巧用真題和原創(chuàng)題優(yōu)化實驗教學的策略

河北 王力強

生物學是一門實驗科學，生物實驗中蘊含著豐富的科學探究和科學思維的“原材料”，它既是生物學課堂教學的重點，也是高考的考查熱點。實驗專題的一輪復習，應(yīng)該著力培養(yǎng)學生的實驗設(shè)計能力以及對實驗結(jié)果進行分析和解釋的能力。為了讓實驗教學真正實現(xiàn)“落地生根”，筆者在復習課中嘗試使用“析—變—升”的教學思路?！拔觥笔菍Ω呖紝嶒灴键c的統(tǒng)計、分析和規(guī)劃；“變”是針對高考真題的導向，利用原創(chuàng)題和改編題對實驗設(shè)計情境進行重新編排、重組和改進；“升”是對實驗知識的整理、歸納和升華。這一思路的主要創(chuàng)新點在于對實驗教學的“變”，即引導學生通過實驗操作或者設(shè)計實驗，對實驗情境進行創(chuàng)設(shè)，從而提升科學思維和科學探究的素養(yǎng)。

1.統(tǒng)計和分析歷年高考真題對實驗探究能力測評手段的變化，把握復習方向

從2007 年寧夏啟用全國卷開始，高考真題逐漸用考查實驗思路代替考查實驗步驟，用考查對實驗結(jié)果的分析和解釋代替考查實驗?zāi)康呐c原理，逐步減少對實驗步驟具體細節(jié)的考查，并通過考查實驗思路設(shè)計與分析來體現(xiàn)學生科學思維的發(fā)展水平。筆者通過對2011—2019 年全國卷Ⅰ科學實驗類試題常用的三種測評手段的統(tǒng)計和分析，可以看出考查實驗探究能力的方法主要集中在對實驗結(jié)果的分析和解釋、設(shè)計實驗思路兩種測評手段上（如圖1）。

圖1 科學實驗類試題不同測評手段在2011 — 2019 年全國卷Ⅰ中的分值

結(jié)合對2019 年全國卷Ⅰ的分析，筆者發(fā)現(xiàn)高考真題具有兩大特點：一是對主干知識的考查集中在重要生物學過程上。如2019 年全國卷Ⅰ第2 題，主要考查學生對翻譯過程的理解，題目創(chuàng)設(shè)了體外合成同位素標記多肽鏈的情境，要求學生選擇該過程所需的材料，做題時需綜合考慮蛋白質(zhì)生物合成所需的原料、tRNA 和酶等條件。二是重視對實驗設(shè)計和實驗結(jié)果的分析、解釋的考查。解答此類試題時考生需要從多重實驗?zāi)康闹袆冸x出實驗變量進行分析，根據(jù)給定的實驗材料，運用實驗設(shè)計方法完成實驗探究。如2019 年全國卷Ⅰ第29 題第（3）問，主要考查學生對植物生命活動調(diào)節(jié)過程的理解，題目創(chuàng)設(shè)了探索干旱條件下氣孔開度減小的情境，要求學生結(jié)合歸因、推理和論證進行思考，以該種植物的ABA 缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設(shè)計一個實驗組進行自身前后對照，或分別設(shè)計實驗組和對照組進行平行實驗。

2.根據(jù)科學實驗的一般思路分步分析，對實驗設(shè)計情境進行重編重組，突破復習難點

實驗思路設(shè)計類原創(chuàng)命題可以在光合與呼吸實驗、遺傳學雜交實驗、動物和植物生命活動的調(diào)節(jié)實驗、微生物培養(yǎng)過程研究等內(nèi)容方面選材。在測評手段方面可以從確認變量和檢測指標、進行實驗假設(shè)和實驗預期、通過實驗現(xiàn)象分析和解釋原因等方面落實。筆者在復習課上重點對確認變量和檢測指標、設(shè)置對照實驗、對實驗結(jié)果的分析與解釋三個方面進行分析。

2.1 確認變量和檢測指標

變量是實驗過程中變化的因素，其中因?qū)嶒炚哂心康牡牟僮鞫淖兊淖兞糠Q作自變量，隨自變量改變而改變的變量稱作因變量。除自變量外，其他影響因變量的實驗條件稱作無關(guān)變量。實驗探究類命題的解題策略中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是確認變量。單一變量原則是指在盡可能控制無關(guān)變量的基礎(chǔ)上研究單一自變量對因變量的影響。

