例析高考生物试题中实验思路的设计

安徽省蒙城第一中学（233500）耿美玲

生物高考着重考查学生的思维能力和探究能力，而高考生物实验题对这方面的考查尤为突出。高考生物实验的考查题型多样化，有实验分析题型、实验设计题型、实验评价与修正题型等。实验设计又分为实验步骤设计和实验思路设计等。近几年来，实验思路的设计受到命题者的青睐。实验思路设计类试题能很好地考查学生的科学思维和科学探究能力，把优秀的学生和一般的学生区分开来，具有很好的选拔功能。当然，这类试题具有较高的难度，优秀生也需要进行训练才能有效掌握解题方法。本文结合2017 年高考全国Ⅰ卷理综第29题和2019 年高考全国Ⅰ卷理综第29 题这两道高考真题来例析实验思路的设计。

一、实例一

（一）题目

根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA 病毒和DNA 病毒两种类型。有些病毒对人类健康会造成很大危害。通常，一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。

假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，简要写出（1）实验思路，（2）预期实验结果及结论即可。（要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组）

（二）分析与讨论

该题是2017年高考全国Ⅰ卷理综第29题。高考后，笔者和一部分学生交流了这道题，他们的答案可粗略归纳为以下几种情况。

其一，甲组用含有放射性同位素标记胸腺嘧啶的培养基来培养宿主细胞，同时，乙组用没有放射性同位素标记的培养基来培养宿主细胞，再分别接种新病毒，在适宜条件下培养一段时间，然后检测甲、乙两组子代病毒的放射性。若甲组的子代病毒有放射性，乙组的没有，则新病毒为DNA 病毒；若甲、乙两组的子代病毒都没有放射性，则新病毒为RNA 病毒。若甲组用含有放射性同位素标记尿嘧啶的培养基来培养宿主细胞，乙组同上，所得子代病毒类型和上述情况正好相反。

上述两种实验思路中甲组为实验组，乙组为空白对照组，看似合理，其实不符合题干中括号内的要求。题干要求实验包含可相互印证的甲、乙两个组，实际上就是要设计甲、乙两组的对比实验（即相互对照实验），不要设置空白对照组，即本题实验的自变量不是胸腺嘧啶或尿嘧啶是否被放射性同位素标记。即使题干没有要求实验包含可相互印证的甲、乙两个组，最好也不要按照上述方式答题，否则，当实验结果为甲、乙两组的子代病毒都没有放射性时，只能用反证法推理新病毒的类型，而不是直接推理。因此，即使题干没做题干中括号内的要求，也要设计可相互印证的甲、乙两个组。

其二，甲组用已标记脱氧核糖的培养基来培养宿主细胞，乙组用已标记核糖的培养基来培养宿主细胞，再分别接种新病毒，在适宜的条件下培养一段时间，然后检测甲、乙两组子代病毒的放射性。学生得出此类答案的原因是没有注意到题干中的提示“假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换”，对脱氧核糖和核糖进行了放射性同位素标记。

这种实验思路是错误的，因为在细胞内核糖会被核糖核苷酸还原酶［1］催化转变成脱氧核糖。如果同位素标记在核糖上而没有标记在脱氧核糖上，当核糖转变成脱氧核糖时，脱氧核糖也会被放射性同位素标记上，因此会出现甲、乙两组的子代病毒都被放射性同位素标记而最终影响实验结果的判定。因此，本题实验的自变量不能设置成放射性同位素是标记在脱氧核糖上还是核糖上。

其三，对胸腺嘧啶脱氧核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸进行放射性同位素标记，或对胸苷和尿苷进行放射性同位素标记。

对它们做放射性同位素标记，是标记在碱基上，还是标记在五碳糖上？如果标记的不是碱基，而是五碳糖，情况与上述标记在细胞内的核糖上相似，所以这样的实验思路也是错误的。

综上所述，该题的实验目的是探究一种新病毒是DNA 病毒还是RNA 病毒，旨在考查学生的科学思维，而不是实际操作能力。从题干的三处题眼可找到解题思路，题眼一“假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换”就提醒学生从DNA 和RNA的碱基组成上进行分析。虽然细胞中的碱基是可以转换的，如尿嘧啶（U）在胸苷酸合酶［2］的催化下可转变为胸腺嘧啶（T），但根据题眼一以及题干“利用放射性同位素标记的方法”这一要求，就可确定本题的自变量为将放射性同位素标记在胸腺嘧啶（T）上还是标记在尿嘧啶（U）上，而因变量为新病毒的类型，用是否有放射性来检测新病毒的类型。题眼二“实验包含可相互印证的甲、乙两个组”，实际上就是要设计甲、乙两组的对比实验，不能设置成空白对照实验。结合题眼三“以体外培养的宿主细胞等为材料”，并参考生物教材必修二中的经典实验“T2噬菌体侵染大肠杆菌”的设计，本题大致的实验思路为：首先用含放射性同位素的培养基来培养宿主细胞，此时宿主细胞会被放射性同位素标记；然后用此时的宿主细胞培养新病毒，而新病毒合成核酸需要利用宿主细胞中的原料，那么子代病毒就会被放射性同位素标记，否则，子代病毒就不会带有放射性。进行假说演绎分析：若新病毒是DNA 病毒，则标记T的那组实验的子代病毒会带有放射性，标记U 的那组实验的子代病毒不会带有放射性；若新病毒是RNA 病毒，则标记T 的那组实验的子代病毒不会带上放射性，标记U 的那组实验的子代病毒会带有放射性。注意答题时要把假说演绎分析的结果反过来描述，即把“若A，则B”改为“若B，则A”。

