例谈实验设计类题型的解题策略

2023-04-14刘启明

教学考试(高考生物) 2023年1期

刘启明

(广东省梅州市兴宁市第一中学)

回顾近年各地高考生物试题,探究(验证)类的实验设计类型题频频出现,如2022年广东卷第18题第(3)小题、2021年理综全国乙卷第29题第(3)小题、2020年山东卷第22题第(4)小题、2019年全国卷Ⅰ卷第29题第(3)小题、Ⅱ卷第37题第(3)小题、Ⅲ卷第29题第(2)小题等。命题者偏爱此类题型,是因为实验设计类题型最能体现科学思维和科学探究这两大生物学科核心素养,最能体现综合性、应用性和创新性。

实验设计类题型往往以动植物生理、代谢等领域的新材料或科学实验作情境,要求考生设计实验方案(实验思路或实验步骤)及预期实验结果,考查考生实验探究过程中对照设置、加法原理或减法原理在自变量控制的应用、无关变量的控制、因变量指标选择、结果预测等相关的实验方法和思维。

从答题情况看,此类型题目普遍得分率较低,往往表现为解题思路不清,解题步骤不明,表述散乱随意,甚至跳过不答等。笔者以近年的高考题为例,结合自己的教学经验,浅谈实验设计类题型的突破策略。

一、高考试题分析

【例题1】(2022·广东卷·第18题节选)研究者将玉米幼苗置于三种条件下培养10天后(图a),测定相关指标(图b),探究遮阴比例对植物的影响。回答下列问题:

图1

(3)某兴趣小组基于上述B组条件下玉米生长更快的研究结果,作出该条件可能会提高作物产量的推测,由此设计了初步实验方案进行探究:

实验材料:选择前期________一致、生长状态相似的某玉米品种幼苗90株。

实验方法:按图10a所示的条件,分A、B、C三组培养玉米幼苗,每组30株;其中以________为对照,并保证除________外其他环境条件一致。收获后分别测量各组玉米的籽粒重量。

结果统计:比较各组玉米的平均单株产量。

分析讨论:如果提高玉米产量的结论成立,下一步探究实验的思路是________。

【参考答案】(3)培养条件 A组和C组光照条件以其他作物为材料重复上述实验(合理即可)

【试题解析】本题是实验设计类型题中补充完善实验方案类,此类题型给出了部分信息,经前后联系和对照后,解题难度相对较小。思考路径如下:

1.注意实验材料选择时的无关变量等量且适宜的原则。本题材料选择时,应当选择生长状态相似的某玉米品种幼苗,且开始实验时的植株是适合光合作用的正常植株,因此还需注意前期“培养条件”一致,保证植株色素能正常合成,能进行正常的光合作用。

2.注意实验方案中的分组对照、自变量的设置和控制、无关变量的控制及因变量的选择。本题实验目的是在之前实验的基础上,进一步探究适当遮阴能否提高作物产量。结合题中已有的实验方案信息,确定实验的自变量为图1中的a,即不同的遮阴比例:A组不遮阴(以常态为空白对照),B组50%遮阴,C组100%遮阴(对照);因变量为作物平均单株产量,选择各组玉米的籽粒重量为具体测量指标;无关变量为每组植株生理状态和数量,以及除光照之外的其他环境条件。

3.下一步探究实验的思路一般为拓展实验对象,从定性实验向定量实验的转变或从一个影响因素向其他影响因素的探究转变。因而本题下一步探究可以更换其他作物进行实验,也可以从实验方案中的“探究适当遮阴能否提高作物产量”这一定性实验,向“探究能提高作物产量的最适遮光比例是多少”这一定量实验进一步探究。

【例题2】(2020·山东卷·第22题节选)科研人员在转入光敏蛋白基因的小鼠下丘脑中埋置光纤,通过特定的光刺激下丘脑CRH神经元,在脾神经纤维上记录到相应的电信号,从而发现下丘脑CRH神经元与脾脏之间存在神经联系,即脑-脾神经通路。该脑-脾神经通路可调节体液免疫,调节过程如图2所示,图3为该小鼠CRH神经元细胞膜相关结构示意图。

(4)已知切断脾神经可以破坏脑-脾神经通路,请利用以下实验材料及用具,设计实验验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力。简要写出实验设计思路并预期实验结果。

实验材料及用具:生理状态相同的小鼠若干只,N抗原,注射器,抗体定量检测仪器等。

实验设计思路:________。

预期实验结果:________。

【参考答案】取生理状态相同的小鼠若干只,随机均分为两组,将其中一组小鼠的脾神经切断作为实验组,另一组作为对照组;分别给两组小鼠注射相同剂量的N抗原;一段时间后,检测两组小鼠抗N抗体的产生量实验组小鼠的抗N抗体产生量低于对照组的产生量

【试题解析】本题是实验设计类型题中实验设计思路和预期结果类,此类题型除了给出部分已知的实验原理“切断脾神经可以破坏脑-脾神经通路”和实验材料用具外,其他需考生自行设计并组织文字表述,解题难度相对较大。思考路径如下:

1.明确实验目的和实验的三个变量。本实验的目的是“验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力”,围绕这个目的需设置有“脑-脾神经通路”和无“脑-脾神经通路”这组对照,故本实验需分组成对照组和实验组进行对照。因变量为“免疫能力是否降低”,结合材料用具中的“抗体定量检测仪器”可知,具体检测指标为“抗体的产生量”。无关变量为各组小鼠的生理状态、注射的N抗原剂量、其他实验条件和实验时间等。

2.明确实验过程的基本表述格式。①取材(注意材料本身生理状态等无关变量等量的表述)、分组(注意随机、平均分组等表述)、编号;②对照组、实验组如何处理以实现自变量的控制;③实验中反映因变量的具体观察或测量的指标。

3.注意无关变量操控的基本原则——等量且适宜原则在组织文字表述过程中的体现。如本题中实验中各组小鼠生理状态需相同,注射的N抗原剂量应等量,实验的其他条件应适宜,各组实验时间应相同等。

4.注意实验材料及用具的限制和提示。题中提供了相应的实验材料及用具时,需逐一分辨各材料用具的用途和目的,在设计过程中应遵循“物尽其用”“不得添加”的原则,逐一体现在所设计的实验方案中,否则方案就不完善。本题中“生理状态相同的小鼠若干只”是实验生物材料,“N抗原”引发小鼠免疫,“注射器”用于注射N抗原,“抗体定量检测仪器”则用于检测抗体产生量即反映因变量的变化。

5.预期实验结果。本环节要注意题中要求是预期最可能结果,还是需要预期各种可能结果。验证实验一般是预期最可能结果,探究实验一般需预期各种可能结果及对应的结论。本题是验证性实验,结合本实验目的“验证破坏脑-脾神经通路可降低小鼠的体液免疫能力”,给出最可能的实验结果“实验组小鼠的抗N抗体产生量低于对照组的产生量”即可。

【例题3】(2019·全国卷Ⅰ·第29题节选)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。

【参考答案】取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度,经干旱处理后,再测定气孔开度。预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。

将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组,在干旱条件下,一组进行ABA处理,另一组作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔开度。预期结果是ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变。

【试题解析】本题是实验设计类型题中实验设计思路和预期结果类,此类题型除了给出实验目的和实验材料外,其他均需考生自行设计并组织文字表述,解题难度进一步增大。思考路径如下:

1.明确实验目的和实验的三个变量。本实验目的是验证“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”。需强调的是,本实验目的通过“不是……而是……”表述格式,表明本实验既要验证“不是……”,又要验证“而是……”这两个并列目的,不能只验证其中一个。围绕验证“气孔开度减小不是由缺水直接引起的”这一目的时,需设置“水分正常”和“干旱”这一自变量的自身前后对照或分组对照;围绕验证“而是由ABA引起的”这一目的时,需设置“有ABA”和“无ABA”这一自变量的对照。因变量是植株叶片气孔开度的变化,除了自变量之外的其他影响因素是无关变量,如植株类型、植株生理状态,植株数量、环境温度、光照强度等。

3.注意实验材料的限制。本题中明确提出“以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料”,故在围绕验证“而是由ABA引起的”这一目的设置“有ABA”和“无ABA”这组对照时,不能采用能产生ABA的正常植株和不能产生ABA的突变体植株做对照,只能是在ABA缺失突变体植株的基础上,人为施加ABA和不施加ABA作为对照。

4.实验采用自身前后对照以反映某因变量的变化时,一定要注意实验前测量的数据和实验后测量的数据的对比。即要有前测和后测,不能只有后测而无前测,否则无法反映变化。

5.预期实验结果。本题的实验是验证性实验,结合本实验目的“验证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”,给出最可能的实验结果“干旱处理前后气孔开度不变”和“ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变”即可。

二、解题策略

结合上述例题的解析过程,可以总结出实验设计类型题型的解题策略:

(一)明确实验目的和实验的三个变量的操控

1.仔细阅读题干和问题,弄清实验目的:是为了探究(验证)XX因素(自变量)对XX指标(因变量)的影响;探究或验证涉及的目是一个还是多个。

2.明确实验的三个变量的操控。实验的自变量往往围绕实验目的来确定,通过“加法原理”或“减法原理”来实现自变量的定性对照或者定量对照。定性对照一般只需设置“有、无”或“高、中、低”的典型代表对照组即可,定量对照一般需在合理范围内设置合适梯度进行多组对照。对照方法可以根据题目情境或要求,选择空白对照、自身前后对照、对比实验、条件对照等一种或几种对照;因变量往往需要选择一个或几个能相对准确反映自变量的观察或测量的具体指标,除题中有特殊方法或仪器等限制外,一般考虑简单易观测的指标即可;无关变量的操控是实验中的关键环节,往往需要遵循无关变量相同(等量)且适宜的原则,否则会导致无关变量影响实验结果而产生实验误差或实验结果错误,进而影响结论的准确性。