巧用真题和原创题优化实验教学的策略

河北 王力强

生物学是一门实验科学，生物实验中蕴含着丰富的科学探究和科学思维的“原材料”，它既是生物学课堂教学的重点，也是高考的考查热点。实验专题的一轮复习，应该着力培养学生的实验设计能力以及对实验结果进行分析和解释的能力。为了让实验教学真正实现“落地生根”，笔者在复习课中尝试使用“析—变—升”的教学思路。“析”是对高考实验考点的统计、分析和规划；“变”是针对高考真题的导向，利用原创题和改编题对实验设计情境进行重新编排、重组和改进；“升”是对实验知识的整理、归纳和升华。这一思路的主要创新点在于对实验教学的“变”，即引导学生通过实验操作或者设计实验，对实验情境进行创设，从而提升科学思维和科学探究的素养。

1.统计和分析历年高考真题对实验探究能力测评手段的变化，把握复习方向

从2007 年宁夏启用全国卷开始，高考真题逐渐用考查实验思路代替考查实验步骤，用考查对实验结果的分析和解释代替考查实验目的与原理，逐步减少对实验步骤具体细节的考查，并通过考查实验思路设计与分析来体现学生科学思维的发展水平。笔者通过对2011—2019 年全国卷Ⅰ科学实验类试题常用的三种测评手段的统计和分析，可以看出考查实验探究能力的方法主要集中在对实验结果的分析和解释、设计实验思路两种测评手段上（如图1）。

图1 科学实验类试题不同测评手段在2011 — 2019 年全国卷Ⅰ中的分值

结合对2019 年全国卷Ⅰ的分析，笔者发现高考真题具有两大特点：一是对主干知识的考查集中在重要生物学过程上。如2019 年全国卷Ⅰ第2 题，主要考查学生对翻译过程的理解，题目创设了体外合成同位素标记多肽链的情境，要求学生选择该过程所需的材料，做题时需综合考虑蛋白质生物合成所需的原料、tRNA 和酶等条件。二是重视对实验设计和实验结果的分析、解释的考查。解答此类试题时考生需要从多重实验目的中剥离出实验变量进行分析，根据给定的实验材料，运用实验设计方法完成实验探究。如2019 年全国卷Ⅰ第29 题第（3）问，主要考查学生对植物生命活动调节过程的理解，题目创设了探索干旱条件下气孔开度减小的情境，要求学生结合归因、推理和论证进行思考，以该种植物的ABA 缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计一个实验组进行自身前后对照，或分别设计实验组和对照组进行平行实验。

2.根据科学实验的一般思路分步分析，对实验设计情境进行重编重组，突破复习难点

实验思路设计类原创命题可以在光合与呼吸实验、遗传学杂交实验、动物和植物生命活动的调节实验、微生物培养过程研究等内容方面选材。在测评手段方面可以从确认变量和检测指标、进行实验假设和实验预期、通过实验现象分析和解释原因等方面落实。笔者在复习课上重点对确认变量和检测指标、设置对照实验、对实验结果的分析与解释三个方面进行分析。

2.1 确认变量和检测指标

变量是实验过程中变化的因素，其中因实验者有目的的操作而改变的变量称作自变量，随自变量改变而改变的变量称作因变量。除自变量外，其他影响因变量的实验条件称作无关变量。实验探究类命题的解题策略中最关键的环节就是确认变量。单一变量原则是指在尽可能控制无关变量的基础上研究单一自变量对因变量的影响。

根据自变量的数量及关系，可将实验设计分为四类：一是单一自变量影响单一因变量，一般需要进行自身前后对照。如小麦幼苗必需矿质元素的鉴定、验证胰岛素具有降低血糖浓度的作用等实验，都是以加入特定物质前后症状表现的变化为观测指标，形成前后对照。而教材中的“探究α-淀粉酶溶液促进淀粉水解的最适温度”“探究生长素促进扦插枝条生根的最适浓度”等实验，则是设置若干温度梯度或浓度梯度的平行实验，形成相互对照。二是两个自变量相互独立地对因变量产生影响或作用。如2017 年全国卷Ⅰ第3 题，为研究激素对叶片衰老的影响，将某植物离体叶片分组，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，研究一段时间内叶片中叶绿素含量的变化趋势（如图2）。

