实验定量类试题的命题研究

江苏

生物科学是一门实验科学。积极开展生物实验教学，是培养学生生命观念、社会责任和提升科学思维、科学探究能力的必然之路，是促进学生达成生物学学科核心素养的重要支撑。生物实验一直是高考考查的重点内容，近年来高考实验命题也在稳中求变，在变中创新。实验命题由以往的对实验原理、方法步骤、注意事项、结果评价等方面的考查逐步向实验设计、模拟操作、定量分析、科学探究等方面过渡，进一步突出对实验“真实性”的考查，即实验应是学生动手做出来的，不应是教师讲出来的，也不应是学生看视频看出来的，更不应是学生背出来的。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在加强和完善生物学实验教学实施建议中指出：在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应给学生提供机会学习生物学研究中的测量方法，实事求是地记录、整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。下面选取几道实验题的定量考查进行评析，望能引起师生对生物定量实验开设的重视。

1.实验试剂称量的感性认识

生物实验的成功，离不开科学的设计，离不开正确地选择实验材料，离不开正确的方法步骤，同时还离不开对实验试剂的准确称量。尽管考试中对试剂的具体用量一般不作明确的要求，但在做实验时学生必须定量地量取。如鉴定蛋白质所用的双缩脲试剂，向2 mL组织样液中先加双缩脲试剂A液1 mL摇匀，再滴加双缩脲试剂B液4滴摇匀，观察颜色变化。若学生滴加双缩脲试剂B液过多，就不能在实验过程中观察到颜色的变化。如果学生动手做实验，会对实验试剂称量多一份感性认识，同时也对“变色”原理多一份理解：蛋白质与Cu2+在碱性环境下形成紫色络合物。未做过此实验的学生往往对双缩脲试剂的使用与斐林试剂的使用混淆不清。

【例1】（2016年，江苏卷，第17题）下列用鲜菠菜进行色素提取、分离实验的叙述，正确的是 （ ）

A. 应该在研磨叶片后立即加入CaCO3，防止酸破坏叶绿素

B. 即使菜叶剪碎不够充分，也可以提取出4种光合作用色素

C. 为获得10 mL提取液，研磨时一次性加入10 mL乙醇研磨效果最好

D. 层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会很快随溶液挥发消失

【答案】B

【评析】CaCO3可防止酸破坏叶绿素，应在研磨前加入少许CaCO3，A错误；菜叶剪碎不够充分，一般不会明显影响研磨，且色素含量并没有减少，所以仍可提取出4种光合作用色素，B正确；由于研磨时乙醇挥发，故要获得10 mL提取液，研磨时应加入多于10 mL的乙醇，C错误；层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会因色素分解而消失，但不会随层析液挥发而消失，D错误。

本题选项C具有很大的迷惑性，但有实际操作的学生对此具有感性认识，研磨叶片时要迅速充分，减少无水乙醇的挥发。如要获得10 mL提取液，研磨时仅仅加10 mL的乙醇是不够的。

【例2】某兴趣小组进行了如下实验：

【实验目的】比较甲、乙、丙三种微生物所产生的淀粉酶的活性。

【实验原理】略

【实验材料】三种微生物淀粉酶提取液（设提取液中酶浓度相同）等。

【实验步骤】a.取四支试管，分别编号；

b.按表1内要求进行操作：

表1

c.将上述四支试管放入37℃水浴保温1 h；

d.在上述四支试管冷却后滴入碘液；

e.观察比较实验组的三支试管与对照组试管的颜色及其深浅。

【实验结果】

表2

请分析回答下列问题：

（1）表中 A 的数值为________ ，C 处的颜色深浅程度最可能为_______ （用一定数量的“+”或“-”表示）。

（2）该实验的自变量是___________________________ ，无关变量有_________________________ （写出 2 种即可）。

（3） 除了用碘液检测淀粉的剩余量来判断实验结果外，还可以用___________ 试剂来检测生成物的量。若用该试剂检测，结果颜色最深的试管是____________ 。

