劉啟明

(廣東省梅州市興寧市第一中學(xué))

回顧近年各地高考生物試題,探究(驗(yàn)證)類的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型題頻頻出現(xiàn),如2022年廣東卷第18題第(3)小題、2021年理綜全國乙卷第29題第(3)小題、2020年山東卷第22題第(4)小題、2019年全國卷Ⅰ卷第29題第(3)小題、Ⅱ卷第37題第(3)小題、Ⅲ卷第29題第(2)小題等。命題者偏愛此類題型,是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類題型最能體現(xiàn)科學(xué)思維和科學(xué)探究這兩大生物學(xué)科核心素養(yǎng),最能體現(xiàn)綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類題型往往以動(dòng)植物生理、代謝等領(lǐng)域的新材料或科學(xué)實(shí)驗(yàn)作情境,要求考生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案(實(shí)驗(yàn)思路或?qū)嶒?yàn)步驟)及預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,考查考生實(shí)驗(yàn)探究過程中對(duì)照設(shè)置、加法原理或減法原理在自變量控制的應(yīng)用、無關(guān)變量的控制、因變量指標(biāo)選擇、結(jié)果預(yù)測(cè)等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法和思維。

從答題情況看,此類型題目普遍得分率較低,往往表現(xiàn)為解題思路不清,解題步驟不明,表述散亂隨意,甚至跳過不答等。筆者以近年的高考題為例,結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),淺談實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類題型的突破策略。

一、高考試題分析

【例題1】(2022·廣東卷·第18題節(jié)選)研究者將玉米幼苗置于三種條件下培養(yǎng)10天后(圖a),測(cè)定相關(guān)指標(biāo)(圖b),探究遮陰比例對(duì)植物的影響。回答下列問題:

圖1

(3)某興趣小組基于上述B組條件下玉米生長更快的研究結(jié)果,作出該條件可能會(huì)提高作物產(chǎn)量的推測(cè),由此設(shè)計(jì)了初步實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究:

實(shí)驗(yàn)材料:選擇前期________一致、生長狀態(tài)相似的某玉米品種幼苗90株。

實(shí)驗(yàn)方法:按圖10a所示的條件,分A、B、C三組培養(yǎng)玉米幼苗,每組30株;其中以________為對(duì)照,并保證除________外其他環(huán)境條件一致。收獲后分別測(cè)量各組玉米的籽粒重量。

結(jié)果統(tǒng)計(jì):比較各組玉米的平均單株產(chǎn)量。

分析討論:如果提高玉米產(chǎn)量的結(jié)論成立,下一步探究實(shí)驗(yàn)的思路是________。

【參考答案】(3)培養(yǎng)條件 A組和C組 光照條件 以其他作物為材料重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)(合理即可)

【試題解析】本題是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型題中補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)方案類,此類題型給出了部分信息,經(jīng)前后聯(lián)系和對(duì)照后,解題難度相對(duì)較小。思考路徑如下:

1.注意實(shí)驗(yàn)材料選擇時(shí)的無關(guān)變量等量且適宜的原則。本題材料選擇時(shí),應(yīng)當(dāng)選擇生長狀態(tài)相似的某玉米品種幼苗,且開始實(shí)驗(yàn)時(shí)的植株是適合光合作用的正常植株,因此還需注意前期“培養(yǎng)條件”一致,保證植株色素能正常合成,能進(jìn)行正常的光合作用。

2.注意實(shí)驗(yàn)方案中的分組對(duì)照、自變量的設(shè)置和控制、無關(guān)變量的控制及因變量的選擇。本題實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃谥皩?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究適當(dāng)遮陰能否提高作物產(chǎn)量。結(jié)合題中已有的實(shí)驗(yàn)方案信息,確定實(shí)驗(yàn)的自變量為圖1中的a,即不同的遮陰比例:A組不遮陰(以常態(tài)為空白對(duì)照),B組50%遮陰,C組100%遮陰(對(duì)照);因變量為作物平均單株產(chǎn)量,選擇各組玉米的籽粒重量為具體測(cè)量指標(biāo);無關(guān)變量為每組植株生理狀態(tài)和數(shù)量,以及除光照之外的其他環(huán)境條件。

