例析高考生物試題中實驗思路的設(shè)計

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，而高考生物實驗題對這方面的考查尤為突出。高考生物實驗的考查題型多樣化，有實驗分析題型、實驗設(shè)計題型、實驗評價與修正題型等。實驗設(shè)計又分為實驗步驟設(shè)計和實驗思路設(shè)計等。近幾年來，實驗思路的設(shè)計受到命題者的青睞。實驗思路設(shè)計類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)分開來，具有很好的選拔功能。當然，這類試題具有較高的難度，優(yōu)秀生也需要進行訓(xùn)練才能有效掌握解題方法。本文結(jié)合2017 年高考全國Ⅰ卷理綜第29題和2019 年高考全國Ⅰ卷理綜第29 題這兩道高考真題來例析實驗思路的設(shè)計。

一、實例一

（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 病毒兩種類型。有些病毒對人類健康會造成很大危害。通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。

假設(shè)在宿主細胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換，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類型，簡要寫出（1）實驗思路，（2）預(yù)期實驗結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組）

（二）分析與討論

該題是2017年高考全國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記胸腺嘧啶的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細胞，同時，乙組用沒有放射性同位素標記的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細胞，再分別接種新病毒，在適宜條件下培養(yǎng)一段時間，然后檢測甲、乙兩組子代病毒的放射性。若甲組的子代病毒有放射性，乙組的沒有，則新病毒為DNA 病毒；若甲、乙兩組的子代病毒都沒有放射性，則新病毒為RNA 病毒。若甲組用含有放射性同位素標記尿嘧啶的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細胞，乙組同上，所得子代病毒類型和上述情況正好相反。

上述兩種實驗思路中甲組為實驗組，乙組為空白對照組，看似合理，其實不符合題干中括號內(nèi)的要求。題干要求實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組，實際上就是要設(shè)計甲、乙兩組的對比實驗（即相互對照實驗），不要設(shè)置空白對照組，即本題實驗的自變量不是胸腺嘧啶或尿嘧啶是否被放射性同位素標記。即使題干沒有要求實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組，最好也不要按照上述方式答題，否則，當實驗結(jié)果為甲、乙兩組的子代病毒都沒有放射性時，只能用反證法推理新病毒的類型，而不是直接推理。因此，即使題干沒做題干中括號內(nèi)的要求，也要設(shè)計可相互印證的甲、乙兩個組。

其二，甲組用已標記脫氧核糖的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細胞，乙組用已標記核糖的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細胞，再分別接種新病毒，在適宜的條件下培養(yǎng)一段時間，然后檢測甲、乙兩組子代病毒的放射性。學(xué)生得出此類答案的原因是沒有注意到題干中的提示“假設(shè)在宿主細胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換”，對脫氧核糖和核糖進行了放射性同位素標記。

這種實驗思路是錯誤的，因為在細胞內(nèi)核糖會被核糖核苷酸還原酶［1］催化轉(zhuǎn)變成脫氧核糖。如果同位素標記在核糖上而沒有標記在脫氧核糖上，當核糖轉(zhuǎn)變成脫氧核糖時，脫氧核糖也會被放射性同位素標記上，因此會出現(xiàn)甲、乙兩組的子代病毒都被放射性同位素標記而最終影響實驗結(jié)果的判定。因此，本題實驗的自變量不能設(shè)置成放射性同位素是標記在脫氧核糖上還是核糖上。

其三，對胸腺嘧啶脫氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸進行放射性同位素標記，或?qū)π剀蘸湍蜍者M行放射性同位素標記。

對它們做放射性同位素標記，是標記在堿基上，還是標記在五碳糖上？如果標記的不是堿基，而是五碳糖，情況與上述標記在細胞內(nèi)的核糖上相似，所以這樣的實驗思路也是錯誤的。

綜上所述，該題的實驗?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的堿基組成上進行分析。雖然細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記在胸腺嘧啶（T）上還是標記在尿嘧啶（U）上，而因變量為新病毒的類型，用是否有放射性來檢測新病毒的類型。題眼二“實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組”，實際上就是要設(shè)計甲、乙兩組的對比實驗，不能設(shè)置成空白對照實驗。結(jié)合題眼三“以體外培養(yǎng)的宿主細胞等為材料”，并參考生物教材必修二中的經(jīng)典實驗“T2噬菌體侵染大腸桿菌”的設(shè)計，本題大致的實驗思路為：首先用含放射性同位素的培養(yǎng)基來培養(yǎng)宿主細胞，此時宿主細胞會被放射性同位素標記；然后用此時的宿主細胞培養(yǎng)新病毒，而新病毒合成核酸需要利用宿主細胞中的原料，那么子代病毒就會被放射性同位素標記，否則，子代病毒就不會帶有放射性。進行假說演繹分析：若新病毒是DNA 病毒，則標記T的那組實驗的子代病毒會帶有放射性，標記U 的那組實驗的子代病毒不會帶有放射性；若新病毒是RNA 病毒，則標記T 的那組實驗的子代病毒不會帶上放射性，標記U 的那組實驗的子代病毒會帶有放射性。注意答題時要把假說演繹分析的結(jié)果反過來描述，即把“若A，則B”改為“若B，則A”。

