河北 王力強(qiáng)

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，生物實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)探究和科學(xué)思維的“原材料”，它既是生物學(xué)課堂教學(xué)的重點(diǎn)，也是高考的考查熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)專題的一輪復(fù)習(xí)，應(yīng)該著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋的能力。為了讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正實(shí)現(xiàn)“落地生根”，筆者在復(fù)習(xí)課中嘗試使用“析—變—升”的教學(xué)思路?！拔觥笔菍?duì)高考實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)、分析和規(guī)劃；“變”是針對(duì)高考真題的導(dǎo)向，利用原創(chuàng)題和改編題對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)情境進(jìn)行重新編排、重組和改進(jìn)；“升”是對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的整理、歸納和升華。這一思路的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“變”，即引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作或者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行創(chuàng)設(shè)，從而提升科學(xué)思維和科學(xué)探究的素養(yǎng)。

1.統(tǒng)計(jì)和分析歷年高考真題對(duì)實(shí)驗(yàn)探究能力測評(píng)手段的變化，把握復(fù)習(xí)方向

從2007 年寧夏啟用全國卷開始，高考真題逐漸用考查實(shí)驗(yàn)思路代替考查實(shí)驗(yàn)步驟，用考查對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和解釋代替考查實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理，逐步減少對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟具體細(xì)節(jié)的考查，并通過考查實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)與分析來體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展水平。筆者通過對(duì)2011—2019 年全國卷Ⅰ科學(xué)實(shí)驗(yàn)類試題常用的三種測評(píng)手段的統(tǒng)計(jì)和分析，可以看出考查實(shí)驗(yàn)探究能力的方法主要集中在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和解釋、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路兩種測評(píng)手段上（如圖1）。

圖1 科學(xué)實(shí)驗(yàn)類試題不同測評(píng)手段在2011 — 2019 年全國卷Ⅰ中的分值

結(jié)合對(duì)2019 年全國卷Ⅰ的分析，筆者發(fā)現(xiàn)高考真題具有兩大特點(diǎn)：一是對(duì)主干知識(shí)的考查集中在重要生物學(xué)過程上。如2019 年全國卷Ⅰ第2 題，主要考查學(xué)生對(duì)翻譯過程的理解，題目創(chuàng)設(shè)了體外合成同位素標(biāo)記多肽鏈的情境，要求學(xué)生選擇該過程所需的材料，做題時(shí)需綜合考慮蛋白質(zhì)生物合成所需的原料、tRNA 和酶等條件。二是重視對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、解釋的考查。解答此類試題時(shí)考生需要從多重實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹袆冸x出實(shí)驗(yàn)變量進(jìn)行分析，根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)材料，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法完成實(shí)驗(yàn)探究。如2019 年全國卷Ⅰ第29 題第（3）問，主要考查學(xué)生對(duì)植物生命活動(dòng)調(diào)節(jié)過程的理解，題目創(chuàng)設(shè)了探索干旱條件下氣孔開度減小的情境，要求學(xué)生結(jié)合歸因、推理和論證進(jìn)行思考，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)一個(gè)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行自身前后對(duì)照，或分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。

2.根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般思路分步分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)情境進(jìn)行重編重組，突破復(fù)習(xí)難點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)類原創(chuàng)命題可以在光合與呼吸實(shí)驗(yàn)、遺傳學(xué)雜交實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物和植物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)、微生物培養(yǎng)過程研究等內(nèi)容方面選材。在測評(píng)手段方面可以從確認(rèn)變量和檢測指標(biāo)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)假設(shè)和實(shí)驗(yàn)預(yù)期、通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析和解釋原因等方面落實(shí)。筆者在復(fù)習(xí)課上重點(diǎn)對(duì)確認(rèn)變量和檢測指標(biāo)、設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與解釋三個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 確認(rèn)變量和檢測指標(biāo)

變量是實(shí)驗(yàn)過程中變化的因素，其中因?qū)嶒?yàn)者有目的的操作而改變的變量稱作自變量，隨自變量改變而改變的變量稱作因變量。除自變量外，其他影響因變量的實(shí)驗(yàn)條件稱作無關(guān)變量。實(shí)驗(yàn)探究類命題的解題策略中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是確認(rèn)變量。單一變量原則是指在盡可能控制無關(guān)變量的基礎(chǔ)上研究單一自變量對(duì)因變量的影響。