根據(jù)自變量的數(shù)量及關(guān)系，可將實驗設(shè)計分為四類：一是單一自變量影響單一因變量，一般需要進行自身前后對照。如小麥幼苗必需礦質(zhì)元素的鑒定、驗證胰島素具有降低血糖濃度的作用等實驗，都是以加入特定物質(zhì)前后癥狀表現(xiàn)的變化為觀測指標，形成前后對照。而教材中的“探究α-淀粉酶溶液促進淀粉水解的最適溫度”“探究生長素促進扦插枝條生根的最適濃度”等實驗，則是設(shè)置若干溫度梯度或濃度梯度的平行實驗，形成相互對照。二是兩個自變量相互獨立地對因變量產(chǎn)生影響或作用。如2017 年全國卷Ⅰ第3 題，為研究激素對葉片衰老的影響，將某植物離體葉片分組，分別置于蒸餾水、細胞分裂素（CTK）、脫落酸（ABA）、CTK+ABA 溶液中，再將各組置于光下，研究一段時間內(nèi)葉片中葉綠素含量的變化趨勢（如圖2）。

分析時應(yīng)先明確四組實驗的人為控制變量是所加物質(zhì)不同，是自變量；觀測指標是葉綠素相對含量，可反映葉片衰老程度，是因變量。由圖2 知，用CTK 處理葉片比用蒸餾水處理的葉片（對照組）中葉綠素的相對含量下降得慢，說明細胞分裂素有延緩該植物離體葉片衰老的作用。ABA 處理組葉綠素相對含量比對照組下降得快，說明ABA 能加速離體葉片由綠變黃的過程。用CTK ＋ABA 處理比用CTK 處理的葉片中葉綠素的相對含量下降得快，說明CTK 對該植物離體葉片的作用可被ABA 削弱。三是一個自變量通過影響另一個自變量對因變量產(chǎn)生影響或作用，如教材實驗“生物體維持pH 穩(wěn)定的機制”中，1 組蒸餾水為空白對照，2 組為生物材料，3 組為緩沖溶液，通過對1、2 組和1、3 組對比，可以發(fā)現(xiàn)生物體維持pH 穩(wěn)定的機制可能類似于酸堿緩沖物質(zhì)。四是多個自變量中只有一個自變量對因變量產(chǎn)生影響或作用，需要根據(jù)實驗相互驗證找出對因變量產(chǎn)生作用的自變量。如2017 年全國卷Ⅰ第29 題，請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細胞等為材料，設(shè)計實驗以確定一種新病毒的核酸類型。此題的解題關(guān)鍵就在于考生要判斷出該實驗中對因變量產(chǎn)生作用的自變量是病毒的核酸類型，即是DNA 或RNA，其內(nèi)特有的堿基分別是T 或U。

分析實驗時，教師要注意引導學生區(qū)分因變量和觀測指標，觀測指標是反映因變量的可直接觀測、易直接測量的實驗結(jié)果，直接或間接反映因變量。如過氧化氫酶催化過氧化氫分解的實驗中，因變量是反應(yīng)速率快慢，觀測指標是單位時間逸出氣泡的多少，或衛(wèi)生香燃燒的劇烈程度。

2.2 設(shè)置對照實驗

在對照實驗中，除因?qū)嶒炚哂心康牡牟僮鞫淖兊膶嶒灄l件外，其他變量均應(yīng)保持相同，并且每一組實驗材料的數(shù)量都要相同、充足，以減少偶然因素造成的實驗誤差，增強實驗可復制性和說服力。

【例1】研究者連續(xù)3 個月對60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔進行恐嚇實驗，觀察獺兔在持續(xù)緊張、不安、恐懼等負面情緒下細胞大小等形態(tài)方面和代謝速率方面的變化，旨在研究癌癥的心理致病因素。請完成下列實驗設(shè)計，并回答有關(guān)問題：

（1）_______________________________________________________。

（2）對實驗組獺兔每次喂食前用棍棒、手電光、狼狗咬等多種方法恐嚇10 min，保證每天至少恐嚇3 次以上，然后喂食，記錄獺兔每天遭受恐嚇后的情緒、進食及活動狀態(tài)。

