高中生物學(xué)實驗探究題歸類分析

安徽 陶應(yīng)禮

科學(xué)探究是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，實驗設(shè)計以及對結(jié)果的交流與討論能力是其重要組成部分。研究2020—2021年的高考生物試題可發(fā)現(xiàn)，試題以素養(yǎng)和能力立意，識記、計算等方面的考查力度被慢慢淡化，更偏重于考查知識的理解和運用，以及關(guān)鍵能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。其中，實驗探究能力是每年必考的內(nèi)容(表1)，這與新一輪課程改革的理念不謀而合。

表1 2020—2021年全國乙卷考查的生物實驗類題目

根據(jù)表1進行分析，實驗類試題的考查方式多種多樣，且思維水平要求較高，是高考的重點和難點。筆者基于教學(xué)實踐和研究，對其進行歸類分析，以期為廣大同人的復(fù)習(xí)課教學(xué)提供參考。

一、考查實驗假說

實驗假說是一種明確性的描述，具有可驗證性。通過設(shè)計實驗可以對假說進行檢驗，如果實驗結(jié)果證實了假說，假說就屬于科學(xué)的結(jié)論；如果實驗結(jié)果否定了假說，假說就需要完善或者被否定，需要提出新的假說。提出假說可以幫助研究者發(fā)現(xiàn)新的理論，促進科學(xué)的發(fā)展，例如，孟德爾發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律采用的假說-演繹法，即利用了提出假說的方法。

【例1】已知給大鼠注射促甲狀腺激素(TSH)，其促甲狀腺激素釋放激素(TRH)的分泌量會下降。請根據(jù)此反饋調(diào)節(jié)機制提出兩個可能的假說。

【答案】①TSH通過反饋調(diào)節(jié)抑制下丘腦分泌TRH；②TSH促進甲狀腺分泌TH，TH通過反饋調(diào)節(jié)抑制TRH的分泌。

【解析】甲狀腺激素(TH)的分泌過程存在分級調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)。下丘腦分泌的TRH促進垂體分泌TSH，TSH再促進甲狀腺分泌TH，這是分級調(diào)節(jié)；機體為維持激素水平的穩(wěn)定，當TSH或者TH含量過多時會抑制TRH的分泌，這是反饋調(diào)節(jié)。由題意可知，本題有兩種可能的假說，TSH直接抑制下丘腦分泌TRH或者TSH先促進甲狀腺分泌TH，TH再抑制下丘腦分泌TRH。

教材中有很多涉及提出假說的科學(xué)史，教師可指導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)，明確提出假說在科學(xué)研究中的作用和意義，例如，摩爾根用假說-演繹法證明基因在染色體上；科學(xué)家根據(jù)狗的胰腺切除實驗，提出胰腺能分泌某種抗糖尿病的物質(zhì)的假說，最終發(fā)現(xiàn)胰島素等。另外，教師還可以創(chuàng)設(shè)具體的問題情境，讓學(xué)生總結(jié)提出假說的方法，例如，有研究表明，運動可以提高動物的免疫力，某研究小組提出假說:運動通過影響淋巴細胞的增殖進而影響免疫力，然后設(shè)計實驗驗證運動、淋巴細胞的增殖、免疫力之間的因果關(guān)系，如果有明顯的相關(guān)性則肯定假說，如果沒有明顯的相關(guān)性則否定假說。

二、考查實驗?zāi)康?/h2>

實驗?zāi)康氖侵笇嶒灥念A(yù)期和目標，通常為觀察一些現(xiàn)象、探究一種假說或驗證一個結(jié)論等。實驗一般分為已知結(jié)果的驗證實驗和未知結(jié)果的探究實驗兩種類型，不同實驗的實驗?zāi)康谋硎龇绞讲煌?，已知胰島素具有降低血糖的作用，設(shè)置對照實驗，對實驗組動物注射胰島素，對對照組動物注射生理鹽水，通過結(jié)果的比較，可驗證胰島素的作用，此為驗證性實驗，驗證性實驗的目的一般表述為“驗證……的作用或現(xiàn)象”；已知血漿中含有緩沖物質(zhì)，可以維持pH的穩(wěn)定，某興趣小組欲探究馬鈴薯提取液是否同血漿一樣也含有緩沖物質(zhì)，設(shè)計實驗進行探究，此為探究性實驗，探究性實驗的目的一般表述為“探究……的作用或現(xiàn)象”。