根據(jù)自變量的數(shù)量及關(guān)系，可將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為四類：一是單一自變量影響單一因變量，一般需要進(jìn)行自身前后對(duì)照。如小麥幼苗必需礦質(zhì)元素的鑒定、驗(yàn)證胰島素具有降低血糖濃度的作用等實(shí)驗(yàn)，都是以加入特定物質(zhì)前后癥狀表現(xiàn)的變化為觀測指標(biāo)，形成前后對(duì)照。而教材中的“探究α-淀粉酶溶液促進(jìn)淀粉水解的最適溫度”“探究生長素促進(jìn)扦插枝條生根的最適濃度”等實(shí)驗(yàn)，則是設(shè)置若干溫度梯度或濃度梯度的平行實(shí)驗(yàn)，形成相互對(duì)照。二是兩個(gè)自變量相互獨(dú)立地對(duì)因變量產(chǎn)生影響或作用。如2017 年全國卷Ⅰ第3 題，為研究激素對(duì)葉片衰老的影響，將某植物離體葉片分組，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，研究一段時(shí)間內(nèi)葉片中葉綠素含量的變化趨勢（如圖2）。

分析時(shí)應(yīng)先明確四組實(shí)驗(yàn)的人為控制變量是所加物質(zhì)不同，是自變量；觀測指標(biāo)是葉綠素相對(duì)含量，可反映葉片衰老程度，是因變量。由圖2 知，用CTK 處理葉片比用蒸餾水處理的葉片（對(duì)照組）中葉綠素的相對(duì)含量下降得慢，說明細(xì)胞分裂素有延緩該植物離體葉片衰老的作用。ABA 處理組葉綠素相對(duì)含量比對(duì)照組下降得快，說明ABA 能加速離體葉片由綠變黃的過程。用CTK ＋ABA 處理比用CTK 處理的葉片中葉綠素的相對(duì)含量下降得快，說明CTK 對(duì)該植物離體葉片的作用可被ABA 削弱。三是一個(gè)自變量通過影響另一個(gè)自變量對(duì)因變量產(chǎn)生影響或作用，如教材實(shí)驗(yàn)“生物體維持pH 穩(wěn)定的機(jī)制”中，1 組蒸餾水為空白對(duì)照，2 組為生物材料，3 組為緩沖溶液，通過對(duì)1、2 組和1、3 組對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)生物體維持pH 穩(wěn)定的機(jī)制可能類似于酸堿緩沖物質(zhì)。四是多個(gè)自變量中只有一個(gè)自變量對(duì)因變量產(chǎn)生影響或作用，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證找出對(duì)因變量產(chǎn)生作用的自變量。如2017 年全國卷Ⅰ第29 題，請(qǐng)利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以確定一種新病毒的核酸類型。此題的解題關(guān)鍵就在于考生要判斷出該實(shí)驗(yàn)中對(duì)因變量產(chǎn)生作用的自變量是病毒的核酸類型，即是DNA 或RNA，其內(nèi)特有的堿基分別是T 或U。

分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分因變量和觀測指標(biāo)，觀測指標(biāo)是反映因變量的可直接觀測、易直接測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直接或間接反映因變量。如過氧化氫酶催化過氧化氫分解的實(shí)驗(yàn)中，因變量是反應(yīng)速率快慢，觀測指標(biāo)是單位時(shí)間逸出氣泡的多少，或衛(wèi)生香燃燒的劇烈程度。

2.2 設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)

在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，除因?qū)嶒?yàn)者有目的的操作而改變的實(shí)驗(yàn)條件外，其他變量均應(yīng)保持相同，并且每一組實(shí)驗(yàn)材料的數(shù)量都要相同、充足，以減少偶然因素造成的實(shí)驗(yàn)誤差，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)可復(fù)制性和說服力。

【例1】研究者連續(xù)3 個(gè)月對(duì)60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔進(jìn)行恐嚇實(shí)驗(yàn)，觀察獺兔在持續(xù)緊張、不安、恐懼等負(fù)面情緒下細(xì)胞大小等形態(tài)方面和代謝速率方面的變化，旨在研究癌癥的心理致病因素。請(qǐng)完成下列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并回答有關(guān)問題：

（1）_______________________________________________________。

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)組獺兔每次喂食前用棍棒、手電光、狼狗咬等多種方法恐嚇10 min，保證每天至少恐嚇3 次以上，然后喂食，記錄獺兔每天遭受恐嚇后的情緒、進(jìn)食及活動(dòng)狀態(tài)。

（3）對(duì)對(duì)照組獺兔______________________________________________________。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，猝死獺兔，進(jìn)行解剖和細(xì)胞形態(tài)學(xué)測定，獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)微小癌灶病例13 例，癌癥發(fā)病率為43.33%；對(duì)照組無癌變。對(duì)13 例微小癌灶定量分析了癌細(xì)胞和正常細(xì)胞ATP 相對(duì)量以及細(xì)胞核的長徑、橫徑、面積等。結(jié)果如表1：

