“雙自變量”實(shí)驗(yàn)題型分類解析

崔麗丹 侯金海

(河北省石家莊市第二中學(xué))

對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的考查是高考生物試題中的重難點(diǎn)和亮點(diǎn),而正確分析變量并規(guī)范表述對(duì)正確解題有至關(guān)重要的作用。復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往有多個(gè)自變量,由于分析的情況比較復(fù)雜,通常是考生解題中難以正確把握和捋順?biāo)悸返摹翱ā秉c(diǎn)。本文整理了四類關(guān)于“雙自變量”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題型的經(jīng)典考查方向,并梳理出了這四類題型的解題模式,讓考生對(duì)這一類實(shí)驗(yàn)解題不再迷茫。

(一)“探究變量A或B能對(duì)因變量起作用”的類型

【題型分析】通過(guò)讀題,首先應(yīng)抓住該題型中兩個(gè)變量之間是“并列且互不干擾的關(guān)系”這一關(guān)鍵特征,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)組別之間變量的設(shè)計(jì)需單一且平行。要探究?jī)蓚€(gè)自變量“各自”的作用,可將“分別加自變量”的實(shí)驗(yàn)組與“不加自變量”的空白對(duì)照組進(jìn)行比較。也就是說(shuō),兩個(gè)施加自變量的組別均為實(shí)驗(yàn)組。可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:只有A能對(duì)因變量起作用;只有B能對(duì)因變量起作用;A、B均能對(duì)因變量起作用;A和B均不能起作用。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有多種可能性,不能遺漏。

【典例一】(原創(chuàng))某科研小組用以下反應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)葉圓片上浮法,以探究適宜的光照強(qiáng)度和CO2濃度是否均參與光合作用中O2的產(chǎn)生。反應(yīng)的基本原理是將離體的葉綠體加入DCIP(二氯酚靛酚)溶液,若水被分解產(chǎn)生O2等,溶液中的DCIP被還原后顏色變淺或呈現(xiàn)無(wú)色,則可通過(guò)顏色變化來(lái)檢測(cè)光合作用中O2的產(chǎn)生情況。已知在適宜的光照強(qiáng)度和CO2濃度環(huán)境中,離體的葉綠體中加入的DCIP溶液會(huì)變淺。請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路并預(yù)期結(jié)果和結(jié)論。

【答案】分別將實(shí)驗(yàn)材料隨機(jī)等量分為三組,甲組置于適宜的光照強(qiáng)度和CO2濃度環(huán)境中,乙組置于黑暗、與甲相同的CO2濃度環(huán)境中,丙組置于無(wú)CO2、與甲相同的光照強(qiáng)度中,其他條件相同且適宜,通過(guò)觀察溶液顏色變化檢測(cè)O2的產(chǎn)生情況。

預(yù)期結(jié)果:

若甲組、丙組變淺,乙組不變淺,則只有光照強(qiáng)度能影響光合作用中O2的產(chǎn)生。

若甲組、乙組變淺,丙組不變淺,則只有CO2能影響光合作用中O2的產(chǎn)生。

若甲組變淺,乙組和丙組均不變淺,則光照強(qiáng)度和CO2均能影響光合作用中O2的產(chǎn)生。

【解題點(diǎn)睛】題干中重要信息點(diǎn):探究適宜的光照強(qiáng)度和CO2是否均能對(duì)光合作用中O2的產(chǎn)生有影響。從該實(shí)驗(yàn)?zāi)康目芍?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)需分別設(shè)置“僅無(wú)光照”和“僅無(wú)CO2”的實(shí)驗(yàn)組,以和不做處理的“適宜的光照強(qiáng)度和CO2濃度環(huán)境”組形成對(duì)照,從而突出對(duì)不同單一變量的控制。因題目信息已給出適宜的光照強(qiáng)度和CO2濃度下,離體的葉綠體中加入的DCIP溶液會(huì)變淺,故預(yù)期結(jié)果無(wú)需考慮二者均不起作用的情況。預(yù)期結(jié)果為三種情況且缺一不可,在實(shí)驗(yàn)結(jié)果表述時(shí)應(yīng)注意表達(dá)方式:“若出現(xiàn)……的結(jié)果,則說(shuō)明……的結(jié)論。”

