實(shí)驗(yàn)定量類試題的命題研究

江蘇

生物科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。積極開展生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生生命觀念、社會(huì)責(zé)任和提升科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的必然之路，是促進(jìn)學(xué)生達(dá)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐。生物實(shí)驗(yàn)一直是高考考查的重點(diǎn)內(nèi)容，近年來高考實(shí)驗(yàn)命題也在穩(wěn)中求變，在變中創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)命題由以往的對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、方法步驟、注意事項(xiàng)、結(jié)果評(píng)價(jià)等方面的考查逐步向?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)、模擬操作、定量分析、科學(xué)探究等方面過渡，進(jìn)一步突出對(duì)實(shí)驗(yàn)“真實(shí)性”的考查，即實(shí)驗(yàn)應(yīng)是學(xué)生動(dòng)手做出來的，不應(yīng)是教師講出來的，也不應(yīng)是學(xué)生看視頻看出來的，更不應(yīng)是學(xué)生背出來的?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施建議中指出：在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)給學(xué)生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測(cè)量方法，實(shí)事求是地記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。下面選取幾道實(shí)驗(yàn)題的定量考查進(jìn)行評(píng)析，望能引起師生對(duì)生物定量實(shí)驗(yàn)開設(shè)的重視。

1.實(shí)驗(yàn)試劑稱量的感性認(rèn)識(shí)

生物實(shí)驗(yàn)的成功，離不開科學(xué)的設(shè)計(jì)，離不開正確地選擇實(shí)驗(yàn)材料，離不開正確的方法步驟，同時(shí)還離不開對(duì)實(shí)驗(yàn)試劑的準(zhǔn)確稱量。盡管考試中對(duì)試劑的具體用量一般不作明確的要求，但在做實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生必須定量地量取。如鑒定蛋白質(zhì)所用的雙縮脲試劑，向2 mL組織樣液中先加雙縮脲試劑A液1 mL搖勻，再滴加雙縮脲試劑B液4滴搖勻，觀察顏色變化。若學(xué)生滴加雙縮脲試劑B液過多，就不能在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到顏色的變化。如果學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)試劑稱量多一份感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)“變色”原理多一份理解：蛋白質(zhì)與Cu2+在堿性環(huán)境下形成紫色絡(luò)合物。未做過此實(shí)驗(yàn)的學(xué)生往往對(duì)雙縮脲試劑的使用與斐林試劑的使用混淆不清。

【例1】（2016年，江蘇卷，第17題）下列用鮮菠菜進(jìn)行色素提取、分離實(shí)驗(yàn)的敘述，正確的是 （ ）

A. 應(yīng)該在研磨葉片后立即加入CaCO3，防止酸破壞葉綠素

B. 即使菜葉剪碎不夠充分，也可以提取出4種光合作用色素

C. 為獲得10 mL提取液，研磨時(shí)一次性加入10 mL乙醇研磨效果最好

D. 層析完畢后應(yīng)迅速記錄結(jié)果，否則葉綠素條帶會(huì)很快隨溶液揮發(fā)消失

【答案】B

【評(píng)析】CaCO3可防止酸破壞葉綠素，應(yīng)在研磨前加入少許CaCO3，A錯(cuò)誤；菜葉剪碎不夠充分，一般不會(huì)明顯影響研磨，且色素含量并沒有減少，所以仍可提取出4種光合作用色素，B正確；由于研磨時(shí)乙醇揮發(fā)，故要獲得10 mL提取液，研磨時(shí)應(yīng)加入多于10 mL的乙醇，C錯(cuò)誤；層析完畢后應(yīng)迅速記錄結(jié)果，否則葉綠素條帶會(huì)因色素分解而消失，但不會(huì)隨層析液揮發(fā)而消失，D錯(cuò)誤。

本題選項(xiàng)C具有很大的迷惑性，但有實(shí)際操作的學(xué)生對(duì)此具有感性認(rèn)識(shí)，研磨葉片時(shí)要迅速充分，減少無水乙醇的揮發(fā)。如要獲得10 mL提取液，研磨時(shí)僅僅加10 mL的乙醇是不夠的。

【例2】某興趣小組進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹勘容^甲、乙、丙三種微生物所產(chǎn)生的淀粉酶的活性。