據(jù)表1 可知，癌細(xì)胞與正常細(xì)胞相比，細(xì)胞________發(fā)生明顯改變，ATP 相對(duì)量減少很可能與負(fù)面情緒下毛細(xì)血管________________，造成組織缺氧有關(guān)，欲進(jìn)一步驗(yàn)證此觀點(diǎn)，可檢驗(yàn)分析血液中 ________________（填一種有機(jī)物）的濃度。

【答案】（1）將60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔隨機(jī)分為等量的兩組（采分點(diǎn)“60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔”“隨機(jī)均分”）（3）絕對(duì)避免恐嚇和緊張，正常喂食與實(shí)驗(yàn)組等量的相同飼料，其他飼養(yǎng)條件完全一致。（采分點(diǎn)“避免恐嚇”“其他飼養(yǎng)條件與實(shí)驗(yàn)組完全一致”，意思對(duì)即可）記錄獺兔每天的情緒、進(jìn)食及活動(dòng)狀態(tài)（4）形態(tài)[或“長徑、橫徑、面積（缺一不可）”或“大小”] 收縮 乳酸

【點(diǎn)評(píng)】分析實(shí)驗(yàn)的目的可知，其自變量是實(shí)驗(yàn)過程中是否給予恐嚇和緊張。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第一步是對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行分組，原則是隨機(jī)均分，本實(shí)驗(yàn)要將60 只1 歲健康已注射疫苗的雄性獺兔隨機(jī)分為等量的兩組。對(duì)比步驟（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)組的處理，根據(jù)單一變量原則，很容易確定第（3）步驟對(duì)對(duì)照組的處理：絕對(duì)避免恐嚇和緊張，正常喂食與實(shí)驗(yàn)組等量的相同飼料，其他飼養(yǎng)條件完全一致。該實(shí)驗(yàn)觀測指標(biāo)是負(fù)面情緒下細(xì)胞形態(tài)的改變，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果圍繞的是細(xì)胞形態(tài)的變化。

2.3 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與解釋

實(shí)驗(yàn)探究中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與解釋是科學(xué)思維素養(yǎng)的外顯，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何提出、支持、評(píng)價(jià)以及修正觀點(diǎn)，運(yùn)用證據(jù)論證自己的觀點(diǎn)，為研究問題做出合理的解釋。很多時(shí)候原創(chuàng)題還要考慮通過數(shù)據(jù)處理、歸因分析等對(duì)學(xué)生的科學(xué)表達(dá)能力進(jìn)行考查，以及進(jìn)行社會(huì)責(zé)任的德育滲透。

【例2】白血病和胃腸間質(zhì)瘤的發(fā)生與9 號(hào)染色體上的原癌基因ABL 易位至22 號(hào)染色體、與BCR 基因嵌合有關(guān)，其表達(dá)產(chǎn)物具有酪氨酸激酶活性，影響正常的細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡?！案窳行l(wèi)”是一種BCR-ABL 酪氨酸激酶抑制劑。研究發(fā)現(xiàn)，晚期胃腸間質(zhì)瘤患者不使用“格列衛(wèi)”時(shí)的生存期平均為19 個(gè)月，使用“格列衛(wèi)”的用藥時(shí)間長短與病情緩解或無加重時(shí)間的關(guān)系如表2：

表2

（1）該研究數(shù)據(jù)表明，晚期胃腸間質(zhì)瘤患者連續(xù)使用“格列衛(wèi)”的用藥時(shí)間與病情緩解或無加重生存時(shí)間的關(guān)系是___________________________。

（2）該研究數(shù)據(jù)表明，BCR-ABL 酪氨酸激酶的作用可能有______________________（填“維持正常的細(xì)胞增殖、使細(xì)胞失去對(duì)正常增殖的調(diào)控、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、抑制細(xì)胞凋亡、抑制DNA 的合成”中的兩個(gè)）。

【答案】（1）在一定范圍內(nèi)，隨著用藥時(shí)間的增長，病情緩解或無加重生存時(shí)間延長（2）使細(xì)胞失去對(duì)正常增殖的調(diào)控、抑制細(xì)胞凋亡

