實驗設計題解題模型的構建與應用

楊玲珍

(云南省云南師范大學附屬怒江州民族中學)

實驗設計思路題綜合考查學生理解能力、獲取信息能力、綜合運用能力、實驗與探究能力和語言表達能力。但學生對此類題型往往不知從何下手,在解決此類題型時,教師若能建立解題模型,為學生搭建腳手架,將有助于學生突破此類試題的解答。下面筆者以2023年高考生物全國乙卷29題的第(3)小題為例,分析解題思路并構建實驗設計思路題的解題模型。

1.構建解題模型

1.1 典型例題

(2023年,全國甲卷,29題節選)某同學將從菠菜葉中分離到的葉綠體懸浮于緩沖液中,給該葉綠體懸浮液照光后有糖產生?；卮鹣铝袉栴}。

(3)葉片進行光合作用時,葉綠體中會產生淀粉。請設計實驗證明葉綠體中有淀粉存在,簡要寫出實驗思路和預期結果。

【參考答案】(3)思路:分離葉綠體,用碘液進行顯色反應。結果:反應結果顯藍色。

1.2 解題模型構建過程

1.2.1 依據題目確定實驗目的

實驗目的有“驗證性實驗”和“探究性實驗”兩類。驗證性實驗預期結果和結論只有一種。探究性實驗結果和結論有多種。本題的實驗目的是證明葉片在進行光合作用時,葉綠體中有淀粉的存在。

1.2.2 依據實驗目的確定自變量、因變量和無關變量

一般情況下,要根據實驗目的確定實驗的自變量無關變量和因變量,本題情況特殊,自變量、因變量和無關變量一目了然。

1.2.3 依據實驗設計原則書寫實驗思路

生物學科實驗設計主要遵循的原則有對照或對比原則、單一變量原則和等量原則等。

本題實驗設計很巧妙:處理的是葉片,但待驗證的是葉綠體中有淀粉的存在,需要用到(1)題和(2)題涉及的分離細胞器的科學方法(差速離心法)得到葉綠體,最后通過碘液檢測淀粉。

為了能提升不同層次學生的快速答題能力和語言組織能力,在書寫解題思路時,教師引導學生用“三步法”書寫實驗思路。即第一步“取材、分組并編號”,第二步“設置對照組和實驗組或多個實驗組”,第三步“在無關變量相同且適宜的條件下,觀察因變量”來組織語言。

1.2.4 利用假說—演繹法預期實驗結果和結論

驗證性實驗的預期結論只有一種,本題的假設只有“葉片進行光合作用時,葉綠體中有淀粉存在”一種,根據假設進行演繹推理得出預期實驗結果和結論也應只有一種。

2.變式訓練 運用解題模型

為了防止學生對解題模型的“死記硬背”和“機械套用”,需要設計變式題進行變式訓練,培養學生通過模型來解決實際問題,實現從“解題”向“解決問題”轉變。

【變式1】(2019·全國Ⅰ卷·29題節選)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。

(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。

【參考答案】實驗思路: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:干旱處理前后氣孔開度不變。

實驗思路:將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株隨機均等分成甲乙兩組,在干旱條件下,甲組進行ABA處理,乙組作為對照組,放在其他相同且適宜的條件下培養一段時間后,分別測定兩組的氣孔開度。預期結果:甲組氣孔開度減小,乙組氣孔開度不變。

【解題思路】

(1)確定實驗目的：根據題意可知,實驗目的為驗證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。故實驗應分為兩部分:①證明干旱條件下植物氣孔開度變化不是由缺水引起的;②證明干旱條件下植物氣孔開度減小是由ABA引起的。

(2)確定自變量、因變量和無關變量：實驗的自變量應分別為①正常條件和缺水環境,②植物體中ABA的有無,因變量均為氣孔開度變化,而無關變量則是實驗材料ABA缺失突變體植株培養條件等。

(3)利用“三步法”書寫實驗設計思路：由于本題的自變量是正常條件和缺水環境以及植物體中ABA的有無,所以寫實驗思路時要分別寫。

(4)利用假說—演繹法預期實驗結果和結論：本題實驗為驗證性實驗,其預期結論只有一種。

【設計意圖】此變式題的實驗目的是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,學生的易錯點是容易忽略“干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的”這個隱含實驗目的的驗證,只設計干旱條件下氣孔開度減小是由ABA引起的。設計本變式題的意圖是引導學生通過上述實驗思路模型解決“因變量的變化不是A引起的,而是由B引起的”的實驗思路題。此類題突破口是A和B都是自變量。

【變式2】(2021·山東卷·23題節選)過度緊張、焦慮等刺激不僅會導致毛囊細胞數量減少引起脫發,也會導致黑色素細胞減少引起頭發變白。利用黑色小鼠進行研究得出的相關調節機制如圖所示。

