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        例析高考生物試題中實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)

        2022-12-21 23:53:12安徽省蒙城第一中學(xué)233500耿美玲
        中學(xué)教學(xué)參考 2022年23期
        關(guān)鍵詞:新病毒氣孔開(kāi)度

        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(lái),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(lèi)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(kāi)來(lái),具有很好的選拔功能。當(dāng)然,這類(lèi)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(guó)Ⅰ卷理綜第29題和2019 年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第29 題這兩道高考真題來(lái)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(lèi)型。有些病毒對(duì)人類(lèi)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(lèi)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(lèi)型,簡(jiǎn)要寫(xiě)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(guó)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(lái)培養(yǎng)宿主細(xì)胞,同時(shí),乙組用沒(méi)有放射性同位素標(biāo)記的培養(yǎng)基來(lái)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(méi)有,則新病毒為DNA 病毒;若甲、乙兩組的子代病毒都沒(méi)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(lái)培養(yǎng)宿主細(xì)胞,乙組同上,所得子代病毒類(lèi)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(méi)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(méi)有放射性時(shí),只能用反證法推理新病毒的類(lèi)型,而不是直接推理。因此,即使題干沒(méi)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(lái)培養(yǎng)宿主細(xì)胞,乙組用已標(biāo)記核糖的培養(yǎng)基來(lái)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(lèi)答案的原因是沒(méi)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(méi)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(lèi)型,用是否有放射性來(lái)檢測(cè)新病毒的類(lèi)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(lái)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(shuō)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(shuō)演繹分析的結(jié)果反過(guò)來(lái)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(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。

        (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。

        (二)分析與討論

        這道題是2019 年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第29 題,相比2017 年高考全國(guó)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)度,然后經(jīng)干旱處理后,再測(cè)定該植株的氣孔開(kāi)度,預(yù)期結(jié)果是經(jīng)干旱處理后該植株的氣孔開(kāi)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(kāi)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(kāi)度。但這樣就無(wú)法排除溶解ABA 的溶劑對(duì)氣孔開(kāi)度的影響。因此,驗(yàn)證干旱條件下氣孔開(kāi)度減小是由ABA 引起的,最好選用空白對(duì)照??瞻讓?duì)照實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照組要用溶解ABA 的溶劑來(lái)處理植株,從而排除溶劑對(duì)氣孔開(kāi)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(kāi)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(kāi)度,預(yù)期結(jié)果是經(jīng)ABA 處理的植株的氣孔開(kāi)度減小,而未做處理的對(duì)照組的植株的氣孔開(kāi)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(méi)有強(qiáng)調(diào)兩組是否用等量的ABA 缺失突變體植株,也沒(méi)有強(qiáng)調(diào)如何平衡和消除無(wú)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(lái)分別驗(yàn)證干旱條件下氣孔開(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)度。預(yù)期結(jié)果是甲組和乙組植株的氣孔開(kāi)度均未發(fā)生變化,而丙組的植株氣孔開(kāi)度減小了。上述實(shí)驗(yàn)中,甲組和乙組對(duì)照能說(shuō)明干旱條件處理下植株的氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的,乙組和丙組對(duì)照能說(shuō)明干旱條件下植株的氣孔開(kāi)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(kāi)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(kāi)度的影響,那么最好按照上述分析來(lái)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(guò)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(wú)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(guò)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(lèi)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(guò)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(shū)寫(xiě)格式為“材料+自變量+檢測(cè)因變量+預(yù)期”。

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