【答案】（1）2.3 +++（或多于+++）（2）不同的淀粉酶提取液 各组间pH、温度、加入提取液的量和浓度、淀粉溶液的量和浓度等 （3）斐林试剂 试管2

【评析】（1）试管4为对照组，故试管内溶液含量与其他三支试管内的相同，即A=2.3。试管4的颜色最深，应为+++（或多于+++）。（2）该实验的目的是比较甲、乙、丙三种微生物所产生的淀粉酶的活性，因而实验的自变量是不同的淀粉酶，其他如pH、温度、提取液的量和浓度等都为无关变量，应保持相同或一致。（3）实验结果是用碘液检测分解后淀粉的残留量，也可以用斐林试剂检测淀粉水解的产物量。四组实验中试管4为对照组，从结果可推测试管2中淀粉酶的活性最高，其次是试管3、试管1。如改用斐林试剂检测，结果颜色最深的应是试管2。

本题错误率最高的是第（1）问表中A的数值，绝大多数学生都填写“2”，原因是学生都能判断出该实验为对照实验，根据控制无关变量的要求，蒸馏水用量应相同，而忽视了试管液体总体积也应要一致的原则。但是考生若有实验操作的经历，则会对实验试剂称量有一个感性的认识，也有助于答题。

2.实验结果数据的理性分析

实验结果与实验结论并不等同。实验结果是通过观察、测量、统计所得到的现象或数据，而实验结论是通过实验结果进行分析总结，透过现象看本质，所得出规律性的理性判断，故对实验结果数据要做理性分析。如采用稀释涂布平板法统计菌落数目，统计的菌落数往往比活菌的实际数目低。原因是当两个或多个细胞连在一起时，平板上观察到的只是一个菌落；再如样品的稀释程度将直接影响平板上生长的菌落数目，在实际操作中，通常选用一定稀释范围的样品液进行培养，以保证获得菌落数在30～300之间，成为适于计数的平板。另外，为了减小实验误差，通常需采用平行重复实验，求平均值。

【例3】（2017年，江苏卷，第31题）苯酚及其衍生物广泛存在于工业废水中，对环境有严重危害。小明同学准备依据图1操作步骤，从处理废水的活性污泥中分离筛选酚降解高效菌株。请回答下列问题：

图1

（1）酚降解菌富集培养基含有蛋白胨、K2HPO4、MgSO4、苯酚和水，其中可作为碳源的有________________________ 。

（2）将采集到的样品接种培养，苯酚用量应随转接次数增加而逐渐_____________________ 。以达到富集酚降解菌的目的。若图1平板中菌落过于密集，应进一步______________ ，以便于菌落计数与分离。制备平板培养基时除了需要水、营养物质外，还必须添加____________________ 。

（3）图2为连续划线法示意图，在图中___________（填图中序号）区域更易获得单菌落。

图2

（4）采用比色测定法（使用苯酚显色剂）检测降解后的废水中苯酚残留量。先制作系列浓度梯度并进行显色反应，表3中1～5 号比色管的苯酚浓度应分别为____________ 。如果废水为50 mg/L苯酚溶液，降解后约有21%的苯酚残留，则需将残留液稀释___________ （填序号：① 5 ② 10③20）倍后，再进行比色。

表3

【答案】（1）蛋白胨、苯酚 （2）增加 稀释涂布 凝固剂 （3）③（4）0、0.2、0.4、0.6、0.8 ③

【评析】（1）培养基成分中的有机物均可以提供碳源，即蛋白胨、苯酚均可以作为碳源。（2）分析实验可知，实验目的是筛选酚降解菌，因此将采集到的样品接种培养，苯酚用量应随转接次数增加而逐渐增加，以达到富集酚降解菌的目的。若图1平板中菌落过于密集，应进一步稀释涂布，以便于菌落计数与分离。平板培养基属于固体培养基，该培养基需要加入琼脂作为凝固剂。（3）平板划线法中，随着划线次数的增加，菌种进一步被稀释，因此图中③区域更易获得单菌落。（4）进行比色测定实验时，首先需要设置浓度为0的苯酚作为空白对照组，6号试管苯酚浓度1 mg/L，为设置的最高浓度，由此可见，浓度梯度应该为0.2，即表中1～5号比色管的苯酚浓度应分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8。如果废水为50 mg/L的苯酚溶液，降解后约有21%的苯酚残留，即残留液中苯酚浓度为10.50 mg/L，与以上6支试管中的浓度相比，需要将残留液稀释20倍后，再进行比色。