【實(shí)驗(yàn)原理】略

【實(shí)驗(yàn)材料】三種微生物淀粉酶提取液（設(shè)提取液中酶濃度相同）等。

【實(shí)驗(yàn)步驟】a.取四支試管，分別編號(hào)；

b.按表1內(nèi)要求進(jìn)行操作：

表1

c.將上述四支試管放入37℃水浴保溫1 h；

d.在上述四支試管冷卻后滴入碘液；

e.觀察比較實(shí)驗(yàn)組的三支試管與對(duì)照組試管的顏色及其深淺。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】

表2

請(qǐng)分析回答下列問題：

（1）表中 A 的數(shù)值為________ ，C 處的顏色深淺程度最可能為_______ （用一定數(shù)量的“+”或“-”表示）。

（2）該實(shí)驗(yàn)的自變量是___________________________ ，無關(guān)變量有_________________________ （寫出 2 種即可）。

（3） 除了用碘液檢測(cè)淀粉的剩余量來判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果外，還可以用___________ 試劑來檢測(cè)生成物的量。若用該試劑檢測(cè)，結(jié)果顏色最深的試管是____________ 。

【答案】（1）2.3 +++（或多于+++）（2）不同的淀粉酶提取液 各組間pH、溫度、加入提取液的量和濃度、淀粉溶液的量和濃度等 （3）斐林試劑 試管2

【評(píng)析】（1）試管4為對(duì)照組，故試管內(nèi)溶液含量與其他三支試管內(nèi)的相同，即A=2.3。試管4的顏色最深，應(yīng)為+++（或多于+++）。（2）該實(shí)驗(yàn)的目的是比較甲、乙、丙三種微生物所產(chǎn)生的淀粉酶的活性，因而實(shí)驗(yàn)的自變量是不同的淀粉酶，其他如pH、溫度、提取液的量和濃度等都為無關(guān)變量，應(yīng)保持相同或一致。（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果是用碘液檢測(cè)分解后淀粉的殘留量，也可以用斐林試劑檢測(cè)淀粉水解的產(chǎn)物量。四組實(shí)驗(yàn)中試管4為對(duì)照組，從結(jié)果可推測(cè)試管2中淀粉酶的活性最高，其次是試管3、試管1。如改用斐林試劑檢測(cè)，結(jié)果顏色最深的應(yīng)是試管2。

本題錯(cuò)誤率最高的是第（1）問表中A的數(shù)值，絕大多數(shù)學(xué)生都填寫“2”，原因是學(xué)生都能判斷出該實(shí)驗(yàn)為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，根據(jù)控制無關(guān)變量的要求，蒸餾水用量應(yīng)相同，而忽視了試管液體總體積也應(yīng)要一致的原則。但是考生若有實(shí)驗(yàn)操作的經(jīng)歷，則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)試劑稱量有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，也有助于答題。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的理性分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論并不等同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過觀察、測(cè)量、統(tǒng)計(jì)所得到的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)結(jié)論是通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，所得出規(guī)律性的理性判斷，故對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)要做理性分析。如采用稀釋涂布平板法統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)目，統(tǒng)計(jì)的菌落數(shù)往往比活菌的實(shí)際數(shù)目低。原因是當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)細(xì)胞連在一起時(shí)，平板上觀察到的只是一個(gè)菌落；再如樣品的稀釋程度將直接影響平板上生長的菌落數(shù)目，在實(shí)際操作中，通常選用一定稀釋范圍的樣品液進(jìn)行培養(yǎng)，以保證獲得菌落數(shù)在30～300之間，成為適于計(jì)數(shù)的平板。另外，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，通常需采用平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，求平均值。

【例3】（2017年，江蘇卷，第31題）苯酚及其衍生物廣泛存在于工業(yè)廢水中，對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重危害。小明同學(xué)準(zhǔn)備依據(jù)圖1操作步驟，從處理廢水的活性污泥中分離篩選酚降解高效菌株。請(qǐng)回答下列問題：

圖1

（1）酚降解菌富集培養(yǎng)基含有蛋白胨、K2HPO4、MgSO4、苯酚和水，其中可作為碳源的有________________________ 。

（2）將采集到的樣品接種培養(yǎng)，苯酚用量應(yīng)隨轉(zhuǎn)接次數(shù)增加而逐漸_____________________ 。以達(dá)到富集酚降解菌的目的。若圖1平板中菌落過于密集，應(yīng)進(jìn)一步______________ ，以便于菌落計(jì)數(shù)與分離。制備平板培養(yǎng)基時(shí)除了需要水、營養(yǎng)物質(zhì)外，還必須添加____________________ 。

