出假設(shè)，我們應(yīng)根據(jù)平時(shí)積累的知識(shí)，寫出我們認(rèn)為的最可能的一種假設(shè)。依據(jù)的確定是在對兩個(gè)研究對象比較的基礎(chǔ)上闡明形成差異的原因。

四、寫出實(shí)驗(yàn)思路與實(shí)驗(yàn)步驟

【例3】（原創(chuàng)）Ⅱ型糖尿病的主要病因是胰島B細(xì)胞功能障礙。經(jīng)大鼠胰島B細(xì)胞體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高糖能誘使細(xì)胞體積變大，導(dǎo)致細(xì)胞容積改變，表現(xiàn)為氧化應(yīng)激和凋亡。該研究為糖尿病的治療提供了新思路。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高糖刺激下胰島B細(xì)胞的細(xì)胞膜上L型Ca2+通道開放。請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明胰島B細(xì)胞的細(xì)胞膜上L型Ca2+通道開放會(huì)促進(jìn)胰島素的分泌，寫出簡要的實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期結(jié)果并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：____________________________。

【答案】實(shí)驗(yàn)思路：比較細(xì)胞培養(yǎng)液中加入L型Ca2+通道阻斷劑（抑制劑，或單克隆抗體）與正常條件培養(yǎng)下的胰島B細(xì)胞在高糖刺激下的胰島素分泌量。預(yù)期結(jié)果：加入L型Ca2+通道阻斷劑的一組細(xì)胞培養(yǎng)液，胰島素分泌量明顯低于正常培養(yǎng)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：胰島B細(xì)胞的細(xì)胞膜上L型Ca2+通道開放會(huì)促進(jìn)胰島素的分泌。

【解題錦囊】實(shí)驗(yàn)思路與實(shí)驗(yàn)方案（含實(shí)驗(yàn)步驟）設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)有所不同。實(shí)驗(yàn)思路是較為“粗線條”的思考過程，而實(shí)驗(yàn)步驟是更為“細(xì)節(jié)化”的操作流程。但后者要注重“無關(guān)變量”的描述，尤其是寫出實(shí)驗(yàn)步驟類試題。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)關(guān)注的是具體的方案，例如如何分組、實(shí)驗(yàn)組和對照組如何處理、因變量如何檢測、無關(guān)變量如何平衡和消除等，特別強(qiáng)調(diào)的是條件控制（無關(guān)變量的控制）。

實(shí)驗(yàn)思路與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)類似，但實(shí)驗(yàn)思路并不過分關(guān)注細(xì)節(jié)，無需描述無關(guān)變量。實(shí)驗(yàn)思路關(guān)注的是自變量的確定、因變量的確定以及預(yù)期結(jié)果與假設(shè)的關(guān)系，即特別關(guān)注控制自變量和因變量的觀測。而實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)思路是自變量和因變量的集合體;實(shí)驗(yàn)步驟是對變量控制的進(jìn)一步細(xì)化。

【例4】（2017·全國I卷，29題）根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。有些病毒會(huì)對人類健康造成很大危害。通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。假設(shè)在宿主細(xì)胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換。請利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以確定一種新病毒的類型。簡要寫出：（1）實(shí)驗(yàn)思路;（2）預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論。（要求：實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組）

【答案】（1）實(shí)驗(yàn)思路：甲組——將宿主細(xì)胞培養(yǎng)在含放射性標(biāo)記尿嘧啶的培養(yǎng)基中，之后接種新病毒，培養(yǎng)一段時(shí)間后收集病毒并檢測其放射性。乙組——將宿主細(xì)胞培養(yǎng)在含放射性標(biāo)記胸腺嘧啶的培養(yǎng)基中，之后接種新病毒，培養(yǎng)一段時(shí)間后收集病毒并檢測其放射性。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論：若甲組收集的病毒有放射性，乙組無，即為RNA病毒;反之為DNA病毒。

