“双自变量”实验题型分类解析

崔丽丹 侯金海

(河北省石家庄市第二中学)

对实验设计与分析的考查是高考生物试题中的重难点和亮点,而正确分析变量并规范表述对正确解题有至关重要的作用。复杂的实验设计往往有多个自变量,由于分析的情况比较复杂,通常是考生解题中难以正确把握和捋顺思路的“卡”点。本文整理了四类关于“双自变量”实验设计题型的经典考查方向,并梳理出了这四类题型的解题模式,让考生对这一类实验解题不再迷茫。

(一)“探究变量A或B能对因变量起作用”的类型

【题型分析】通过读题,首先应抓住该题型中两个变量之间是“并列且互不干扰的关系”这一关键特征,在设计实验时应注意实验组别之间变量的设计需单一且平行。要探究两个自变量“各自”的作用,可将“分别加自变量”的实验组与“不加自变量”的空白对照组进行比较。也就是说,两个施加自变量的组别均为实验组。可能的实验结果:只有A能对因变量起作用;只有B能对因变量起作用;A、B均能对因变量起作用;A和B均不能起作用。因此实验结果具有多种可能性,不能遗漏。

【典例一】(原创)某科研小组用以下反应代替传统叶圆片上浮法,以探究适宜的光照强度和CO2浓度是否均参与光合作用中O2的产生。反应的基本原理是将离体的叶绿体加入DCIP(二氯酚靛酚)溶液,若水被分解产生O2等,溶液中的DCIP被还原后颜色变浅或呈现无色,则可通过颜色变化来检测光合作用中O2的产生情况。已知在适宜的光照强度和CO2浓度环境中,离体的叶绿体中加入的DCIP溶液会变浅。请根据实验目的简要写出实验思路并预期结果和结论。

【答案】分别将实验材料随机等量分为三组,甲组置于适宜的光照强度和CO2浓度环境中,乙组置于黑暗、与甲相同的CO2浓度环境中,丙组置于无CO2、与甲相同的光照强度中,其他条件相同且适宜,通过观察溶液颜色变化检测O2的产生情况。

预期结果:

若甲组、丙组变浅,乙组不变浅,则只有光照强度能影响光合作用中O2的产生。

若甲组、乙组变浅,丙组不变浅,则只有CO2能影响光合作用中O2的产生。

若甲组变浅,乙组和丙组均不变浅,则光照强度和CO2均能影响光合作用中O2的产生。

【解题点睛】题干中重要信息点:探究适宜的光照强度和CO2是否均能对光合作用中O2的产生有影响。从该实验目的可知,进行实验设计时需分别设置“仅无光照”和“仅无CO2”的实验组,以和不做处理的“适宜的光照强度和CO2浓度环境”组形成对照,从而突出对不同单一变量的控制。因题目信息已给出适宜的光照强度和CO2浓度下,离体的叶绿体中加入的DCIP溶液会变浅,故预期结果无需考虑二者均不起作用的情况。预期结果为三种情况且缺一不可,在实验结果表述时应注意表达方式:“若出现……的结果,则说明……的结论。”

(二)“探究/验证变量A和B共同对因变量起作用”的类型

【题型分析】该类题型是在题型一的基础上,明确两个并列的自变量可能存在共同作用,即要探究/验证自变量A和B共同对因变量起作用,除了设置跟上述题型一类似的“分别加A或B其中的一个自变量”的实验组,还应该设置“同时加两个自变量”的实验组与之形成比较,此时仍需设置“不加自变量”的空白对照组,用以说明共同起作用的效果。

【典例二】(2017全国Ⅰ卷3题改编)通常叶片中叶绿素含量下降可作为其衰老的检测指标。为研究细胞分裂素(CTK)和脱落酸(ABA)激素共同作用对叶片衰老的影响,请简要写出实验思路。

【答案】将某植物离体叶片分组,并分别置于蒸馏水、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、CTK+ABA溶液中,再将各组置于光下,一段时间后检测叶片中叶绿素含量变化。

【解题点睛】从题干信息“研究细胞分裂素(CTK)和脱落酸(ABA)对叶片衰老共同作用”可知,“双自变量”分别是细胞分裂素和脱落酸,因变量的可观测指标是叶绿素的相对含量。除了设计二者各自的作用,还应设计“不加激素”的空白对照组和“同时添加两种激素”的实验组。