3.下一步探究實(shí)驗(yàn)的思路一般為拓展實(shí)驗(yàn)對(duì)象,從定性實(shí)驗(yàn)向定量實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變或從一個(gè)影響因素向其他影響因素的探究轉(zhuǎn)變。因而本題下一步探究可以更換其他作物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),也可以從實(shí)驗(yàn)方案中的“探究適當(dāng)遮陰能否提高作物產(chǎn)量”這一定性實(shí)驗(yàn),向“探究能提高作物產(chǎn)量的最適遮光比例是多少”這一定量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究。

【例題2】(2020·山東卷·第22題節(jié)選)科研人員在轉(zhuǎn)入光敏蛋白基因的小鼠下丘腦中埋置光纖,通過特定的光刺激下丘腦CRH神經(jīng)元,在脾神經(jīng)纖維上記錄到相應(yīng)的電信號(hào),從而發(fā)現(xiàn)下丘腦CRH神經(jīng)元與脾臟之間存在神經(jīng)聯(lián)系,即腦-脾神經(jīng)通路。該腦-脾神經(jīng)通路可調(diào)節(jié)體液免疫,調(diào)節(jié)過程如圖2所示,圖3為該小鼠CRH神經(jīng)元細(xì)胞膜相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

(4)已知切斷脾神經(jīng)可以破壞腦-脾神經(jīng)通路,請(qǐng)利用以下實(shí)驗(yàn)材料及用具,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證破壞腦-脾神經(jīng)通路可降低小鼠的體液免疫能力。簡要寫出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路并預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)材料及用具:生理狀態(tài)相同的小鼠若干只,N抗原,注射器,抗體定量檢測(cè)儀器等。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路:________。

預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果:________。

【參考答案】取生理狀態(tài)相同的小鼠若干只,隨機(jī)均分為兩組,將其中一組小鼠的脾神經(jīng)切斷作為實(shí)驗(yàn)組,另一組作為對(duì)照組;分別給兩組小鼠注射相同劑量的N抗原;一段時(shí)間后,檢測(cè)兩組小鼠抗N抗體的產(chǎn)生量 實(shí)驗(yàn)組小鼠的抗N抗體產(chǎn)生量低于對(duì)照組的產(chǎn)生量

【試題解析】本題是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型題中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和預(yù)期結(jié)果類,此類題型除了給出部分已知的實(shí)驗(yàn)原理“切斷脾神經(jīng)可以破壞腦-脾神經(jīng)通路”和實(shí)驗(yàn)材料用具外,其他需考生自行設(shè)計(jì)并組織文字表述,解題難度相對(duì)較大。思考路徑如下:

1.明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)的三個(gè)變量。本實(shí)驗(yàn)的目的是“驗(yàn)證破壞腦-脾神經(jīng)通路可降低小鼠的體液免疫能力”,圍繞這個(gè)目的需設(shè)置有“腦-脾神經(jīng)通路”和無“腦-脾神經(jīng)通路”這組對(duì)照,故本實(shí)驗(yàn)需分組成對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)照。因變量為“免疫能力是否降低”,結(jié)合材料用具中的“抗體定量檢測(cè)儀器”可知,具體檢測(cè)指標(biāo)為“抗體的產(chǎn)生量”。無關(guān)變量為各組小鼠的生理狀態(tài)、注射的N抗原劑量、其他實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間等。

2.明確實(shí)驗(yàn)過程的基本表述格式。①取材(注意材料本身生理狀態(tài)等無關(guān)變量等量的表述)、分組(注意隨機(jī)、平均分組等表述)、編號(hào);②對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組如何處理以實(shí)現(xiàn)自變量的控制;③實(shí)驗(yàn)中反映因變量的具體觀察或測(cè)量的指標(biāo)。

3.注意無關(guān)變量操控的基本原則——等量且適宜原則在組織文字表述過程中的體現(xiàn)。如本題中實(shí)驗(yàn)中各組小鼠生理狀態(tài)需相同,注射的N抗原劑量應(yīng)等量,實(shí)驗(yàn)的其他條件應(yīng)適宜,各組實(shí)驗(yàn)時(shí)間應(yīng)相同等。