分析时应先明确四组实验的人为控制变量是所加物质不同，是自变量；观测指标是叶绿素相对含量，可反映叶片衰老程度，是因变量。由图2 知，用CTK 处理叶片比用蒸馏水处理的叶片（对照组）中叶绿素的相对含量下降得慢，说明细胞分裂素有延缓该植物离体叶片衰老的作用。ABA 处理组叶绿素相对含量比对照组下降得快，说明ABA 能加速离体叶片由绿变黄的过程。用CTK ＋ABA 处理比用CTK 处理的叶片中叶绿素的相对含量下降得快，说明CTK 对该植物离体叶片的作用可被ABA 削弱。三是一个自变量通过影响另一个自变量对因变量产生影响或作用，如教材实验“生物体维持pH 稳定的机制”中，1 组蒸馏水为空白对照，2 组为生物材料，3 组为缓冲溶液，通过对1、2 组和1、3 组对比，可以发现生物体维持pH 稳定的机制可能类似于酸碱缓冲物质。四是多个自变量中只有一个自变量对因变量产生影响或作用，需要根据实验相互验证找出对因变量产生作用的自变量。如2017 年全国卷Ⅰ第29 题，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的核酸类型。此题的解题关键就在于考生要判断出该实验中对因变量产生作用的自变量是病毒的核酸类型，即是DNA 或RNA，其内特有的碱基分别是T 或U。

分析实验时，教师要注意引导学生区分因变量和观测指标，观测指标是反映因变量的可直接观测、易直接测量的实验结果，直接或间接反映因变量。如过氧化氢酶催化过氧化氢分解的实验中，因变量是反应速率快慢，观测指标是单位时间逸出气泡的多少，或卫生香燃烧的剧烈程度。

2.2 设置对照实验

在对照实验中，除因实验者有目的的操作而改变的实验条件外，其他变量均应保持相同，并且每一组实验材料的数量都要相同、充足，以减少偶然因素造成的实验误差，增强实验可复制性和说服力。

【例1】研究者连续3 个月对60 只1 岁健康已注射疫苗的雄性獭兔进行恐吓实验，观察獭兔在持续紧张、不安、恐惧等负面情绪下细胞大小等形态方面和代谢速率方面的变化，旨在研究癌症的心理致病因素。请完成下列实验设计，并回答有关问题：

（1）_______________________________________________________。

（2）对实验组獭兔每次喂食前用棍棒、手电光、狼狗咬等多种方法恐吓10 min，保证每天至少恐吓3 次以上，然后喂食，记录獭兔每天遭受恐吓后的情绪、进食及活动状态。

（3）对对照组獭兔______________________________________________________。

（4）实验结束，猝死獭兔，进行解剖和细胞形态学测定，获取数据并进行分析。实验组发现微小癌灶病例13 例，癌症发病率为43.33%；对照组无癌变。对13 例微小癌灶定量分析了癌细胞和正常细胞ATP 相对量以及细胞核的长径、横径、面积等。结果如表1：

据表1 可知，癌细胞与正常细胞相比，细胞________发生明显改变，ATP 相对量减少很可能与负面情绪下毛细血管________________，造成组织缺氧有关，欲进一步验证此观点，可检验分析血液中 ________________（填一种有机物）的浓度。

【答案】（1）将60 只1 岁健康已注射疫苗的雄性獭兔随机分为等量的两组（采分点“60 只1 岁健康已注射疫苗的雄性獭兔”“随机均分”）（3）绝对避免恐吓和紧张，正常喂食与实验组等量的相同饲料，其他饲养条件完全一致。（采分点“避免恐吓”“其他饲养条件与实验组完全一致”，意思对即可）记录獭兔每天的情绪、进食及活动状态（4）形态[或“长径、横径、面积（缺一不可）”或“大小”] 收缩 乳酸

