安徽省蒙城第一中學(xué)（233500）耿美玲

生物高考著重考查學(xué)生的思維能力和探究能力，而高考生物實(shí)驗(yàn)題對(duì)這方面的考查尤為突出。高考生物實(shí)驗(yàn)的考查題型多樣化，有實(shí)驗(yàn)分析題型、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題型、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與修正題型等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)又分為實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)等。近幾年來，實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)受到命題者的青睞。實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)類試題能很好地考查學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，把優(yōu)秀的學(xué)生和一般的學(xué)生區(qū)分開來，具有很好的選拔功能。當(dāng)然，這類試題具有較高的難度，優(yōu)秀生也需要進(jìn)行訓(xùn)練才能有效掌握解題方法。本文結(jié)合2017 年高考全國Ⅰ卷理綜第29題和2019 年高考全國Ⅰ卷理綜第29 題這兩道高考真題來例析實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)。

一、實(shí)例一

（一）題目

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。有些病毒對(duì)人類健康會(huì)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(qǐng)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(jiǎn)要寫出（1）實(shí)驗(yàn)思路，（2）預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組）

（二）分析與討論

該題是2017年高考全國Ⅰ卷理綜第29題。高考后，筆者和一部分學(xué)生交流了這道題，他們的答案可粗略歸納為以下幾種情況。

其一，甲組用含有放射性同位素標(biāo)記胸腺嘧啶的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細(xì)胞，同時(shí)，乙組用沒有放射性同位素標(biāo)記的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細(xì)胞，再分別接種新病毒，在適宜條件下培養(yǎng)一段時(shí)間，然后檢測(cè)甲、乙兩組子代病毒的放射性。若甲組的子代病毒有放射性，乙組的沒有，則新病毒為DNA 病毒；若甲、乙兩組的子代病毒都沒有放射性，則新病毒為RNA 病毒。若甲組用含有放射性同位素標(biāo)記尿嘧啶的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細(xì)胞，乙組同上，所得子代病毒類型和上述情況正好相反。

上述兩種實(shí)驗(yàn)思路中甲組為實(shí)驗(yàn)組，乙組為空白對(duì)照組，看似合理，其實(shí)不符合題干中括號(hào)內(nèi)的要求。題干要求實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組，實(shí)際上就是要設(shè)計(jì)甲、乙兩組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（即相互對(duì)照實(shí)驗(yàn)），不要設(shè)置空白對(duì)照組，即本題實(shí)驗(yàn)的自變量不是胸腺嘧啶或尿嘧啶是否被放射性同位素標(biāo)記。即使題干沒有要求實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組，最好也不要按照上述方式答題，否則，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為甲、乙兩組的子代病毒都沒有放射性時(shí)，只能用反證法推理新病毒的類型，而不是直接推理。因此，即使題干沒做題干中括號(hào)內(nèi)的要求，也要設(shè)計(jì)可相互印證的甲、乙兩個(gè)組。

其二，甲組用已標(biāo)記脫氧核糖的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細(xì)胞，乙組用已標(biāo)記核糖的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細(xì)胞，再分別接種新病毒，在適宜的條件下培養(yǎng)一段時(shí)間，然后檢測(cè)甲、乙兩組子代病毒的放射性。學(xué)生得出此類答案的原因是沒有注意到題干中的提示“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”，對(duì)脫氧核糖和核糖進(jìn)行了放射性同位素標(biāo)記。

這種實(shí)驗(yàn)思路是錯(cuò)誤的，因?yàn)樵诩?xì)胞內(nèi)核糖會(huì)被核糖核苷酸還原酶［1］催化轉(zhuǎn)變成脫氧核糖。如果同位素標(biāo)記在核糖上而沒有標(biāo)記在脫氧核糖上，當(dāng)核糖轉(zhuǎn)變成脫氧核糖時(shí)，脫氧核糖也會(huì)被放射性同位素標(biāo)記上，因此會(huì)出現(xiàn)甲、乙兩組的子代病毒都被放射性同位素標(biāo)記而最終影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判定。因此，本題實(shí)驗(yàn)的自變量不能設(shè)置成放射性同位素是標(biāo)記在脫氧核糖上還是核糖上。

其三，對(duì)胸腺嘧啶脫氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸進(jìn)行放射性同位素標(biāo)記，或?qū)π剀蘸湍蜍者M(jìn)行放射性同位素標(biāo)記。