【例2】生物膜不同于半透膜，細胞通過生物膜可以主動選擇吸收或排出一些物質(zhì)，而不允許其他物質(zhì)進出細胞。某同學(xué)據(jù)此做了以下實驗：①選生長狀況相同的紅色莧菜隨機分為A、B兩組；②A組放入常溫水中，B組放入沸水中，幾分鐘后進行觀察；③實驗結(jié)果：A組莧菜仍為紅色，水為無色，B組莧菜紅色消失，水變?yōu)榧t色。請寫出該同學(xué)的實驗?zāi)康摹?/p>

【答案】驗證生物膜具有選擇透過性。

【解析】由題意可知，生物膜不同于半透膜，某同學(xué)據(jù)此做了以上實驗，該實驗為驗證性實驗。莧菜中的紅色色素位于液泡中，沸水破壞了生物膜的選擇透過性，所以B組實驗得到了以上結(jié)果。

【例3】某種植物的花色有紫色和黑色一對相對性狀，且由一對等位基因控制，但其顯隱性未知。某科研小組選擇多株開紫色花的植株與多株開黑色花的植株雜交，結(jié)果顯示，部分雜交組合的子代全為紫色花，部分雜交組合的子代紫色花和黑色花均有。試寫出該科研小組的實驗?zāi)康摹?/p>

【答案】探究該植物花色性狀的顯隱性。

【解析】由題意可知，該植物的花色紫色和黑色的顯隱性未知，紫色和黑色均可能為顯性性狀，該實驗應(yīng)為探究性實驗，實驗的目的為探究該植物花色性狀的顯隱性，通過雜交實驗可以得出結(jié)論。

應(yīng)對考查實驗?zāi)康牡南嚓P(guān)試題，教師一方面要指導(dǎo)學(xué)生區(qū)分驗證性實驗和探究性實驗的區(qū)別以及實驗?zāi)康谋硎龇绞降牟煌?；另一方面可以收集考查實驗?zāi)康牡南嚓P(guān)高考題，如2020年全國乙卷理綜第4題、第38題第(1)題等，進行針對性訓(xùn)練，提高學(xué)生解決此類試題的能力。

三、考查實驗材料與器具

實驗材料和器具是進行科學(xué)實驗必需的條件。實驗材料一般是指實驗需要用到的動物、生物組織、藥品等；實驗器具是處理實驗材料、操作實驗過程、測量實驗結(jié)果等環(huán)節(jié)所需要的實驗器材，如燒杯、顯微鏡、解剖刀、電位計等。實驗題的考查，有時要求考生對實驗材料和器具進行補充或修改。解答此類題目時可以先快速瀏覽整個實驗的目的、過程、結(jié)果等，結(jié)合上下文，一般可以找到蛛絲馬跡。

【例4】為研究甲狀腺激素的功能，科研小組進行了以下實驗，請對空白處進行補充：選取生長發(fā)育狀況相同的大鼠若干只，隨機分為3組，編號為A、B、C。給A組大鼠注射適量溶解有甲狀腺激素的生理鹽水，B組大鼠注射等量溶解有甲狀腺激素拮抗劑的生理鹽水，C組大鼠注射________，一段時間后觀察三組大鼠的活動狀況。

【答案】等量的生理鹽水

【解析】該題考查了實驗試劑及其使用方法，考生不僅要準確填寫需要的實驗試劑，還要熟練掌握其使用方法。對照實驗一般需要設(shè)置空白對照組，且遵循單一變量原則，由題意可知，該實驗A、B兩組均為實驗組，C組應(yīng)為空白對照組。根據(jù)控制變量的要求，空白對照組需要注射生理鹽水，且需要和實驗組注射的試劑等量。

實驗試劑、材料和器具的考查，一般限于識記層次，學(xué)生只要熟記即可。教師在日常教學(xué)中，盡量讓學(xué)生親自動手操作實驗，熟練掌握其使用方法和注意事項。復(fù)習(xí)課教學(xué)時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生用表格的形式整理高中生物學(xué)教材中所有實驗中用到的試劑、材料和器具，幫助學(xué)生建立知識網(wǎng)絡(luò)，如整理高中生物學(xué)教材中使用到酒精的實驗與使用目的(表2)。