(三)“验证不是变量A而是B对因变量起作用”的类型

【题型分析】本类题型要和题型一加以区分,即两个自变量之间并非纯粹的并列关系,而是“非此即彼”,既要证明“非此”,又要证明“即彼”。因此解题时应注意,既要验证实验结果不是变量A直接起作用,又要验证实验结果是变量B直接起作用。应分层次根据实验目的将总实验设置成两个相对独立的分实验,对变量进行“加法”处理,依次设置添加单一变量进行验证。通过“只添加变量A”验证不是变量A起作用,进一步在“变量A存在的基础上添加变量B”来验证实验结果是变量B起作用。解题思路的模式如图1所示:

图1

【典例三】(2019年全国Ⅰ卷29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。

【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。

【解题点睛】题干中最重要的信息点是“不是...而是...”。借鉴上述模式图从题干中提炼出重要信息“双自变量”,“变量A”即缺水,“变量B”即ABA,以及“变量B”实验的前提“干旱条件下”,因变量的可观测指标是气孔开度的大小。接下来将其拆解为两个看似独立的“单一变量”分别实验:

实验一:验证气孔开度减小不是由缺水直接引起的。

实验二:验证干旱条件下气孔开度减小是由ABA直接引起的。

表述时可以利用实验设置中常规的模式书写形式,即“如何设置自变量,如何控制无关变量,如何检测因变量”。其中每组实验的对照类型一般可以选择空白对照,也可以选择自身前后对照。

实验一的对照类型可以选择空白对照,也可选择自身前后对照,都需对实验前后的结果进行对比。实验二的对照类型无论选择空白对照,还是自身前后对照,也都需要进行实验前后对比,才能说明气孔开度减小,而且始终应在干旱条件下进行。通过上述分析,若实验一和实验二都选择空白对照类型,我们亦可以将实验化简为同时设置三个组别进行验证:

其中组别1和组别2之间围绕变量A缺水条件展开,组别2和组别3之间围绕变量B脱落酸ABA展开,这种设计对学生来说也比较直观。

(四)“验证变量A通过变量B对因变量起作用”的类型

【题型分析】该类题型自变量之间存在某种逻辑关系,分析时需捋顺两个自变量不是并列且互不干扰,也不是“非此即彼”,而是串联一体共同影响因变量的关系。自变量到因变量的逻辑推理存在中间环节,即变量A通过变量B发挥作用。解题时应首先在既有A又有B的对照组前提下,将变量进行“减法”处理。即先设计去除变量A的实验组,可推知预期结果X理论上不再发生;接着在去除变量A的实验基础上再设置一组添加变量B的实验组,可推知预期结果X正常发生。由此进一步确认实验结果的发生是“变量A”通过“变量B”所导致。解题思路的模式如图2所示:

图2

【典例四】(2021年湖南卷19题改编)生长激素对软骨细胞生长有促进作用,调节过程如图3:

图3

研究人员拟以无生长激素受体的小鼠软骨细胞为实验材料,在细胞培养液中添加不同物质分组离体培养,验证生长激素可通过IGF-1促进软骨细胞生长。实验设计如表,请完善表格内容推测5组培养中的添加的物质是________。

组别12345培养液中添加物质无GHIGF-1正常小鼠去垂体后的血清?

【答案】正常小鼠去垂体后加入IGF-1的血清

【解题点睛】利用上述模式图,我们可以确定该实验的双自变量,变量A是生长激素GH,变量B是IGF-1,因变量是软骨细胞的生长情况。根据该题示意图,可以确定软骨细胞具有GH受体和IGF-1受体。实验材料为无生长激素受体的小鼠软骨细胞,故单独添加GH不会促进软骨细胞的生长,而单独添加IGF-1可以促进软骨细胞的生长。

进而我们需要设计两组关键实验,其中4组添加了正常小鼠去垂体后的血清,该组是为了对变量进行“减法”处理,去除变量A-GH(生长激素)后,该血清中应既无GH又无IGF-1,所以软骨细胞生长无明显变化。接下来需要在去除变量A的基础上添加变量B,即施加正常小鼠去垂体后又添加IGF-1的血清,预期结果是软骨细胞生长现象明显,才能验证生长激素可通过IGF-1促进软骨细胞的生长。

所以可推测E组培养液中添加的物质是正常小鼠去垂体后加入IGF-1的血清。