對(duì)它們做放射性同位素標(biāo)記，是標(biāo)記在堿基上，還是標(biāo)記在五碳糖上？如果標(biāo)記的不是堿基，而是五碳糖，情況與上述標(biāo)記在細(xì)胞內(nèi)的核糖上相似，所以這樣的實(shí)驗(yàn)思路也是錯(cuò)誤的。

綜上所述，該題的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄恳环N新病毒是DNA 病毒還是RNA 病毒，旨在考查學(xué)生的科學(xué)思維，而不是實(shí)際操作能力。從題干的三處題眼可找到解題思路，題眼一“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”就提醒學(xué)生從DNA 和RNA的堿基組成上進(jìn)行分析。雖然細(xì)胞中的堿基是可以轉(zhuǎn)換的，如尿嘧啶（U）在胸苷酸合酶［2］的催化下可轉(zhuǎn)變?yōu)樾叵汆奏ぃ═），但根據(jù)題眼一以及題干“利用放射性同位素標(biāo)記的方法”這一要求，就可確定本題的自變量為將放射性同位素標(biāo)記在胸腺嘧啶（T）上還是標(biāo)記在尿嘧啶（U）上，而因變量為新病毒的類型，用是否有放射性來檢測(cè)新病毒的類型。題眼二“實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組”，實(shí)際上就是要設(shè)計(jì)甲、乙兩組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不能設(shè)置成空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)合題眼三“以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料”，并參考生物教材必修二中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)“T2噬菌體侵染大腸桿菌”的設(shè)計(jì)，本題大致的實(shí)驗(yàn)思路為：首先用含放射性同位素的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細(xì)胞，此時(shí)宿主細(xì)胞會(huì)被放射性同位素標(biāo)記；然后用此時(shí)的宿主細(xì)胞培養(yǎng)新病毒，而新病毒合成核酸需要利用宿主細(xì)胞中的原料，那么子代病毒就會(huì)被放射性同位素標(biāo)記，否則，子代病毒就不會(huì)帶有放射性。進(jìn)行假說演繹分析：若新病毒是DNA 病毒，則標(biāo)記T的那組實(shí)驗(yàn)的子代病毒會(huì)帶有放射性，標(biāo)記U 的那組實(shí)驗(yàn)的子代病毒不會(huì)帶有放射性；若新病毒是RNA 病毒，則標(biāo)記T 的那組實(shí)驗(yàn)的子代病毒不會(huì)帶上放射性，標(biāo)記U 的那組實(shí)驗(yàn)的子代病毒會(huì)帶有放射性。注意答題時(shí)要把假說演繹分析的結(jié)果反過來描述，即把“若A，則B”改為“若B，則A”。

該題的難點(diǎn)是自變量的確定，DNA 和RNA 的化學(xué)組成的區(qū)別是五碳糖和堿基不同，如果學(xué)生審題時(shí)忽略了題干中的“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”這一條件，就很有可能會(huì)弄錯(cuò)自變量，從而導(dǎo)致錯(cuò)答該題。另外，該題實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)不強(qiáng)調(diào)用等量的宿主細(xì)胞、接種等量的病毒等，即不強(qiáng)調(diào)等量原則，也不強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，而是關(guān)注自變量、因變量、對(duì)照設(shè)置以及自變量和因變量的關(guān)系。

二、實(shí)例二

（一）題目（節(jié)選）

將生長(zhǎng)在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進(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，葉片氣孔開度減小。回答下列問題。

（3）有研究表明：干旱條件下氣孔開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)來驗(yàn)證這一結(jié)論，要求簡(jiǎn)要寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

（二）分析與討論

這道題是2019 年高考全國Ⅰ卷理綜第29 題，相比2017 年高考全國Ⅰ卷理綜第29 題，該題要相對(duì)簡(jiǎn)單些。但筆者在和一部分學(xué)生交流時(shí)發(fā)現(xiàn)他們存在兩種典型錯(cuò)誤。第一種是實(shí)驗(yàn)材料用錯(cuò)，既用了ABA 缺失突變體植株，又用了正常植株；第二種是只設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，只驗(yàn)證了干旱條件下氣孔開度減小的原因中的一種，即只驗(yàn)證了不是由缺水直接引起的，或是只驗(yàn)證了是由ABA 引起的。

這道題的題干明確給出實(shí)驗(yàn)材料要選擇ABA缺失突變體植株，而有意回避正常植株，那是因?yàn)檎Ｖ仓暝谌彼畷r(shí)會(huì)合成ABA，使氣孔開度減小，從而使實(shí)驗(yàn)變得復(fù)雜。因此，本題的實(shí)驗(yàn)用ABA缺失突變體植株作為實(shí)驗(yàn)材料，降低了題目的難度。題給的實(shí)驗(yàn)材料是ABA 缺失突變體植株，所以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)只能用此材料，不能用其他材料。