表2 高中生物教材中使用到酒精的實驗與使用目的

四、考查實驗設(shè)計與步驟

中學(xué)生物學(xué)實驗一般為對照實驗，其步驟可以歸納為“三部曲”。第一步為“分組編號”，選材時一定要注意選擇相同的實驗材料，分組要隨機，編號是為了便于觀察和統(tǒng)計；第二步為“設(shè)置變量”，在對不同組進行處理時，需要注意控制變量，遵循單一變量原則，例如培養(yǎng)或飼養(yǎng)一定要在相同條件下進行等；第三步為“觀察結(jié)果”，為減少實驗誤差，要注意數(shù)據(jù)的取舍，實驗結(jié)果需要測量還要取平均值。

【例5】某醫(yī)藥公司開發(fā)了一種治療糖尿病的口服新藥X，先用兔子做第一期藥效和安全性試驗。實驗材料有糖尿病模型兔若干只、玉米油稀釋的藥物X、玉米油、血糖測量儀等。請寫出實驗的思路。

【答案】①選取生長發(fā)育狀況等相同的糖尿病模型兔喂食普通飼料，半小時后測量起始血糖，然后隨機均分為2組，編號為A、B。②給A組兔灌喂適量的玉米油稀釋的藥物X，B組兔灌喂等量的玉米油，相同環(huán)境下待一段時間。③用血糖測量儀測每組兔的血糖，并取平均值。

【解析】由題意可知，該實驗為對照實驗，可以使用實驗步驟的“三部曲”解答。具體表述時需要注意一些專業(yè)性和細節(jié)問題，例如該藥物是口服藥，需要使用灌喂的方法而不能是注射，對照組灌喂的玉米油需要和實驗組等量等。

實驗設(shè)計題是近幾年高考的必考題，有的要求寫出實驗設(shè)計思路，如2021年全國乙卷理綜第29題(3)題；有的要求寫出具體的實驗步驟，如2020年全國乙卷理綜第37題(4)題、38題(2)題等。此類型題通常分值高、難度大。教師在日常教學(xué)時，要重視教材課后習(xí)題中實驗設(shè)計題的教學(xué)，注重在平時培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力，另外，考前可以匯總近幾年的高考真題中的相關(guān)試題，做到有的放矢，加強訓(xùn)練。

五、考查實驗結(jié)果與結(jié)論

實驗結(jié)果是實驗后可視化或可測量的現(xiàn)象，如果是數(shù)據(jù)可以用圖表表示，要注意數(shù)據(jù)的取舍，還要對實驗誤差進行分析和討論。實驗結(jié)論是由實驗結(jié)果直接得出或推導(dǎo)出的結(jié)論性命題，一般用文字表述。驗證性實驗的結(jié)果和結(jié)論是已知的，具有唯一性，探究性實驗的結(jié)果和結(jié)論是未知的，可能沒有結(jié)論，也可能有多個結(jié)論。

【例6】人體在代謝過程中，細胞會產(chǎn)生一些酸性或堿性物質(zhì)，血漿pH總是維持在7.35～7.45之間，其原因是血漿中含有H2CO3、HCO3-等緩沖物質(zhì)。某學(xué)習(xí)小組為驗證此現(xiàn)象做了以下實驗，請預(yù)測實驗結(jié)果和結(jié)論。

第一步：取6支試管，平均分為A、B、C三組。編號為A1、A2、B1、B2、C1、C2，在A1、A2中加入10 mL蒸餾水，B1、B2中加入10 mL緩沖物質(zhì)，C1、C2中加入10 mL血漿，測量原始pH。

第二步：在A1、B1、C1試管中加入1滴稀鹽酸溶液，在A2、B2、C2試管中加入1滴氫氧化鈉溶液，振蕩搖勻，靜置一段時間。

第三步：測量6支試管中溶液的pH，并進行比較。

【答案】實驗結(jié)果：A1試管中的pH明顯下降，A2試管中的pH明顯升高，B1、B2、C1、C2試管中的pH無明顯變化。實驗結(jié)論：血漿中存在緩沖物質(zhì)，可以維持pH的穩(wěn)定。

【解析】依據(jù)題意，該實驗為驗證性實驗，實驗結(jié)果是已知的，結(jié)果與結(jié)論具有唯一性。蒸餾水不能維持pH的穩(wěn)定，加入酸或堿會使pH發(fā)生變化，緩沖液和血漿中有緩沖物質(zhì)，加入酸或堿pH變化不大。