4.注意實(shí)驗(yàn)材料及用具的限制和提示。題中提供了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料及用具時(shí),需逐一分辨各材料用具的用途和目的,在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循“物盡其用”“不得添加”的原則,逐一體現(xiàn)在所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案中,否則方案就不完善。本題中“生理狀態(tài)相同的小鼠若干只”是實(shí)驗(yàn)生物材料,“N抗原”引發(fā)小鼠免疫,“注射器”用于注射N抗原,“抗體定量檢測(cè)儀器”則用于檢測(cè)抗體產(chǎn)生量即反映因變量的變化。

5.預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本環(huán)節(jié)要注意題中要求是預(yù)期最可能結(jié)果,還是需要預(yù)期各種可能結(jié)果。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一般是預(yù)期最可能結(jié)果,探究實(shí)驗(yàn)一般需預(yù)期各種可能結(jié)果及對(duì)應(yīng)的結(jié)論。本題是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),結(jié)合本實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹膀?yàn)證破壞腦-脾神經(jīng)通路可降低小鼠的體液免疫能力”,給出最可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果“實(shí)驗(yàn)組小鼠的抗N抗體產(chǎn)生量低于對(duì)照組的產(chǎn)生量”即可。

【例題3】(2019·全國卷Ⅰ·第29題節(jié)選)將生長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。要求簡要寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

【參考答案】取ABA缺失突變體植株在正常條件下測(cè)定氣孔開度,經(jīng)干旱處理后,再測(cè)定氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變。

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)定兩組的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是ABA處理組氣孔開度減小,對(duì)照組氣孔開度不變。

【試題解析】本題是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型題中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和預(yù)期結(jié)果類,此類題型除了給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)材料外,其他均需考生自行設(shè)計(jì)并組織文字表述,解題難度進(jìn)一步增大。思考路徑如下:

1.明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)的三個(gè)變量。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證“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”。需強(qiáng)調(diào)的是,本實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^“不是……而是……”表述格式,表明本實(shí)驗(yàn)既要驗(yàn)證“不是……”,又要驗(yàn)證“而是……”這兩個(gè)并列目的,不能只驗(yàn)證其中一個(gè)。圍繞驗(yàn)證“氣孔開度減小不是由缺水直接引起的”這一目的時(shí),需設(shè)置“水分正?！焙汀案珊怠边@一自變量的自身前后對(duì)照或分組對(duì)照;圍繞驗(yàn)證“而是由ABA引起的”這一目的時(shí),需設(shè)置“有ABA”和“無ABA”這一自變量的對(duì)照。因變量是植株葉片氣孔開度的變化,除了自變量之外的其他影響因素是無關(guān)變量,如植株類型、植株生理狀態(tài),植株數(shù)量、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度等。

2.明確實(shí)驗(yàn)過程的基本表述格式。①取材(注意材料本身生理狀態(tài)等無關(guān)變量等量的表述)、分組(注意隨機(jī)、平均分組等表述)、編號(hào);②對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組如何處理以實(shí)現(xiàn)自變量的控制;③實(shí)驗(yàn)中反映因變量的具體觀察或測(cè)量的指標(biāo)。

3.注意實(shí)驗(yàn)材料的限制。本題中明確提出“以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料”,故在圍繞驗(yàn)證“而是由ABA引起的”這一目的設(shè)置“有ABA”和“無ABA”這組對(duì)照時(shí),不能采用能產(chǎn)生ABA的正常植株和不能產(chǎn)生ABA的突變體植株做對(duì)照,只能是在ABA缺失突變體植株的基礎(chǔ)上,人為施加ABA和不施加ABA作為對(duì)照。

4.實(shí)驗(yàn)采用自身前后對(duì)照以反映某因變量的變化時(shí),一定要注意實(shí)驗(yàn)前測(cè)量的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)后測(cè)量的數(shù)據(jù)的對(duì)比。即要有前測(cè)和后測(cè),不能只有后測(cè)而無前測(cè),否則無法反映變化。

5.預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本題的實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),結(jié)合本實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹膀?yàn)證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”,給出最可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果“干旱處理前后氣孔開度不變”和“ABA處理組氣孔開度減小,對(duì)照組氣孔開度不變”即可。

二、解題策略

結(jié)合上述例題的解析過程,可以總結(jié)出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型題型的解題策略:

(一)明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)的三個(gè)變量的操控

1.仔細(xì)閱讀題干和問題,弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康?是為了探究(驗(yàn)證)XX因素(自變量)對(duì)XX指標(biāo)(因變量)的影響;探究或驗(yàn)證涉及的目是一個(gè)還是多個(gè)。

2.明確實(shí)驗(yàn)的三個(gè)變量的操控。實(shí)驗(yàn)的自變量往往圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定,通過“加法原理”或“減法原理”來實(shí)現(xiàn)自變量的定性對(duì)照或者定量對(duì)照。定性對(duì)照一般只需設(shè)置“有、無”或“高、中、低”的典型代表對(duì)照組即可,定量對(duì)照一般需在合理范圍內(nèi)設(shè)置合適梯度進(jìn)行多組對(duì)照。對(duì)照方法可以根據(jù)題目情境或要求,選擇空白對(duì)照、自身前后對(duì)照、對(duì)比實(shí)驗(yàn)、條件對(duì)照等一種或幾種對(duì)照;因變量往往需要選擇一個(gè)或幾個(gè)能相對(duì)準(zhǔn)確反映自變量的觀察或測(cè)量的具體指標(biāo),除題中有特殊方法或儀器等限制外,一般考慮簡單易觀測(cè)的指標(biāo)即可;無關(guān)變量的操控是實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),往往需要遵循無關(guān)變量相同(等量)且適宜的原則,否則會(huì)導(dǎo)致無關(guān)變量影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差或?qū)嶒?yàn)結(jié)果錯(cuò)誤,進(jìn)而影響結(jié)論的準(zhǔn)確性。

(二)明確實(shí)驗(yàn)有無材料用具或?qū)嶒?yàn)方法的限制

閱讀題干和問題時(shí),一定注意題目是否提供相應(yīng)的材料用具和儀器。若有,必須遵循“物盡其用、不得遺漏、不得添加”的基本原則,弄清相應(yīng)的材料有無特殊性,每種藥品(試劑)、儀器(用具)的作用和目的,在設(shè)計(jì)的方案中逐一體現(xiàn)每種材料、藥品(試劑)和儀器(用具)等在相應(yīng)環(huán)節(jié)的體現(xiàn)。

部分題目在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí),有明確要求使用相應(yīng)的方法如同位素標(biāo)記、離心法、顯微鏡觀察法等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此時(shí),必須注意按照要求進(jìn)行,不得另用它法。

(三)明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般表述模板,恰當(dāng)組織文字作答

實(shí)驗(yàn)方案(思路或步驟)的一般表述格式:

①取材(注意材料本身生理狀態(tài)等無關(guān)變量等量的表述)、分組(注意隨機(jī)、平均分組、材料數(shù)量等表述)、編號(hào);

②各對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組如何處理以實(shí)現(xiàn)自變量的變化控制[注意實(shí)驗(yàn)藥品(試劑)濃度或用量、實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等無邊變量等量且適宜的表述];

③指出反映因變量的具體觀察或測(cè)量的指標(biāo)、觀察或檢測(cè)的方法,以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理(注意數(shù)據(jù)是否需要計(jì)算平均值等)。

(四)明確預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論完整齊全

注意題中要求是預(yù)期最可能結(jié)果,還是需要預(yù)期各種可能結(jié)果。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一般是給出最符合實(shí)驗(yàn)原理和目的的一種結(jié)果和結(jié)論即可,探究性實(shí)驗(yàn)一般結(jié)果未知,需預(yù)期各種可能結(jié)果及對(duì)應(yīng)的結(jié)論。在預(yù)期多種可能結(jié)果時(shí),一般需考慮“A有B無”“A無B有”“AB均有”“AB均無”等各種可能,不要遺漏相關(guān)可能性。

三、總結(jié)

為了方便記住解題一般思路和方法,筆者把上述內(nèi)容概括為以下幾句順口溜:

思路要簡約,步驟細(xì)分步。

原理要仿照,課本或題意。

套用或遷移,最相似情景。

實(shí)驗(yàn)三變量,控制細(xì)思量。

分組必編號(hào),用來做對(duì)照。

環(huán)境要相同,試劑要等量。

器具要用盡,前后要聯(lián)系。