生物實驗題分類及解題策略

赫英春

(黑龍江省哈爾濱市第一中學)

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》明確提出了七點教學建議,其中包括“組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養(yǎng)的關鍵”“加強和完善生物學實驗教學”“注重生物科學史和科學本質的學習”,可見實驗教學是促成學生達成生物學學科核心素養(yǎng)的重要支撐?！吨袊呖荚u價體系說明》中明確指出“對于自然科學類學科而言,實驗設計能力、動手操作能力則是實踐操作能力群中的考查重點”等。本文對2018年至2022年高考全國卷的生物實驗題進行分類,并有針對性地總結解題策略,對以具體的高考試題進行解釋和分析,幫助學生提升解題能力。

一、近五年高考全國卷實驗題分類

通過對2018年至2022年高考全國卷的生物實驗題的研究及參考相關文獻,本文將生物實驗題分為教材基礎實驗類、實驗分析類、實驗設計類、實驗評價類。

1.教材基礎實驗類

此類試題選材源于教材中的基礎實驗,考查內容為比較基礎的實驗原理、實驗材料和試劑的使用、研究方法等,考點分布不固定,主要的設問形式包括據現(xiàn)象書寫結果及原因;據表格判斷并書寫依據;據結果選定實驗材料;據圖形表格書寫原因;據相應處理預期結果;實驗材料與實驗目的對應;實驗器材及實驗試劑;據結果進行推測;調查方法書寫依據;人工授粉的具體做法等。

2.實驗分析類

此類試題要求學生掌握基礎的實驗理論,運用所學知識對實驗原理、過程、現(xiàn)象、結果等進行分析或解釋,并根據提供的曲線/表格等書寫判斷依據等,考點主要為光合作用、遺傳規(guī)律、動物生命活動調節(jié)等。

3.實驗設計類

此類試題一般給出明確的實驗目的,要求學生完成實驗過程中的部分步驟;或者根據試題要求、給出的實驗材料等設計完整的實驗方案或實驗思路,并寫出預期結果或得出結論等,答題的必備知識主要是遺傳的基本規(guī)律,動植物生命活動調節(jié)等也有涉及。

4.實驗評價類

此類試題要求學生根據已知的生物學知識、實驗理論等對實驗原理、現(xiàn)象、推測、結果、結論等是否合理進行分析、評價,近五年的高考全國卷中考查形式均為選擇題,涉及的必備知識分布無明顯集中的趨勢。

二、解題策略及例析

1.教材基礎實驗類

此類題目的復習要求學生熟練掌握教材實驗中的實驗目的、實驗原理、實驗材料和試劑、實驗過程、實驗現(xiàn)象、實驗結果及結論性語句等基礎性知識,體現(xiàn)高考命題的基礎性,同時為突破其他類型的實驗題打下良好的知識基礎和能力基礎。

例1.(2021·全國乙卷·5)在格里菲思所做的肺炎雙球菌轉化實驗中,無毒性的R型活細菌與被加熱殺死的S型細菌混合后注射到小鼠體內,從小鼠體內分離出了有毒性的S型活細菌。某同學根據上述實驗,結合現(xiàn)有生物學知識所做的下列推測中,不合理的是

( )