（3）對對照組獺兔______________________________________________________。

（4）實驗結(jié)束，猝死獺兔，進行解剖和細胞形態(tài)學測定，獲取數(shù)據(jù)并進行分析。實驗組發(fā)現(xiàn)微小癌灶病例13 例，癌癥發(fā)病率為43.33%；對照組無癌變。對13 例微小癌灶定量分析了癌細胞和正常細胞ATP 相對量以及細胞核的長徑、橫徑、面積等。結(jié)果如表1：

據(jù)表1 可知，癌細胞與正常細胞相比，細胞________發(fā)生明顯改變，ATP 相對量減少很可能與負面情緒下毛細血管________________，造成組織缺氧有關(guān)，欲進一步驗證此觀點，可檢驗分析血液中 ________________（填一種有機物）的濃度。

【答案】（1）將60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔隨機分為等量的兩組（采分點“60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔”“隨機均分”）（3）絕對避免恐嚇和緊張，正常喂食與實驗組等量的相同飼料，其他飼養(yǎng)條件完全一致。（采分點“避免恐嚇”“其他飼養(yǎng)條件與實驗組完全一致”，意思對即可）記錄獺兔每天的情緒、進食及活動狀態(tài)（4）形態(tài)[或“長徑、橫徑、面積（缺一不可）”或“大小”] 收縮 乳酸

【點評】分析實驗的目的可知，其自變量是實驗過程中是否給予恐嚇和緊張。實驗設(shè)計第一步是對實驗材料進行分組，原則是隨機均分，本實驗要將60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔隨機分為等量的兩組。對比步驟（2）對實驗組的處理，根據(jù)單一變量原則，很容易確定第（3）步驟對對照組的處理：絕對避免恐嚇和緊張，正常喂食與實驗組等量的相同飼料，其他飼養(yǎng)條件完全一致。該實驗觀測指標是負面情緒下細胞形態(tài)的改變，所以實驗結(jié)果圍繞的是細胞形態(tài)的變化。

2.3 對實驗結(jié)果的分析與解釋

實驗探究中對實驗結(jié)果的分析與解釋是科學思維素養(yǎng)的外顯，可以讓學生學會如何提出、支持、評價以及修正觀點，運用證據(jù)論證自己的觀點，為研究問題做出合理的解釋。很多時候原創(chuàng)題還要考慮通過數(shù)據(jù)處理、歸因分析等對學生的科學表達能力進行考查，以及進行社會責任的德育滲透。

【例2】白血病和胃腸間質(zhì)瘤的發(fā)生與9 號染色體上的原癌基因ABL 易位至22 號染色體、與BCR 基因嵌合有關(guān)，其表達產(chǎn)物具有酪氨酸激酶活性，影響正常的細胞增殖和細胞凋亡。“格列衛(wèi)”是一種BCR-ABL 酪氨酸激酶抑制劑。研究發(fā)現(xiàn)，晚期胃腸間質(zhì)瘤患者不使用“格列衛(wèi)”時的生存期平均為19 個月，使用“格列衛(wèi)”的用藥時間長短與病情緩解或無加重時間的關(guān)系如表2：

表2

（1）該研究數(shù)據(jù)表明，晚期胃腸間質(zhì)瘤患者連續(xù)使用“格列衛(wèi)”的用藥時間與病情緩解或無加重生存時間的關(guān)系是___________________________。

（2）該研究數(shù)據(jù)表明，BCR-ABL 酪氨酸激酶的作用可能有______________________（填“維持正常的細胞增殖、使細胞失去對正常增殖的調(diào)控、誘導細胞凋亡、抑制細胞凋亡、抑制DNA 的合成”中的兩個）。

【答案】（1）在一定范圍內(nèi)，隨著用藥時間的增長，病情緩解或無加重生存時間延長（2）使細胞失去對正常增殖的調(diào)控、抑制細胞凋亡

【點評】本題考查癌細胞的主要特征及防治，考查實驗探究能力。關(guān)注癌癥發(fā)生的原因有助于樹立健康生活方式的意識，關(guān)注癌癥新特藥可以激發(fā)學生立志祖國科研發(fā)展，滿足人民需求的決心。由表2 中數(shù)據(jù)可知，在一定范圍內(nèi)，隨著連續(xù)用藥時間的增長，病情緩解或無加重生存時間延長，但是癌癥藥物大多昂貴，長期使用會造成家庭沉重的經(jīng)濟負擔。分析題干可知，酪氨酸激酶影響正常的細胞增殖和細胞凋亡，導致白血病和胃腸間質(zhì)瘤的發(fā)生，對BCR-ABL 酪氨酸激酶的作用分析有助于檢測考生的理解能力和語言表達能力。