【解題錦囊】實(shí)驗(yàn)思路規(guī)范簡化表達(dá)：控制自變量——將甲乙兩組宿主細(xì)胞分別培養(yǎng)在含放射性標(biāo)記尿嘧啶和胸腺嘧啶的培養(yǎng)基中，之后接種新病毒。因變量的觀測——培養(yǎng)一段時(shí)間后收集病毒并檢測其放射性。

【拓展延伸】在書寫“寫出實(shí)驗(yàn)步驟”類試題，要注重“無關(guān)變量”的描述：應(yīng)牢記實(shí)驗(yàn)步驟的“三步曲”，即取材（共性處理）→處理（變量處理）→（培養(yǎng)）觀察記錄（實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理）。且注意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中“使用恰當(dāng)?shù)恼Z言表述”的問題：

①實(shí)驗(yàn)材料的選擇：植物——大小相似、長勢相同的同種植株。動(dòng)物——體重（體長）、年齡、生長趨勢相同，有時(shí)甚至要“性別”相同。有時(shí)可以敘述為“生長生理狀況相同的個(gè)體”。

②試劑的選擇：在量上難以做到準(zhǔn)確的量化描述時(shí)，應(yīng)盡可能用“定性”的語言表達(dá)，要注意“等濃度”“等體積”“適量等量的”“一定量的”等詞的運(yùn)用。

③空白對照：蒸餾水沒有礦質(zhì)離子，常作為植物培養(yǎng)的空白對照和實(shí)驗(yàn)試劑的稀釋液;清水含礦質(zhì)離子，一般用于漂洗;生理鹽水一般用于動(dòng)物注射類試劑的配制和動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)，維持細(xì)胞形態(tài)，防止細(xì)胞吸水脹破，常被用作等滲溶液;無菌水常用于微生物實(shí)驗(yàn)，作為對照組。

④實(shí)驗(yàn)時(shí)間和條件上用“相同的一段時(shí)間”“適宜相同的溫度、pH”等語言。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論的預(yù)測與分析

【例5】（2017·北京卷，31題改編）瘧原蟲是一種單細(xì)胞動(dòng)物。它能使人患瘧疾，引發(fā)周期性高熱、寒戰(zhàn)和出汗退熱等臨床癥狀，嚴(yán)重時(shí)致人死亡。臨床應(yīng)用青蒿素治療瘧疾取得了巨大成功，但其抗瘧機(jī)制尚未完全明了。我國科學(xué)家進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

組別 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（線粒體膜電位的相對值）

1 瘧原蟲的線粒體 不加入青蒿素 100

2 加入青蒿素 60

3 倉鼠細(xì)胞的線粒體 不加入青蒿素 100

4 加入青蒿素 97

（1）1組和2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： ? ?，由3組和4組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知青蒿素對倉鼠細(xì)胞線粒體膜電位無明顯影響。據(jù)此可以得出的結(jié)論是：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（2）將實(shí)驗(yàn)中倉鼠細(xì)胞的線粒體替換為? ? ? ? ?，能為臨床應(yīng)用青蒿素治療瘧疾提供直接的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

【答案】（1）青蒿素能顯著降低瘧原蟲線粒體膜電位 青蒿素對線粒體膜電位的影響存在物種間的差異;（2）人體細(xì)胞的線粒體

【解題錦囊】首先要明確該實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)還是探究性實(shí)驗(yàn)。若為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，則實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)原理一致、結(jié)果唯一，結(jié)論與題目要求（目的）一致;若為探究性實(shí)驗(yàn)，要進(jìn)行分類討論，即實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)原理一致或相反或居中，相應(yīng)的結(jié)論有多種情況。

【拓展延伸】值得說明的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是要表達(dá)出可觀察或可測量的檢測指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論是要分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的概括性規(guī)律，往往與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嗪魬?yīng)。在表達(dá)的過程中要符合表達(dá)邏輯規(guī)范：探究性實(shí)驗(yàn)的表達(dá)邏輯是“如果出現(xiàn)什么樣的結(jié)果，則得出什么樣的結(jié)論”，而驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的表達(dá)邏輯是“有什么樣的結(jié)果，就有什么樣的結(jié)論”。