A.與R型菌相比,S型菌的毒性可能與莢膜多糖有關

B.S型菌的DNA能夠進入R型菌細胞指導蛋白質的合成

C.加熱殺死S型菌使其蛋白質功能喪失而DNA功能可能不受影響

D.將S型菌的DNA經DNA酶處理后與R型菌混合,可以得到S型菌

【答案】D 該實驗是教材中科學史的內容,肺炎雙(鏈)球菌轉化實驗包括格里菲思體內轉化實驗和艾弗里體外轉化實驗,其中格里菲思體內轉化實驗證明S型細菌中存在某種轉化因子,能將R型細菌轉化為S型細菌,沒有證明轉化因子是什么物質,而艾弗里體外轉化實驗,將各種物質分開,單獨研究它們在遺傳中的作用,并用到了生物實驗中的減法原理,最終證明DNA是遺傳物質。與R型菌相比,S型菌具有莢膜多糖、有毒,故推測S型菌的毒性可能與莢膜多糖有關,A正確;S型菌的DNA進入R型菌細胞后使R型菌具有了S型菌的性狀,可知S型菌的DNA進入R型菌細胞后指導蛋白質的合成,B正確;加熱殺死的S型菌不會使小白鼠死亡,說明加熱殺死的S型菌的蛋白質功能喪失,而加熱殺死的S型菌的DNA可以使R型菌發(fā)生轉化,可知其DNA功能不受影響,C正確;將S型菌的DNA經DNA酶處理后,DNA被水解為小分子物質,與R型菌混合后不能得到S型菌,D錯誤。

例2.(2019·全國Ⅱ卷·29)某研究小組切取某種植物胚芽鞘的頂端,分成甲、乙兩組,按下圖所示的方法用瓊脂塊收集生長素,再將含有生長素的瓊脂塊置于去頂胚芽鞘切段的一側,一段時間后,測量胚芽鞘切段的彎曲程度(α角),測得數據如下表。據此回答問題。

分組瓊脂塊甲乙左右α角/度20.49.09.1

(1)生長素在胚芽鞘中的運輸屬于極性運輸,這種運輸的方向是________________。

(2)上圖中α角形成的原因是

。

(3)據表可知乙組中左、右兩側的瓊脂塊所引起的α角基本相同,但小于甲瓊脂塊所引起的α角,原因是________________________。

【答案】(1)從形態(tài)學上端到形態(tài)學下端 (2)瓊脂塊中的生長素進入胚芽鞘切段的左側,使胚芽鞘左側的生長素濃度高于右側,引起胚芽鞘左側生長快于右側,形成α角 (3)乙左右兩側瓊脂塊中的生長素含量基本相同,但小于甲瓊脂塊中生長素的含量

【解析】該實驗也是教材中科學史的內容,是對溫特實驗的升華,(2)的原因即教材中植物向光性的解釋,也是(3)實驗現(xiàn)象的原因。書寫時需要針對每一個實驗現(xiàn)象進行解釋,保證語言的科學性和嚴謹性。

2.實驗分析類

此類試題一般以教材的知識為背景,要求學生從題干情境中獲取有效信息,對文字、表格、圖形等進行邏輯推理,包括對實驗的原理、步驟、結果等多個方面的分析,書寫出判斷的依據、意義等,培養(yǎng)學生科學思維、規(guī)范性語言表達等能力。建議在備考的過程中采用語言表達模板和思維模板進行訓練。

例3.(2020·全國Ⅰ卷·30)農業(yè)生產中的一些栽培措施可以影響作物的生理活動,促進作物的生長發(fā)育,達到增加產量等目的?；卮鹣铝袉栴}:

(1)中耕是指作物生長期中,在植株之間去除雜草并進行松土的一項栽培措施,該栽培措施對作物的作用有________________(答出2點即可)。

(2)農田施肥的同時,往往需要適當澆水,此時澆水的原因是________________(答出1點即可)。

(3)農業(yè)生產常采用間作(同一生長期內,在同一塊農田上間隔種植兩種作物)的方法提高農田的光能利用率?，F(xiàn)有4種作物,在正常條件下生長能達到的株高和光飽和點(光合速率達到最大時所需的光照強度)見下表。從提高光能利用率的角度考慮,最適合進行間作的兩種作物是選擇這兩種作物的理由是________________。

作物ABCD株高/cm1706559165光飽和點/μmol·m-2·s-11 2001 180560623

【答案】(1)減少雜草對水分、礦質元素和光的競爭;增加土壤氧氣含量,促進根系的呼吸作用 (2)肥料中的礦質元素只有溶解在水中才能被作物根系吸收 (3)A和C 作物A光飽和點高且長得高,可以利用上層光照進行光合作用;作物C光飽和點低且長得矮,與作物A間作后,能利用下層的弱光進行光合作用