该题的难点是自变量的确定，DNA 和RNA 的化学组成的区别是五碳糖和碱基不同，如果学生审题时忽略了题干中的“假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换”这一条件，就很有可能会弄错自变量，从而导致错答该题。另外，该题实验思路的设计不强调用等量的宿主细胞、接种等量的病毒等，即不强调等量原则，也不强调细节，而是关注自变量、因变量、对照设置以及自变量和因变量的关系。

二、实例二

（一）题目（节选）

将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸（ABA）含量增高，叶片气孔开度减小。回答下列问题。

（3）有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的。请以该种植物的ABA 缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论，要求简要写出实验思路和预期结果。

（二）分析与讨论

这道题是2019 年高考全国Ⅰ卷理综第29 题，相比2017 年高考全国Ⅰ卷理综第29 题，该题要相对简单些。但笔者在和一部分学生交流时发现他们存在两种典型错误。第一种是实验材料用错，既用了ABA 缺失突变体植株，又用了正常植株；第二种是只设计了一个实验，只验证了干旱条件下气孔开度减小的原因中的一种，即只验证了不是由缺水直接引起的，或是只验证了是由ABA 引起的。

这道题的题干明确给出实验材料要选择ABA缺失突变体植株，而有意回避正常植株，那是因为正常植株在缺水时会合成ABA，使气孔开度减小，从而使实验变得复杂。因此，本题的实验用ABA缺失突变体植株作为实验材料，降低了题目的难度。题给的实验材料是ABA 缺失突变体植株，所以实验设计时只能用此材料，不能用其他材料。

这道题的实验目的是设计实验验证干旱条件下气孔开度减小的两个原因，第一个要验证它不是由缺水直接引起的，第二个要验证它是由ABA 引起的。很显然，这是双自变量问题，因此需要设计两个实验，即一个实验验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水引起的，另一个实验验证干旱条件下气孔开度减小是由ABA 引起的。那么这两个实验的对照又该如何设置？若第一个实验用空白对照，则需两组实验，一组材料正常处理，另一组材料干旱处理，每组材料处理前后都需测气孔开度。而第一个实验的空白对照其实包含了自身对照，所以验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，最好用自身对照。自身对照实验思路如下：首先测定ABA 缺失突变体植株在正常条件下的气孔开度，然后经干旱处理后，再测定该植株的气孔开度，预期结果是经干旱处理后该植株的气孔开度未发生变化。第二个实验如果也用自身对照，首先要测定ABA 缺失突变体植株的气孔开度，然后在干旱条件下给予ABA 处理，最后测定该植株的气孔开度。但这样就无法排除溶解ABA 的溶剂对气孔开度的影响。因此，验证干旱条件下气孔开度减小是由ABA 引起的，最好选用空白对照。空白对照实验中的对照组要用溶解ABA 的溶剂来处理植株，从而排除溶剂对气孔开度的影响。空白对照实验思路如下：取干旱处理的ABA 缺失突变体植株分成两组，分别测定两组的气孔开度；在干旱条件下，对其中一组进行ABA 处理，而另外一组作为对照组，一段时间后，再分别测定两组的气孔开度，预期结果是经ABA 处理的植株的气孔开度减小，而未做处理的对照组的植株的气孔开度不变。

由以上分析可知，该题的实验思路设计也并未强调细节，比如在第二个空白对照实验中，没有强调两组是否用等量的ABA 缺失突变体植株，也没有强调如何平衡和消除无关变量。

上述实验思路是设计两个实验来分别验证干旱条件下气孔开度减小的原因，即它不是由缺水直接引起的，而是由ABA 引起的。那如果设计一个含有三组变量的实验来验证，是否可以呢？首先取在正常条件下的ABA 缺失突变体植株，分成甲、乙和丙三组，分别测定三组植株的气孔开度，然后甲组正常浇水，乙组干旱处理，丙组给予干旱及ABA共同处理，培养一段时间后，再分别测定三组植株的气孔开度。预期结果是甲组和乙组植株的气孔开度均未发生变化，而丙组的植株气孔开度减小了。上述实验中，甲组和乙组对照能说明干旱条件处理下植株的气孔开度减小不是由缺水直接引起的，乙组和丙组对照能说明干旱条件下植株的气孔开度减小是由ABA 直接引起的。如果不考虑溶解ABA的溶剂对植株气孔开度的影响（事实上影响近似为零），那么可以这样设计。如果考虑溶解ABA的溶剂对植株气孔开度的影响，那么最好按照上述分析来设计两个实验分别验证水和ABA的作用。

三、总结

通过上述两个实例可以看出，设计实验思路时要重点提取题干中的有效信息和利用教材中的有关生物学原理和规律。实验思路的设计一般不强调细节，如不强调等量原则以及无关变量如何平衡和消除等，而是关注自变量、因变量的确定以及对照组的设置，通过实验结果确定自变量和因变量的关系。实验思路设计类题型旨在考查学生的思维能力，而非实际操作能力。

实验思路的设计是较为“粗线条”的思考过程，需要言简意赅，并要注意遵循对照原则和单一变量原则，其书写格式为“材料+自变量+检测因变量+预期”。