3.利用原創(chuàng)題進行實驗設(shè)計教學，關(guān)鍵在于對實驗知識的整理、歸納和升華

教師在平時的習題教學中應(yīng)加強對實驗情境的分析，原創(chuàng)題和改編題的選擇可以從識別實驗變量、根據(jù)實驗結(jié)果進行推理并得出結(jié)論、設(shè)計實驗方案、作出實驗預期、解釋實驗結(jié)果等入手，要求學生通過文字描述、流程圖等多種形式展示自己的思路或觀點，以反映出運用生物學概念或原理解決問題的過程。

【例3】果蠅的灰身與黃身是一對相對性狀，分別由基因A、a 控制，黃色基因能破壞其黑色素的形成使身體更黃；長翅和短翅分別由位于Ⅱ號染色體上的一對等位基因B、b 控制；灰體與黑檀體分別由位于Ⅲ號染色體上的一對等位基因E、e 控制，黑檀體基因可使黑色素積累而全身發(fā)黑。黃身時黑檀體表現(xiàn)為灰體。

（1）現(xiàn)有四種純合的果蠅：長翅灰身雄果蠅、短翅黃身雄果蠅、短翅黃身雌果蠅和長翅灰身雌果蠅，請以上述果蠅做親本設(shè)計實驗，不用正反交實驗來探索黃身基因的遺傳方式。

（2）現(xiàn)有純種短翅灰身灰體雌果蠅與純種長翅灰身黑檀體雄果蠅雜交，F(xiàn)1個體隨機交配，F(xiàn)2中若出現(xiàn)表現(xiàn)型及其分離比為_______，說明E 和B 為非同源染色體上的非等位基因。

（3）現(xiàn)已確認灰身與黃身由僅位于X 染色體上的一對等位基因控制，用純種短翅灰身黑檀體雌果蠅與純種長翅黃身灰體雄果蠅雜交，F(xiàn)1中的雄果蠅與BbEeXaXa（長翅黃身灰體雌果蠅）個體相互交配，F(xiàn)2中雄果蠅的表現(xiàn)型及其分離比為______________。

【答案】（1）若用純合的長翅灰身雄果蠅、短翅黃身雌果蠅雜交，后代長翅黃身都是雄蠅，長翅灰身都表現(xiàn)為雌性，說明黃身基因為X 染色體上的隱性基因；若用純合的長翅灰身雄果蠅、短翅黃身雌果蠅雜交，后代果蠅無論雌雄全部為長翅灰身，說明黃身基因為常染色體上的隱性基因（2）長翅灰身灰體∶短翅灰身灰體∶長翅灰身黑檀體∶短翅灰身黑檀體=9∶3∶3∶1（3）長翅黃身灰體∶短翅黃身灰體=3∶1

【點評】在本題實驗設(shè)計中正確假設(shè)是關(guān)鍵的一步，假設(shè)是依據(jù)已有科學知識和事實，運用思維、想象，對未知領(lǐng)域進行有規(guī)律的推測或嘗試性理解。由于題干已說明顯隱性關(guān)系，此題判斷遺傳方式實際上是判斷基因的位置。若黃身基因位于X 染色體上，其遺傳肯定與性別有關(guān)，用隱性純合雌果蠅與顯性雄果蠅雜交，子代中所有雌果蠅都表現(xiàn)為顯性，所有雄果蠅都表現(xiàn)為隱性；若黃身基因位于常染色體上，其遺傳與性別無關(guān)。第（2）（3）小題考查的是論據(jù)與結(jié)論的統(tǒng)一。因黃身時黑檀體表現(xiàn)為灰體，子代都是黃身灰體，所以只需考慮長翅和短翅的分離比3∶1 即可。

教師在高三一輪復習中，利用高考真題和原創(chuàng)題進行實驗設(shè)計教學，思考和評價實驗設(shè)計的環(huán)節(jié)，可進一步加深對科學探究的認識，達到從學科核心素養(yǎng)的角度全面提高實驗教學效率的目的。