【例7】植物細胞分裂時，關(guān)于著絲粒是如何分裂的有兩種假說。假說一：著絲粒分裂是紡錘絲牽拉的結(jié)果；假說二：著絲粒分裂是基因控制的生理活動。某興趣小組做了以下實驗，請預(yù)測實驗結(jié)果與結(jié)論。

第一步：提前3天培養(yǎng)洋蔥根尖。

第二步：取兩個廣口瓶，加入等量清水，編號為甲和乙。在甲瓶中加入5 mL清水，乙瓶中加入5 mL秋水仙素。將第一步培養(yǎng)的洋蔥分別轉(zhuǎn)入甲、乙瓶中，在相同條件下繼續(xù)培養(yǎng)一段時間。

第三步：分別切取兩瓶中洋蔥的根尖2～3 mm，制成臨時裝片。用顯微鏡觀察并統(tǒng)計兩組根尖有絲分裂后期細胞所占的比例。

【答案】

實驗結(jié)果實驗結(jié)論乙瓶中處于有絲分裂后期細胞的比例明顯低于甲瓶假說一正確甲瓶和乙瓶細胞處于有絲分裂后期的比例無明顯差異假說二正確

【解析】此為探究性實驗，結(jié)果與結(jié)論不唯一。若假說一正確，著絲粒分裂是紡錘絲牽拉的結(jié)果，由于乙瓶中加入了秋水仙素，抑制了紡錘體的形成，乙瓶中處于有絲分裂后期細胞的比例應(yīng)該明顯低于甲瓶；若假說二正確，著絲粒分裂是基因控制的生理活動，與紡錘體的有無無關(guān)，兩組細胞處于有絲分裂后期的比例無明顯差異。

實驗結(jié)果和結(jié)論是兩個不同的概念，考生不僅要注意區(qū)分結(jié)果和結(jié)論的不同，還要準確判斷結(jié)果和結(jié)論的數(shù)量。分析近幾年高考題，例如，2021年全國乙卷理綜第29題，要求考生設(shè)計實驗驗證植物在干旱條件下存在特殊的CO2固定方式，并預(yù)測實驗結(jié)果；2020年山東卷生物第22題，要求考生設(shè)計實驗驗證破壞腦-脾神經(jīng)通路可以降低小鼠的體液免疫能力，并預(yù)測實驗結(jié)果等，可以看出實驗結(jié)果與結(jié)論的預(yù)測是高考?？嫉闹R點。教師在進行復(fù)習(xí)課教學(xué)時，要引導(dǎo)學(xué)生匯總高中所有實驗的結(jié)果與結(jié)論，再配以高考真題進行訓(xùn)練和講解，可以更好地應(yīng)對此類試題。

六、考查實驗評價與分析

實驗評價題是指對實驗材料選取、實驗過程、實驗結(jié)果等進行科學(xué)性評價、改正或完善。實驗分析題是指對實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象、結(jié)果、誤差等進行解釋和討論。此類題目往往以非選擇題的形式出現(xiàn)，思維水平要求高，難度一般較大。

【例8】某科研小組用兔子進行實驗，探究尿量的影響因素。實驗內(nèi)容如下：耳緣靜脈注射垂體提取液0.5 mL，記錄尿量?；卮鹣铝袉栴}：

(1)指出該實驗存在的問題。

(2)處理后實驗兔尿量如何變化？并解釋原因。

【答案】(1)未測量實驗前兔的尿量。 (2)尿量會減少，因為垂體提取液中含抗利尿激素，可促進腎小管和集合管對水的重吸收。

【解析】第(1)題要求指出實驗存在的問題，為實驗評價題。尿量的變化需要通過比較才能得出，因此需要測實驗前兔的尿量。第(2)題要求預(yù)測并解釋實驗現(xiàn)象，為實驗分析題。垂體提取液中含抗利尿激素，可以促進腎小管和集合管對水的重吸收，因此實驗后兔的尿量會減少。

解答例8時要先讀懂新情境中的實驗?zāi)康?、方法和步驟等，然后與教材中的實驗或知識點建立聯(lián)系，把新知識轉(zhuǎn)化成舊知識，把新情境轉(zhuǎn)化成熟悉的情境，便可迎刃而解。教師平時要有意識地培養(yǎng)學(xué)生提取試題材料中信息的能力，以及利用教材中的知識解決新情境中實際問題的能力。