這道題的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證干旱條件下氣孔開度減小的兩個(gè)原因，第一個(gè)要驗(yàn)證它不是由缺水直接引起的，第二個(gè)要驗(yàn)證它是由ABA 引起的。很顯然，這是雙自變量問題，因此需要設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，即一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水引起的，另一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證干旱條件下氣孔開度減小是由ABA 引起的。那么這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)照又該如何設(shè)置？若第一個(gè)實(shí)驗(yàn)用空白對(duì)照，則需兩組實(shí)驗(yàn)，一組材料正常處理，另一組材料干旱處理，每組材料處理前后都需測(cè)氣孔開度。而第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的空白對(duì)照其實(shí)包含了自身對(duì)照，所以驗(yàn)證干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，最好用自身對(duì)照。自身對(duì)照實(shí)驗(yàn)思路如下：首先測(cè)定ABA 缺失突變體植株在正常條件下的氣孔開度，然后經(jīng)干旱處理后，再測(cè)定該植株的氣孔開度，預(yù)期結(jié)果是經(jīng)干旱處理后該植株的氣孔開度未發(fā)生變化。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)如果也用自身對(duì)照，首先要測(cè)定ABA 缺失突變體植株的氣孔開度，然后在干旱條件下給予ABA 處理，最后測(cè)定該植株的氣孔開度。但這樣就無法排除溶解ABA 的溶劑對(duì)氣孔開度的影響。因此，驗(yàn)證干旱條件下氣孔開度減小是由ABA 引起的，最好選用空白對(duì)照。空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照組要用溶解ABA 的溶劑來處理植株，從而排除溶劑對(duì)氣孔開度的影響?？瞻讓?duì)照實(shí)驗(yàn)思路如下：取干旱處理的ABA 缺失突變體植株分成兩組，分別測(cè)定兩組的氣孔開度；在干旱條件下，對(duì)其中一組進(jìn)行ABA 處理，而另外一組作為對(duì)照組，一段時(shí)間后，再分別測(cè)定兩組的氣孔開度，預(yù)期結(jié)果是經(jīng)ABA 處理的植株的氣孔開度減小，而未做處理的對(duì)照組的植株的氣孔開度不變。

由以上分析可知，該題的實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)也并未強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，比如在第二個(gè)空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，沒有強(qiáng)調(diào)兩組是否用等量的ABA 缺失突變體植株，也沒有強(qiáng)調(diào)如何平衡和消除無關(guān)變量。

上述實(shí)驗(yàn)思路是設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來分別驗(yàn)證干旱條件下氣孔開度減小的原因，即它不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的。那如果設(shè)計(jì)一個(gè)含有三組變量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，是否可以呢？首先取在正常條件下的ABA 缺失突變體植株，分成甲、乙和丙三組，分別測(cè)定三組植株的氣孔開度，然后甲組正常澆水，乙組干旱處理，丙組給予干旱及ABA共同處理，培養(yǎng)一段時(shí)間后，再分別測(cè)定三組植株的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是甲組和乙組植株的氣孔開度均未發(fā)生變化，而丙組的植株氣孔開度減小了。上述實(shí)驗(yàn)中，甲組和乙組對(duì)照能說明干旱條件處理下植株的氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，乙組和丙組對(duì)照能說明干旱條件下植株的氣孔開度減小是由ABA 直接引起的。如果不考慮溶解ABA的溶劑對(duì)植株氣孔開度的影響（事實(shí)上影響近似為零），那么可以這樣設(shè)計(jì)。如果考慮溶解ABA的溶劑對(duì)植株氣孔開度的影響，那么最好按照上述分析來設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證水和ABA的作用。

三、總結(jié)

通過上述兩個(gè)實(shí)例可以看出，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路時(shí)要重點(diǎn)提取題干中的有效信息和利用教材中的有關(guān)生物學(xué)原理和規(guī)律。實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)一般不強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，如不強(qiáng)調(diào)等量原則以及無關(guān)變量如何平衡和消除等，而是關(guān)注自變量、因變量的確定以及對(duì)照組的設(shè)置，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定自變量和因變量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)類題型旨在考查學(xué)生的思維能力，而非實(shí)際操作能力。

實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)是較為“粗線條”的思考過程，需要言簡(jiǎn)意賅，并要注意遵循對(duì)照原則和單一變量原則，其書寫格式為“材料+自變量+檢測(cè)因變量+預(yù)期”。