【解題模板】

圖1 語言表達模板

例4.(2021·全國乙卷·30)在自然界中,競爭是一個非常普遍的現(xiàn)象?；卮鹣铝袉栴}:

(1)競爭排斥原理是指在一個穩(wěn)定的環(huán)境中,兩個或兩個以上受資源限制的,但具有相同資源利用方式的物種不能長期共存在一起。為了驗證競爭排斥原理,某同學選用雙小核草履蟲和大草履蟲為材料進行實驗,選擇動物所遵循的原則是____________。該實驗中需要將兩種草履蟲放在資源____________(填“有限的”或“無限的”)環(huán)境中混合培養(yǎng)。當實驗出現(xiàn)____________的結果時即可證實競爭排斥原理。

(2)研究發(fā)現(xiàn),以同一棵樹上的種子為食物的兩種雀科鳥原來存在競爭關系,經進化后通過分別取食大小不同的種子而能長期共存。若僅從取食的角度分析,兩種鳥除了因取食的種子大小不同而共存,還可因取食的____________(答出1點即可)不同而共存。

(3)根據上述實驗和研究,關于生物種間競爭的結果可得出的結論是____________。

【答案】(1)形態(tài)和習性上很接近(或具有相同的資源利用方式) 有限的 一方(雙小核草履蟲)存活,另一方(大草履蟲)死亡 (2)部位、時間等(合理即可) (3)有相同資源利用方式的物種競爭排斥,有不同資源利用方式的物種競爭共存

【解題模板】

圖2 思維模板

3.實驗設計類

此類試題一般出現(xiàn)在遺傳、代謝、調節(jié)三大模塊中,要求學生以給出的實驗材料及條件為基礎,按照明確的實驗目的和有關原理,設計出簡單的實驗方案并預測實驗結果,進而得出實驗結論,考查學生“使用恰當的方法驗證簡單的生物學事實”和“對一些生物學問題進行初步探究”的能力。構建實驗設計的基本框架,圍繞實驗目的設計實驗并掌握書寫實驗思路的答題模板(圖3)是解決此類試題的關鍵,從而提高學生的實驗探究能力。

圖3 實驗設計的基本框架

【解題模板】

例5.(2021·全國乙卷·29)生活在干旱地區(qū)的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2,吸收的CO2通過生成蘋果酸儲存在液泡中;白天氣孔關閉,液泡中儲存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}:

(1)白天葉肉細胞產生ATP的場所有________。光合作用所需的CO2來源于蘋果酸脫羧和____________釋放的CO2。

(2)氣孔白天關閉、晚上打開是這類植物適應干旱環(huán)境的一種方式,這種方式既能防止____________,又能保證____________正常進行。

(3)若以pH作為檢測指標,請設計實驗來驗證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。(簡要寫出實驗思路和預期結果)

【答案】(1)細胞質基質、線粒體、葉綠體 細胞呼吸 (2)水分大量散失 光合作用 (3)實驗思路:白天和夜間每隔一定時間取干旱條件下生長的植物甲的葉片,測定葉肉細胞的pH; 預期結果:植物甲葉肉細胞pH在夜間逐漸降低、白天逐漸升高。

【解題模板】

代謝和調節(jié)模塊中的實驗設計類試題解題思路基本可適用圖4所示模板,但遺傳模塊中的實驗設計類試題有很大差別,考查方向大致有三個:①判斷顯隱性/驗證分離(自由組合)定律;②驗證某個體是純合子/雜合子/基因型;③探究基因所在位置。這些考向根本上都是對遺傳規(guī)律的應用,熟練掌握教材中的知識和科學家的研究方法便可輕松應對。常用的設計實驗方法如圖5:

圖4 剖析突破圖解

圖5 遺傳模塊設計實驗方法

【解題模板】

例6.(2018·全國Ⅱ卷·32)某種家禽的豁眼和正常眼是一對相對性狀,豁眼雌禽產蛋能力強。已知這種家禽的性別決定方式與雞相同,豁眼性狀由Z染色體上的隱性基因a控制,且在W染色體上沒有其等位基因?；卮鹣铝袉栴}:

(1)用純合體正常眼雄禽與豁眼雌禽雜交,雜交親本的基因型為________;理論上,F1個體的基因型和表現(xiàn)型為________,F2雌禽中豁眼禽所占的比例為________。

(2)為了給飼養(yǎng)場提供產蛋能力強的該種家禽,請確定一個合適的雜交組合,使其子代中雌禽均為豁眼,雄禽均為正常眼。寫出雜交組合和預期結果,要求標明親本和子代的表現(xiàn)型、基因型。

(3)假設M/m基因位于常染色體上,m基因純合時可使部分應表現(xiàn)為豁眼的個體表現(xiàn)為正常眼,而MM和Mm對個體眼的表現(xiàn)型無影響。以此推測,在考慮M/m基因的情況下,若兩只表現(xiàn)型均為正常眼的親本交配,其子代中出現(xiàn)豁眼雄禽,則親本雌禽的基因型為________,子代中豁眼雄禽可能的基因型包括________。

【答案】(1)ZAZA,ZaW ZAW、ZAZa,雌雄均為正常眼 1/2 (2)雜交組合:豁眼雄禽(ZaZa)×正常眼雌禽(ZAW) 預期結果:子代雌禽為豁眼(ZaW),雄禽為正常眼(ZAZa) (3)ZaWmm ZaZaMm,ZaZamm

4.實驗評價類

此類試題有明確的實驗目的,并列舉了解決問題的方案,有的還會給出相應的實驗現(xiàn)象或者結果,如曲線、表格等,要求學生依據所掌握的生物學知識,評價已知方案的優(yōu)缺點,說明原因或進一步設計出可行的方案,或者評價結果、推測實驗結論等是否合理。主要考查學生對實驗設計的嚴謹性和科學性的把握程度,并以此為媒介,引導學生探求解決問題的思路、方法,進一步培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和實驗思維能力,與實驗分析類試題、實驗設計類試題雖然在題目形式和具體要求上有差異,但在思考方法上相似。找到正確的評價角度,具備規(guī)范的語言表達能力、正確的思維角度和清晰的實驗設計思路,便可解決此類問題。近五年的高考全國卷中均以選擇題的形式進行考查,在一定程度上降低了解題難度。

【解題模板】

圖6 實驗評價角度的分析

例7.(2022·全國乙卷·4)某種酶P由RNA和蛋白質組成,可催化底物轉化為相應的產物。為探究該酶不同組分催化反應所需的條件,某同學進行了下列5組實驗(表中“+”表示有,“-”表示無)。

實驗組①②③④⑤底物+++++RNA組分++-+-蛋白質組分+-+-+低濃度Mg2++++--高濃度Mg2+---++產物+--+-

根據實驗結果可以得出的結論是

( )

A.酶P必須在高濃度Mg2+條件下才具有催化活性

B.蛋白質組分的催化活性隨Mg2+濃度升高而升高

C.在高濃度Mg2+條件下RNA組分具有催化活性

D.在高濃度Mg2+條件下蛋白質組分具有催化活性

【答案】C 該題為根據表格的實驗結果得出正確的實驗結論。實驗目的是探究該酶不同組分催化反應所需的條件,自變量是酶的組分、Mg2+的濃度,因變量是產物的有無,底物為無關變量。第①組為空白對照組,其余均為實驗組,由①③⑤可得出結論:蛋白質組分無催化活性;由①②④可得出結論:在高濃度Mg2+條件下RNA組分具有催化活性。

三、總結