(二)“探究/驗(yàn)證變量A和B共同對(duì)因變量起作用”的類型

【題型分析】該類題型是在題型一的基礎(chǔ)上,明確兩個(gè)并列的自變量可能存在共同作用,即要探究/驗(yàn)證自變量A和B共同對(duì)因變量起作用,除了設(shè)置跟上述題型一類似的“分別加A或B其中的一個(gè)自變量”的實(shí)驗(yàn)組,還應(yīng)該設(shè)置“同時(shí)加兩個(gè)自變量”的實(shí)驗(yàn)組與之形成比較,此時(shí)仍需設(shè)置“不加自變量”的空白對(duì)照組,用以說(shuō)明共同起作用的效果。

【典例二】(2017全國(guó)Ⅰ卷3題改編)通常葉片中葉綠素含量下降可作為其衰老的檢測(cè)指標(biāo)。為研究細(xì)胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)激素共同作用對(duì)葉片衰老的影響,請(qǐng)簡(jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路。

【答案】將某植物離體葉片分組,并分別置于蒸餾水、細(xì)胞分裂素(CTK)、脫落酸(ABA)、CTK+ABA溶液中,再將各組置于光下,一段時(shí)間后檢測(cè)葉片中葉綠素含量變化。

【解題點(diǎn)睛】從題干信息“研究細(xì)胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)對(duì)葉片衰老共同作用”可知,“雙自變量”分別是細(xì)胞分裂素和脫落酸,因變量的可觀測(cè)指標(biāo)是葉綠素的相對(duì)含量。除了設(shè)計(jì)二者各自的作用,還應(yīng)設(shè)計(jì)“不加激素”的空白對(duì)照組和“同時(shí)添加兩種激素”的實(shí)驗(yàn)組。

(三)“驗(yàn)證不是變量A而是B對(duì)因變量起作用”的類型

【題型分析】本類題型要和題型一加以區(qū)分,即兩個(gè)自變量之間并非純粹的并列關(guān)系,而是“非此即彼”,既要證明“非此”,又要證明“即彼”。因此解題時(shí)應(yīng)注意,既要驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是變量A直接起作用,又要驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是變量B直接起作用。應(yīng)分層次根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶⒖倢?shí)驗(yàn)設(shè)置成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分實(shí)驗(yàn),對(duì)變量進(jìn)行“加法”處理,依次設(shè)置添加單一變量進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)“只添加變量A”驗(yàn)證不是變量A起作用,進(jìn)一步在“變量A存在的基礎(chǔ)上添加變量B”來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是變量B起作用。解題思路的模式如圖1所示:

圖1

【典例三】(2019年全國(guó)Ⅰ卷29節(jié)選)將生長(zhǎng)在水分正常土壤中的某植物通過(guò)減少澆水進(jìn)行干旱處理,該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大,葉片中的脫落酸(ABA)含量增高,葉片氣孔開(kāi)度減小。回答下列問(wèn)題。

(3)有研究表明:干旱條件下氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的。請(qǐng)以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論。要求簡(jiǎn)要寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果。

【答案】取ABA缺失突變體植株在正常條件下測(cè)定氣孔開(kāi)度,經(jīng)干旱處理后,再測(cè)定氣孔開(kāi)度。預(yù)期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開(kāi)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(jìn)行ABA處理,另一組作為對(duì)照組,一段時(shí)間后,分別測(cè)定兩組的氣孔開(kāi)度。預(yù)期結(jié)果是ABA處理組氣孔開(kāi)度減小,對(duì)照組氣孔開(kāi)度不變。

【解題點(diǎn)睛】題干中最重要的信息點(diǎn)是“不是...而是...”。借鑒上述模式圖從題干中提煉出重要信息“雙自變量”,“變量A”即缺水,“變量B”即ABA,以及“變量B”實(shí)驗(yàn)的前提“干旱條件下”,因變量的可觀測(cè)指標(biāo)是氣孔開(kāi)度的大小。接下來(lái)將其拆解為兩個(gè)看似獨(dú)立的“單一變量”分別實(shí)驗(yàn):

實(shí)驗(yàn)一:驗(yàn)證氣孔開(kāi)度減小不是由缺水直接引起的。

實(shí)驗(yàn)二:驗(yàn)證干旱條件下氣孔開(kāi)度減小是由ABA直接引起的。

表述時(shí)可以利用實(shí)驗(yàn)設(shè)置中常規(guī)的模式書(shū)寫(xiě)形式,即“如何設(shè)置自變量,如何控制無(wú)關(guān)變量,如何檢測(cè)因變量”。其中每組實(shí)驗(yàn)的對(duì)照類型一般可以選擇空白對(duì)照,也可以選擇自身前后對(duì)照。