本题错误率最高的是第（4）问。酚降解菌降解苯酚的能力可以采用比色测定法测定，测定前应先制作苯酚标准液系列浓度并进行显色反应，而显色反应需要空白对照。较多学生缺少苯酚标准液浓度为0的空白对照。降解后苯酚残留量的大小与菌株降解能力有关，一般情况下，需要预估降解液中苯酚的残留量，稀释后的浓度最好落在苯酚标准液系列浓度梯度中间。较多学生选了②，废水为50 mg/L苯酚溶液降解后约有21%的苯酚残留，稀释10倍，结果为1.050 mg/L，超过了1.0 mg/L，也就不在苯酚标准液系列浓度梯度中间，结果无法参照。

【例4】（2018年，江苏卷，第31题节选）酵母的蛋白质含量可达自身干重的一半，可作为饲料蛋白的来源。有些酵母可以利用工业废甲醇作为碳源进行培养，这样既可减少污染又可降低生产成本。研究人员拟从土壤样品中分离该类酵母，并进行大量培养。图3所示为操作流程，请回答下列问题：

图3

（4）步骤⑤中，为使酵母数量迅速增加，培养过程中需保证充足的营养和________ 供应。为监测酵母的活细胞密度，将发酵液稀释1 000倍后，经等体积台盼蓝染液染色，用25×16型血细胞计数板计数5个中格中的细胞数，理论上______ 色细胞的个数应不少于______ ，才能达到每毫升3×109个活细胞的预期密度。

【答案】氧气 无 30

【评析】解答本题的关键在于经等体积台盼蓝染液染色后，是否注意到稀释倍数的变化。试题设计与血球计数板的常规计算不同，一是考虑到活菌数，需把死亡菌体排除，可用台盼蓝染液进行染色。正常细胞具有完整的细胞膜结构，而死亡的细胞其细胞膜结构被破坏，台盼蓝染液无法通过正常的细胞膜因而正常的细胞不被台盼蓝染液染色，而死细胞则可被台盼蓝染液染成蓝色；二是考虑到稀释倍数的变化，经等体积台盼蓝染液染色，对发酵液而言类似于稀释1倍，故发酵液实际稀释倍数为2 000倍。设5个中格中的细胞数为a，则公式为a/80×400×10 000×2 000（稀释倍数）≥ 3×109，求得 a ≥ 30。较多考生计算得60，原因是只考虑到台盼蓝染色，而没考虑到等体积台盼蓝染液染色时已将发酵液稀释了1倍。

3.实验定量考查的答题指导

（1）创设更多实验活动机会，掌握生物学研究中的测量方法。除需开设《普通高中生物学课程标准（2017年版）》规定的实验活动外，教师还需要注意加强实验探究活动的课内、课外结合，应有计划地安排好需要用一定时间才能完成的课外活动，包括必要的调查、访问、参观、资料收集整理以及观察记录等，教师指导学生掌握生物学研究中的测量方法，整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。

（2）明确实验目的和实验原理，是准确审题的关键。如例2中，题目已强调实验目的：比较甲、乙、丙三种微生物所产生淀粉酶的活性，而实验原理在题干中已省略。学生首先要明确这是一个单因子对照实验，自变量是不同种类微生物淀粉酶，因变量是检测淀粉酶的活性。而题中因变量可通过反应物的消耗量或产物的生成量来检测。明确了实验原理，在实验操作中就进一步了解控制无关变量的重要性，因为无关变量的含量也会影响到实验结果，也就会影响对实验结论的判断。

（3）规范的实验操作和流程，是掌握评价标准的依据。如例1中，在研磨绿叶时，动作要迅速、充分。迅速，是为了减少无水乙醇的挥发；充分，是为了提取更多的色素。在研磨液过滤时，漏斗基部放一块单层尼龙布，而不用滤纸，是为了减少色素的损耗等。有了规范的操作和流程，就有了判断的标准和依据，解题时就能做到去粗取精，去伪存真。

（4）注重科学思维训练，提高科学探究能力。教师应指导学生使其具备能够发现实际生活中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。如例4中，为检测酵母的活细胞密度，将发酵液稀释1 000倍后，经等体积台盼蓝染液染色，发酵液稀释倍数是否发生了变化，这成了思维分歧的焦点。若学生平时经过严格的思维训练，审题时对“等体积”台盼蓝染液染色就能引起关注。学科核心素养的考查不是一句空话，在本小问中就得到充分体现。在平时的教学中，教师要更新观念，让学科核心素养真正落地生根，在实验定量考查乃至高考中才能开出美丽的花，结出丰硕的果。