該題的難點是自變量的確定，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)生審題時忽略了題干中的“假設(shè)在宿主細胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換”這一條件，就很有可能會弄錯自變量，從而導(dǎo)致錯答該題。另外，該題實驗思路的設(shè)計不強調(diào)用等量的宿主細胞、接種等量的病毒等，即不強調(diào)等量原則，也不強調(diào)細節(jié)，而是關(guān)注自變量、因變量、對照設(shè)置以及自變量和因變量的關(guān)系。

二、實例二

（一）題目（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行干旱處理，該植物根細胞中溶質(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?；卮鹣铝袉栴}。

（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)計實驗來驗證這一結(jié)論，要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。

（二）分析與討論

這道題是2019 年高考全國Ⅰ卷理綜第29 題，相比2017 年高考全國Ⅰ卷理綜第29 題，該題要相對簡單些。但筆者在和一部分學(xué)生交流時發(fā)現(xiàn)他們存在兩種典型錯誤。第一種是實驗材料用錯，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)計了一個實驗，只驗證了干旱條件下氣孔開度減小的原因中的一種，即只驗證了不是由缺水直接引起的，或是只驗證了是由ABA 引起的。

這道題的題干明確給出實驗材料要選擇ABA缺失突變體植株，而有意回避正常植株，那是因為正常植株在缺水時會合成ABA，使氣孔開度減小，從而使實驗變得復(fù)雜。因此，本題的實驗用ABA缺失突變體植株作為實驗材料，降低了題目的難度。題給的實驗材料是ABA 缺失突變體植株，所以實驗設(shè)計時只能用此材料，不能用其他材料。

這道題的實驗?zāi)康氖窃O(shè)計實驗驗證干旱條件下氣孔開度減小的兩個原因，第一個要驗證它不是由缺水直接引起的，第二個要驗證它是由ABA 引起的。很顯然，這是雙自變量問題，因此需要設(shè)計兩個實驗，即一個實驗驗證干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水引起的，另一個實驗驗證干旱條件下氣孔開度減小是由ABA 引起的。那么這兩個實驗的對照又該如何設(shè)置？若第一個實驗用空白對照，則需兩組實驗，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氣孔開度。而第一個實驗的空白對照其實包含了自身對照，所以驗證干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，最好用自身對照。自身對照實驗思路如下：首先測定ABA 缺失突變體植株在正常條件下的氣孔開度，然后經(jīng)干旱處理后，再測定該植株的氣孔開度，預(yù)期結(jié)果是經(jīng)干旱處理后該植株的氣孔開度未發(fā)生變化。第二個實驗如果也用自身對照，首先要測定ABA 缺失突變體植株的氣孔開度，然后在干旱條件下給予ABA 處理，最后測定該植株的氣孔開度。但這樣就無法排除溶解ABA 的溶劑對氣孔開度的影響。因此，驗證干旱條件下氣孔開度減小是由ABA 引起的，最好選用空白對照?？瞻讓φ諏嶒炛械膶φ战M要用溶解ABA 的溶劑來處理植株，從而排除溶劑對氣孔開度的影響。空白對照實驗思路如下：取干旱處理的ABA 缺失突變體植株分成兩組，分別測定兩組的氣孔開度；在干旱條件下，對其中一組進行ABA 處理，而另外一組作為對照組，一段時間后，再分別測定兩組的氣孔開度，預(yù)期結(jié)果是經(jīng)ABA 處理的植株的氣孔開度減小，而未做處理的對照組的植株的氣孔開度不變。

由以上分析可知，該題的實驗思路設(shè)計也并未強調(diào)細節(jié)，比如在第二個空白對照實驗中，沒有強調(diào)兩組是否用等量的ABA 缺失突變體植株，也沒有強調(diào)如何平衡和消除無關(guān)變量。

上述實驗思路是設(shè)計兩個實驗來分別驗證干旱條件下氣孔開度減小的原因，即它不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的。那如果設(shè)計一個含有三組變量的實驗來驗證，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，分別測定三組植株的氣孔開度，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)一段時間后，再分別測定三組植株的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果是甲組和乙組植株的氣孔開度均未發(fā)生變化，而丙組的植株氣孔開度減小了。上述實驗中，甲組和乙組對照能說明干旱條件處理下植株的氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，乙組和丙組對照能說明干旱條件下植株的氣孔開度減小是由ABA 直接引起的。如果不考慮溶解ABA的溶劑對植株氣孔開度的影響（事實上影響近似為零），那么可以這樣設(shè)計。如果考慮溶解ABA的溶劑對植株氣孔開度的影響，那么最好按照上述分析來設(shè)計兩個實驗分別驗證水和ABA的作用。

三、總結(jié)

通過上述兩個實例可以看出，設(shè)計實驗思路時要重點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。實驗思路的設(shè)計一般不強調(diào)細節(jié)，如不強調(diào)等量原則以及無關(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照組的設(shè)置，通過實驗結(jié)果確定自變量和因變量的關(guān)系。實驗思路設(shè)計類題型旨在考查學(xué)生的思維能力，而非實際操作能力。

實驗思路的設(shè)計是較為“粗線條”的思考過程，需要言簡意賅，并要注意遵循對照原則和單一變量原則，其書寫格式為“材料+自變量+檢測因變量+預(yù)期”。