（3）圖2為連續(xù)劃線法示意圖，在圖中___________（填圖中序號(hào)）區(qū)域更易獲得單菌落。

圖2

（4）采用比色測(cè)定法（使用苯酚顯色劑）檢測(cè)降解后的廢水中苯酚殘留量。先制作系列濃度梯度并進(jìn)行顯色反應(yīng)，表3中1～5 號(hào)比色管的苯酚濃度應(yīng)分別為____________ 。如果廢水為50 mg/L苯酚溶液，降解后約有21%的苯酚殘留，則需將殘留液稀釋___________ （填序號(hào)：① 5 ② 10③20）倍后，再進(jìn)行比色。

表3

【答案】（1）蛋白胨、苯酚 （2）增加 稀釋涂布 凝固劑 （3）③（4）0、0.2、0.4、0.6、0.8 ③

【評(píng)析】（1）培養(yǎng)基成分中的有機(jī)物均可以提供碳源，即蛋白胨、苯酚均可以作為碳源。（2）分析實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖呛Y選酚降解菌，因此將采集到的樣品接種培養(yǎng)，苯酚用量應(yīng)隨轉(zhuǎn)接次數(shù)增加而逐漸增加，以達(dá)到富集酚降解菌的目的。若圖1平板中菌落過于密集，應(yīng)進(jìn)一步稀釋涂布，以便于菌落計(jì)數(shù)與分離。平板培養(yǎng)基屬于固體培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基需要加入瓊脂作為凝固劑。（3）平板劃線法中，隨著劃線次數(shù)的增加，菌種進(jìn)一步被稀釋，因此圖中③區(qū)域更易獲得單菌落。（4）進(jìn)行比色測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要設(shè)置濃度為0的苯酚作為空白對(duì)照組，6號(hào)試管苯酚濃度1 mg/L，為設(shè)置的最高濃度，由此可見，濃度梯度應(yīng)該為0.2，即表中1～5號(hào)比色管的苯酚濃度應(yīng)分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8。如果廢水為50 mg/L的苯酚溶液，降解后約有21%的苯酚殘留，即殘留液中苯酚濃度為10.50 mg/L，與以上6支試管中的濃度相比，需要將殘留液稀釋20倍后，再進(jìn)行比色。

本題錯(cuò)誤率最高的是第（4）問。酚降解菌降解苯酚的能力可以采用比色測(cè)定法測(cè)定，測(cè)定前應(yīng)先制作苯酚標(biāo)準(zhǔn)液系列濃度并進(jìn)行顯色反應(yīng)，而顯色反應(yīng)需要空白對(duì)照。較多學(xué)生缺少苯酚標(biāo)準(zhǔn)液濃度為0的空白對(duì)照。降解后苯酚殘留量的大小與菌株降解能力有關(guān)，一般情況下，需要預(yù)估降解液中苯酚的殘留量，稀釋后的濃度最好落在苯酚標(biāo)準(zhǔn)液系列濃度梯度中間。較多學(xué)生選了②，廢水為50 mg/L苯酚溶液降解后約有21%的苯酚殘留，稀釋10倍，結(jié)果為1.050 mg/L，超過了1.0 mg/L，也就不在苯酚標(biāo)準(zhǔn)液系列濃度梯度中間，結(jié)果無法參照。

【例4】（2018年，江蘇卷，第31題節(jié)選）酵母的蛋白質(zhì)含量可達(dá)自身干重的一半，可作為飼料蛋白的來源。有些酵母可以利用工業(yè)廢甲醇作為碳源進(jìn)行培養(yǎng)，這樣既可減少污染又可降低生產(chǎn)成本。研究人員擬從土壤樣品中分離該類酵母，并進(jìn)行大量培養(yǎng)。圖3所示為操作流程，請(qǐng)回答下列問題：

圖3

（4）步驟⑤中，為使酵母數(shù)量迅速增加，培養(yǎng)過程中需保證充足的營養(yǎng)和________ 供應(yīng)。為監(jiān)測(cè)酵母的活細(xì)胞密度，將發(fā)酵液稀釋1 000倍后，經(jīng)等體積臺(tái)盼藍(lán)染液染色，用25×16型血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)5個(gè)中格中的細(xì)胞數(shù)，理論上______ 色細(xì)胞的個(gè)數(shù)應(yīng)不少于______ ，才能達(dá)到每毫升3×109個(gè)活細(xì)胞的預(yù)期密度。