(3)已知長期束縛會引起小鼠過度緊張、焦慮。請設計實驗驗證上述調節機制中長期束縛及腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響。

實驗思路:_______________。

實驗現象:_______________。

【參考答案】實驗思路:取生理狀況相同的黑色小鼠若干只隨機平均分為A、B、C、D四組,A組不處理,B組切除腎上腺,C組束縛,D組切除腎上腺并束縛,放在其他相同且適宜的條件下飼養一段時間后,觀察并記錄小鼠體毛數量(生長情況)和顏色的變化

實驗現象:A組小鼠的體毛無變化,B組小鼠的體毛增多,不變白,C組小鼠脫毛且變白,D組小鼠毛發增多(生長旺盛),變白

【解題思路】

(1)確定實驗目的：本題的實驗目的是驗證上述調節機制中長期束縛及腎上腺對毛小鼠體毛的影響。由圖可知上述調節機制是指過度緊張和焦慮會導致黑色素細胞減少,引起體毛變白和導致毛囊細胞數量減少,引起脫發。

(2)確定自變量、因變量和無關變量：本題的自變量是腎上腺及長期束縛,黑毛小鼠的生理狀況等為無關變量,因變量是黑色小鼠的體毛顏色變化以及數量變化。

(3)利用“三步法”書寫實驗設計思路：本題的自變量是腎上腺及長期束縛,所以需要設置只切除腎上腺、只束縛和切除腎上腺并束縛三個實驗組和不做處理的對照組。

(4)利用假說—演繹法預期實驗結果和結論：本實驗也是驗證性實驗,預期觀察到的實驗現象只有一種。

【設計意圖】此變式題的實驗目的是驗證長期束縛及腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響。學生的易錯點會出現兩種情況:不設置“不做處理”的對照組;忽略“腎上腺及長期束縛”這兩個自變量共同對因變量起影響的實驗組。設計本變式題的意圖是引導學生能通過上述實驗思路模型解決“自變量A與B之間的關系對因變量的影響”這類實驗思路題。

【變式3】(廣東梅州?？脊澾x)油菜素內酯是一種新型植物內源激素,主要分布在植物伸長生長旺盛的部位。由于其生理活性大大超過現有的五種激素,已被國際上譽為第六激素。表是不同濃度的油菜素內酯溶液對芹菜幼苗生長影響的實驗結果。請回答相關問題:

油菜素內酯濃度(mg/L)00.100.200.300.400.50平均株高(cm)162038514224

(3)若利用本實驗數據進一步測定油菜素內酯對芹菜生長作用的最適濃度,請簡述實驗設計思路和預期結果。

【參考答案】實驗思路:在濃度0.2～0.4 mg/L 之間配制一系列濃度梯度的油菜素內酯溶液,分別處理生長狀況相同的芹菜幼苗,放在相同且適宜的條件下培養一段時間后,測量并計算每組芹菜幼苗的平均株高。

預期結果:芹菜幼苗平均株高最高對應的油菜素內酯的濃度為促進芹菜生長的最適濃度。

【解題思路】

(1)確定實驗目的：本實驗為探究類實驗,實驗目的是測定油菜素內酯對芹菜生長作用的最適濃度。

(2)確定自變量、因變量和無關變量：根據實驗目的可知本實驗的自變量是油菜素內酯的濃度,無關變量為芹菜幼苗的生長狀況等,因變量是芹菜幼苗的平均株高。

(3)利用控制變量的科學方法設計實驗思路：從表格數據可以看出油菜素內酯對芹菜生長作用的適宜濃度范圍是0.2～0.4 mg/L,故要進一步測定油菜素內酯對芹菜生長作用的最適濃度,可以在濃度0.2～0.4 mg/L之間配制一系列濃度梯度的油菜素內酯溶液進行探究。

(4)預期實驗結果：本實驗的結果為定性結果,作答時注意表述。

【設計意圖】本變式題的實驗目的是測定油菜素內酯對芹菜生長作用的最適濃度。此變式題的易錯點是學生不能厘清“測定油菜素內酯對芹菜生長作用的最適濃度”與“不同濃度的油菜素內酯對芹菜幼苗生長作用的影響”的區別,誤把實驗思路設置成“探究不同濃度的油菜素內酯對芹菜生長作用的影響”。這兩種實驗的區別是設置一系列濃度梯度的油菜素內酯溶液,也就是對自變量的處理不同。設計本變式題的意圖是引導學生利用上述實驗思路模型來解決“測定影響因變量的最適濃度(最適溫度、最適pH)”的實驗思路題。