實(shí)驗(yàn)一的對(duì)照類型可以選擇空白對(duì)照,也可選擇自身前后對(duì)照,都需對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)二的對(duì)照類型無(wú)論選擇空白對(duì)照,還是自身前后對(duì)照,也都需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比,才能說(shuō)明氣孔開(kāi)度減小,而且始終應(yīng)在干旱條件下進(jìn)行。通過(guò)上述分析,若實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二都選擇空白對(duì)照類型,我們亦可以將實(shí)驗(yàn)化簡(jiǎn)為同時(shí)設(shè)置三個(gè)組別進(jìn)行驗(yàn)證:

其中組別1和組別2之間圍繞變量A缺水條件展開(kāi),組別2和組別3之間圍繞變量B脫落酸ABA展開(kāi),這種設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)也比較直觀。

(四)“驗(yàn)證變量A通過(guò)變量B對(duì)因變量起作用”的類型

【題型分析】該類題型自變量之間存在某種邏輯關(guān)系,分析時(shí)需捋順兩個(gè)自變量不是并列且互不干擾,也不是“非此即彼”,而是串聯(lián)一體共同影響因變量的關(guān)系。自變量到因變量的邏輯推理存在中間環(huán)節(jié),即變量A通過(guò)變量B發(fā)揮作用。解題時(shí)應(yīng)首先在既有A又有B的對(duì)照組前提下,將變量進(jìn)行“減法”處理。即先設(shè)計(jì)去除變量A的實(shí)驗(yàn)組,可推知預(yù)期結(jié)果X理論上不再發(fā)生;接著在去除變量A的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上再設(shè)置一組添加變量B的實(shí)驗(yàn)組,可推知預(yù)期結(jié)果X正常發(fā)生。由此進(jìn)一步確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的發(fā)生是“變量A”通過(guò)“變量B”所導(dǎo)致。解題思路的模式如圖2所示:

圖2

【典例四】(2021年湖南卷19題改編)生長(zhǎng)激素對(duì)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,調(diào)節(jié)過(guò)程如圖3:

圖3

研究人員擬以無(wú)生長(zhǎng)激素受體的小鼠軟骨細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料,在細(xì)胞培養(yǎng)液中添加不同物質(zhì)分組離體培養(yǎng),驗(yàn)證生長(zhǎng)激素可通過(guò)IGF-1促進(jìn)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表,請(qǐng)完善表格內(nèi)容推測(cè)5組培養(yǎng)中的添加的物質(zhì)是________。

組別12345培養(yǎng)液中添加物質(zhì)無(wú)GHIGF-1正常小鼠去垂體后的血清?

【答案】正常小鼠去垂體后加入IGF-1的血清

【解題點(diǎn)睛】利用上述模式圖,我們可以確定該實(shí)驗(yàn)的雙自變量,變量A是生長(zhǎng)激素GH,變量B是IGF-1,因變量是軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)情況。根據(jù)該題示意圖,可以確定軟骨細(xì)胞具有GH受體和IGF-1受體。實(shí)驗(yàn)材料為無(wú)生長(zhǎng)激素受體的小鼠軟骨細(xì)胞,故單獨(dú)添加GH不會(huì)促進(jìn)軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng),而單獨(dú)添加IGF-1可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)。

進(jìn)而我們需要設(shè)計(jì)兩組關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),其中4組添加了正常小鼠去垂體后的血清,該組是為了對(duì)變量進(jìn)行“減法”處理,去除變量A-GH(生長(zhǎng)激素)后,該血清中應(yīng)既無(wú)GH又無(wú)IGF-1,所以軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)明顯變化。接下來(lái)需要在去除變量A的基礎(chǔ)上添加變量B,即施加正常小鼠去垂體后又添加IGF-1的血清,預(yù)期結(jié)果是軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)現(xiàn)象明顯,才能驗(yàn)證生長(zhǎng)激素可通過(guò)IGF-1促進(jìn)軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)。

所以可推測(cè)E組培養(yǎng)液中添加的物質(zhì)是正常小鼠去垂體后加入IGF-1的血清。