生物：實驗設計的突破思路與方法（上）

田奇林 舒洲 劉江洲

生物學是典型的實驗學科，學生的實驗與探究能力是學習這門學科的核心能力。實驗與探究能力是在理論認知與科學實踐過程中逐漸養成的高階思維能力，既是生物學課程教學的重要培養目標，也是高考生物學試題考查的方向。在近幾年的全國卷中，實驗與探究能力試題約占試題總量的50%，值得同學們高度關注。

一、高考對科學探究能力的考查

探究是創新的基礎，高考考查的主要內容有：提出生物學問題，形成猜想并作出假設，設計實驗或制定方案（思路），進行實驗或完成方案，得出結論;對特定的生物學現象或事實，進行觀察、提問、討論和交流的過程。創新是探究的高級表現，主要包括發現新的問題，提出新的解釋或作進一步探究的新思維、新方法，特別注重基于發散思維、聚合思維、批判思維和元認知等創新能力和基于規范表達的合作能力的綜合考查。

二、高考實驗設計答題失分的常見原因

【例1】（2019·全國卷Ⅰ，29題）將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理，該植物根細胞中溶質濃度增大，葉片中的脫落酸（ABA）含量增高，葉片氣孔開度減小，回答下列問題。

（1）經干旱處理后，該植物根細胞的吸水能力_______。

（2）與干旱處理前相比，干旱處理后該植物的光合速率會_______，出現這種變化的主要原因是_______。

（3）有研究表明：干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的，請以該種植物的ABA缺失突變體（不能合成ABA）植株為材料，設計實驗來驗證這一結論，要求簡要寫出實驗思路和預期結果。

【答案】（1）增強? ? （2）降低? ? 氣孔開度減小使供應給光合作用所需的CO2減少? ? （3）取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度，經干旱處理后，再測定氣孔開度。預期結果是干旱處理前后氣孔開度不變。將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組，在干旱條件下，一組進行ABA處理，另一組作為對照組，一段時間后，分別測定兩組的氣孔開度。預期結果是ABA處理組氣孔開度減小，對照組氣孔開度不變。

1.答卷抽樣分值分布統計

2.試題分析與評價

本題以對某植物減少澆水進行干旱處理為背景，綜合考查了滲透作用原理和光合速率的影響因素，重點考查了生物學科核心素養中的科學思維和科學探究，要求考生通過設計實驗驗證干旱條件下，氣孔開度不是由缺水直接引起的，而是由脫落酸（ABA）引起的。試題靈活，要求考生有很強的實驗設計能力和語言表達能力;考生容易入手，但不能準確和完整地進行表達。考生得分區間集中在6—8分，平均分為6.84分，試題區分度較大。

3.考生答題失分原因分析

（1）自變量遺漏。驗證“干旱條件下，氣孔開度不是由缺水直接引起的，而是由脫落酸（ABA）引起的”中存在兩個自變量：是否缺水和是否有脫落酸。

（2）隨意更換實驗材料。本題要求以該種植物的ABA缺失體（不能合成ABA）植株為材料設計實驗，而部分考生錯用正常植物作為實驗材料。

（3）增添或錯選因變量。本題要求以氣孔開度為因變量，而部分考生以光合作用強度、植物重量的變化、植物的生長情況等作為因變量或出現了多個因變量。

（4）混淆實驗結果與實驗結論。將預期實驗結果答成了實驗結論，如“干旱條件下，氣孔開度不是由缺水直接引起的”“干旱條件下，氣孔開度是由ABA直接引起的”等。

（5）表達不全。回答光合速率變化（減慢）的原因，部分考生只回答“氣孔開度減小”或者 “吸收的CO2減少”。

（6）不遵循單因子變量原則。只設計了兩個組進行對照，兩個組有兩個自變量，如“一個組在缺水條件下，添加ABA;另一個組在正常（有水）條件下，不添加ABA”。

（7）不能正確區分實驗類型。該題是一個驗證性實驗，部分考生審題不仔細，錯誤地當作探究性實驗，在回答實驗預期結果時，進行了分類討論。

三、實驗設計的突破思路與技巧

1.植物生理實驗

見例1。

【審題關鍵】

（1）實驗要在干旱的條件下進行;