【點(diǎn)評(píng)】本題考查癌細(xì)胞的主要特征及防治，考查實(shí)驗(yàn)探究能力。關(guān)注癌癥發(fā)生的原因有助于樹立健康生活方式的意識(shí)，關(guān)注癌癥新特藥可以激發(fā)學(xué)生立志祖國科研發(fā)展，滿足人民需求的決心。由表2 中數(shù)據(jù)可知，在一定范圍內(nèi)，隨著連續(xù)用藥時(shí)間的增長，病情緩解或無加重生存時(shí)間延長，但是癌癥藥物大多昂貴，長期使用會(huì)造成家庭沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。分析題干可知，酪氨酸激酶影響正常的細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致白血病和胃腸間質(zhì)瘤的發(fā)生，對(duì)BCR-ABL 酪氨酸激酶的作用分析有助于檢測考生的理解能力和語言表達(dá)能力。

3.利用原創(chuàng)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)，關(guān)鍵在于對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的整理、歸納和升華

教師在平時(shí)的習(xí)題教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)情境的分析，原創(chuàng)題和改編題的選擇可以從識(shí)別實(shí)驗(yàn)變量、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推理并得出結(jié)論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、作出實(shí)驗(yàn)預(yù)期、解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果等入手，要求學(xué)生通過文字描述、流程圖等多種形式展示自己的思路或觀點(diǎn)，以反映出運(yùn)用生物學(xué)概念或原理解決問題的過程。

【例3】果蠅的灰身與黃身是一對(duì)相對(duì)性狀，分別由基因A、a 控制，黃色基因能破壞其黑色素的形成使身體更黃；長翅和短翅分別由位于Ⅱ號(hào)染色體上的一對(duì)等位基因B、b 控制；灰體與黑檀體分別由位于Ⅲ號(hào)染色體上的一對(duì)等位基因E、e 控制，黑檀體基因可使黑色素積累而全身發(fā)黑。黃身時(shí)黑檀體表現(xiàn)為灰體。

（1）現(xiàn)有四種純合的果蠅：長翅灰身雄果蠅、短翅黃身雄果蠅、短翅黃身雌果蠅和長翅灰身雌果蠅，請(qǐng)以上述果蠅做親本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，不用正反交實(shí)驗(yàn)來探索黃身基因的遺傳方式。

（2）現(xiàn)有純種短翅灰身灰體雌果蠅與純種長翅灰身黑檀體雄果蠅雜交，F(xiàn)1個(gè)體隨機(jī)交配，F(xiàn)2中若出現(xiàn)表現(xiàn)型及其分離比為_______，說明E 和B 為非同源染色體上的非等位基因。

（3）現(xiàn)已確認(rèn)灰身與黃身由僅位于X 染色體上的一對(duì)等位基因控制，用純種短翅灰身黑檀體雌果蠅與純種長翅黃身灰體雄果蠅雜交，F(xiàn)1中的雄果蠅與BbEeXaXa（長翅黃身灰體雌果蠅）個(gè)體相互交配，F(xiàn)2中雄果蠅的表現(xiàn)型及其分離比為______________。

【答案】（1）若用純合的長翅灰身雄果蠅、短翅黃身雌果蠅雜交，后代長翅黃身都是雄蠅，長翅灰身都表現(xiàn)為雌性，說明黃身基因?yàn)閄 染色體上的隱性基因；若用純合的長翅灰身雄果蠅、短翅黃身雌果蠅雜交，后代果蠅無論雌雄全部為長翅灰身，說明黃身基因?yàn)槌Ｈ旧w上的隱性基因（2）長翅灰身灰體∶短翅灰身灰體∶長翅灰身黑檀體∶短翅灰身黑檀體=9∶3∶3∶1（3）長翅黃身灰體∶短翅黃身灰體=3∶1

【點(diǎn)評(píng)】在本題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中正確假設(shè)是關(guān)鍵的一步，假設(shè)是依據(jù)已有科學(xué)知識(shí)和事實(shí)，運(yùn)用思維、想象，對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)行有規(guī)律的推測或嘗試性理解。由于題干已說明顯隱性關(guān)系，此題判斷遺傳方式實(shí)際上是判斷基因的位置。若黃身基因位于X 染色體上，其遺傳肯定與性別有關(guān)，用隱性純合雌果蠅與顯性雄果蠅雜交，子代中所有雌果蠅都表現(xiàn)為顯性，所有雄果蠅都表現(xiàn)為隱性；若黃身基因位于常染色體上，其遺傳與性別無關(guān)。第（2）（3）小題考查的是論據(jù)與結(jié)論的統(tǒng)一。因黃身時(shí)黑檀體表現(xiàn)為灰體，子代都是黃身灰體，所以只需考慮長翅和短翅的分離比3∶1 即可。

教師在高三一輪復(fù)習(xí)中，利用高考真題和原創(chuàng)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)，思考和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步加深對(duì)科學(xué)探究的認(rèn)識(shí)，達(dá)到從學(xué)科核心素養(yǎng)的角度全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的目的。