【答案】氧氣 無 30

【評(píng)析】解答本題的關(guān)鍵在于經(jīng)等體積臺(tái)盼藍(lán)染液染色后，是否注意到稀釋倍數(shù)的變化。試題設(shè)計(jì)與血球計(jì)數(shù)板的常規(guī)計(jì)算不同，一是考慮到活菌數(shù)，需把死亡菌體排除，可用臺(tái)盼藍(lán)染液進(jìn)行染色。正常細(xì)胞具有完整的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，而死亡的細(xì)胞其細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被破壞，臺(tái)盼藍(lán)染液無法通過正常的細(xì)胞膜因而正常的細(xì)胞不被臺(tái)盼藍(lán)染液染色，而死細(xì)胞則可被臺(tái)盼藍(lán)染液染成藍(lán)色；二是考慮到稀釋倍數(shù)的變化，經(jīng)等體積臺(tái)盼藍(lán)染液染色，對(duì)發(fā)酵液而言類似于稀釋1倍，故發(fā)酵液實(shí)際稀釋倍數(shù)為2 000倍。設(shè)5個(gè)中格中的細(xì)胞數(shù)為a，則公式為a/80×400×10 000×2 000（稀釋倍數(shù)）≥ 3×109，求得 a ≥ 30。較多考生計(jì)算得60，原因是只考慮到臺(tái)盼藍(lán)染色，而沒考慮到等體積臺(tái)盼藍(lán)染液染色時(shí)已將發(fā)酵液稀釋了1倍。

3.實(shí)驗(yàn)定量考查的答題指導(dǎo)

（1）創(chuàng)設(shè)更多實(shí)驗(yàn)活動(dòng)機(jī)會(huì)，掌握生物學(xué)研究中的測(cè)量方法。除需開設(shè)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》規(guī)定的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)外，教師還需要注意加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的課內(nèi)、課外結(jié)合，應(yīng)有計(jì)劃地安排好需要用一定時(shí)間才能完成的課外活動(dòng)，包括必要的調(diào)查、訪問、參觀、資料收集整理以及觀察記錄等，教師指導(dǎo)學(xué)生掌握生物學(xué)研究中的測(cè)量方法，整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

（2）明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，是準(zhǔn)確審題的關(guān)鍵。如例2中，題目已強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^甲、乙、丙三種微生物所產(chǎn)生淀粉酶的活性，而實(shí)驗(yàn)原理在題干中已省略。學(xué)生首先要明確這是一個(gè)單因子對(duì)照實(shí)驗(yàn)，自變量是不同種類微生物淀粉酶，因變量是檢測(cè)淀粉酶的活性。而題中因變量可通過反應(yīng)物的消耗量或產(chǎn)物的生成量來檢測(cè)。明確了實(shí)驗(yàn)原理，在實(shí)驗(yàn)操作中就進(jìn)一步了解控制無關(guān)變量的重要性，因?yàn)闊o關(guān)變量的含量也會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也就會(huì)影響對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的判斷。

（3）規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作和流程，是掌握評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。如例1中，在研磨綠葉時(shí)，動(dòng)作要迅速、充分。迅速，是為了減少無水乙醇的揮發(fā)；充分，是為了提取更多的色素。在研磨液過濾時(shí)，漏斗基部放一塊單層尼龍布，而不用濾紙，是為了減少色素的損耗等。有了規(guī)范的操作和流程，就有了判斷的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，解題時(shí)就能做到去粗取精，去偽存真。

（4）注重科學(xué)思維訓(xùn)練，提高科學(xué)探究能力。教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生使其具備能夠發(fā)現(xiàn)實(shí)際生活中的生物學(xué)問題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及對(duì)結(jié)果的交流與討論的能力。如例4中，為檢測(cè)酵母的活細(xì)胞密度，將發(fā)酵液稀釋1 000倍后，經(jīng)等體積臺(tái)盼藍(lán)染液染色，發(fā)酵液稀釋倍數(shù)是否發(fā)生了變化，這成了思維分歧的焦點(diǎn)。若學(xué)生平時(shí)經(jīng)過嚴(yán)格的思維訓(xùn)練，審題時(shí)對(duì)“等體積”臺(tái)盼藍(lán)染液染色就能引起關(guān)注。學(xué)科核心素養(yǎng)的考查不是一句空話，在本小問中就得到充分體現(xiàn)。在平時(shí)的教學(xué)中，教師要更新觀念，讓學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地生根，在實(shí)驗(yàn)定量考查乃至高考中才能開出美麗的花，結(jié)出豐碩的果。