（2）在有ABA和無ABA參與的條件下測定氣孔開度的變化;

（3）實驗材料要選用“ABA缺失突變體”。

【解題模板】

【拓展延伸】

探究植物激素間的相互作用的答題思路

2.遺傳設計實驗

【例2】（原創）孟德爾從34個豌豆品種中選擇了7對相對性狀做雜交實驗，揭示出兩個重要的遺傳定律。下圖表示控制豌豆三對相對性狀的三對等位基因在染色體上的位置。已知種皮灰色和白色分別由一對等位基因A和a控制，這對基因可能位于I號或IV號染色體上。現有各種表現型的純合豌豆植株，不考慮基因突變和交叉互換的情況下，請設計實驗，確認A/a是位于I號染色體上還是IV號染色體上。

實驗方案：①可選用種皮灰色子葉黃色高莖豌豆與 豌豆做親本雜交，得到F1。②再讓F1自交，然后 ? 。③若表現型及比例為 ? ? ，則A/a位于IV號染色體上;若表現型及比例為 ，則A/a位于I號染色體上。

【答案】①種皮白色子葉綠色矮莖? ? ②統計F2表現型及比例? ? ③種皮灰色高莖∶種皮白色矮莖=3∶1（或種皮灰色子葉黃色∶種皮灰色子葉綠色∶種皮白色子葉黃色∶種皮白色子葉綠色=9∶3∶3∶1）種皮灰色子葉黃色∶種皮白色子葉綠色=3∶1（或種皮灰色高莖∶種皮灰色矮莖∶種皮白色高莖∶種皮白色矮莖=9∶3∶3∶1）

【解題模板】

【拓展延伸】

假說—演繹法解答遺傳實驗設計題的答題思路

3.動物生理實驗

【例3】（2018·全國卷Ⅱ，32題）為研究垂體對機體生長發育的作用，某同學用垂體切除法進行實驗。在實驗過程中，用幼齡大鼠為材料，以體重變化作為生長發育的檢測指標。回答下列問題：

（1）請完善下面的實驗步驟：

① 將若干只大鼠隨機分為A，B兩組后進行處理，A組（對照組）的處理是，B組的處理是 。

② 將上述兩組大鼠置于相同的適宜條件下飼養。

③。

④ 對所得數據進行統計處理與分析。

（2）實驗結果與分析：B組大鼠生長發育的狀況不如A組，出現這種差異的原因是B組的處理使大鼠缺失了來源于垂體的 激素和 激素。

【答案】（1）①手術但不切除垂體 切除垂體③每隔一定時間，測定并記錄兩組大鼠的體重 （2）生長 促甲狀腺

【審題關鍵】

實驗目的——研究垂體對機體生長發育的作用;A為對照組;B組的處理使大鼠失去了垂體產生的激素

【解題模板】

【命題陷阱】

①沒有排除無關變量的干擾。注意對照組必須進行假手術，以排除手術原因對實驗造成的干擾。②語言表達不準確，難以做到準確的量化描述。答題時應盡可能地運用定性的語言表達，在實驗時間和實驗條件上注意“一段時間”“適宜的溫度、pH”等語言的應用。

【拓展延伸】

探究動物激素生理功能的答題思路

4.生化反應實驗

【例4】（2016·江蘇卷，8題）過氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性沒食子酸呈橙黃色。為探究白菜梗中是否存在過氧化物酶，設計實驗如下表。下列相關敘述正確的是（ ）

A. 1號管為對照組，其余不都是實驗組

B. 2號管為對照組，其余都為實驗組

C. 若3號管顯橙紅色，無須對照就能證明白菜梗中存在過氧化物酶

D.若4號管不顯橙紅色，可證明白菜梗中無氧化物酶

【答案】A

【審題關鍵】

實驗目的——探究白菜梗中是否存在過氧化物酶;實驗原理——過氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性沒食子酸呈橙黃色。

【解題模板】

【命題陷阱】

①沒有掌握對照實驗的實質。沒有2號對照，就無法判斷酶反應的結果，也無法推測溶液呈現橙黃色的原因。②誤認為實驗只有一個對照組。實踐中往往設置多重對照，以確保實驗結果可信。