【点评】分析实验的目的可知，其自变量是实验过程中是否给予恐吓和紧张。实验设计第一步是对实验材料进行分组，原则是随机均分，本实验要将60 只1 岁健康已注射疫苗的雄性獭兔随机分为等量的两组。对比步骤（2）对实验组的处理，根据单一变量原则，很容易确定第（3）步骤对对照组的处理：绝对避免恐吓和紧张，正常喂食与实验组等量的相同饲料，其他饲养条件完全一致。该实验观测指标是负面情绪下细胞形态的改变，所以实验结果围绕的是细胞形态的变化。

2.3 对实验结果的分析与解释

实验探究中对实验结果的分析与解释是科学思维素养的外显，可以让学生学会如何提出、支持、评价以及修正观点，运用证据论证自己的观点，为研究问题做出合理的解释。很多时候原创题还要考虑通过数据处理、归因分析等对学生的科学表达能力进行考查，以及进行社会责任的德育渗透。

【例2】白血病和胃肠间质瘤的发生与9 号染色体上的原癌基因ABL 易位至22 号染色体、与BCR 基因嵌合有关，其表达产物具有酪氨酸激酶活性，影响正常的细胞增殖和细胞凋亡。“格列卫”是一种BCR-ABL 酪氨酸激酶抑制剂。研究发现，晚期胃肠间质瘤患者不使用“格列卫”时的生存期平均为19 个月，使用“格列卫”的用药时间长短与病情缓解或无加重时间的关系如表2：

表2

（1）该研究数据表明，晚期胃肠间质瘤患者连续使用“格列卫”的用药时间与病情缓解或无加重生存时间的关系是___________________________。

（2）该研究数据表明，BCR-ABL 酪氨酸激酶的作用可能有______________________（填“维持正常的细胞增殖、使细胞失去对正常增殖的调控、诱导细胞凋亡、抑制细胞凋亡、抑制DNA 的合成”中的两个）。

【答案】（1）在一定范围内，随着用药时间的增长，病情缓解或无加重生存时间延长（2）使细胞失去对正常增殖的调控、抑制细胞凋亡

【点评】本题考查癌细胞的主要特征及防治，考查实验探究能力。关注癌症发生的原因有助于树立健康生活方式的意识，关注癌症新特药可以激发学生立志祖国科研发展，满足人民需求的决心。由表2 中数据可知，在一定范围内，随着连续用药时间的增长，病情缓解或无加重生存时间延长，但是癌症药物大多昂贵，长期使用会造成家庭沉重的经济负担。分析题干可知，酪氨酸激酶影响正常的细胞增殖和细胞凋亡，导致白血病和胃肠间质瘤的发生，对BCR-ABL 酪氨酸激酶的作用分析有助于检测考生的理解能力和语言表达能力。

3.利用原创题进行实验设计教学，关键在于对实验知识的整理、归纳和升华

教师在平时的习题教学中应加强对实验情境的分析，原创题和改编题的选择可以从识别实验变量、根据实验结果进行推理并得出结论、设计实验方案、作出实验预期、解释实验结果等入手，要求学生通过文字描述、流程图等多种形式展示自己的思路或观点，以反映出运用生物学概念或原理解决问题的过程。

【例3】果蝇的灰身与黄身是一对相对性状，分别由基因A、a 控制，黄色基因能破坏其黑色素的形成使身体更黄；长翅和短翅分别由位于Ⅱ号染色体上的一对等位基因B、b 控制；灰体与黑檀体分别由位于Ⅲ号染色体上的一对等位基因E、e 控制，黑檀体基因可使黑色素积累而全身发黑。黄身时黑檀体表现为灰体。

（1）现有四种纯合的果蝇：长翅灰身雄果蝇、短翅黄身雄果蝇、短翅黄身雌果蝇和长翅灰身雌果蝇，请以上述果蝇做亲本设计实验，不用正反交实验来探索黄身基因的遗传方式。

（2）现有纯种短翅灰身灰体雌果蝇与纯种长翅灰身黑檀体雄果蝇杂交，F1个体随机交配，F2中若出现表现型及其分离比为_______，说明E 和B 为非同源染色体上的非等位基因。

（3）现已确认灰身与黄身由仅位于X 染色体上的一对等位基因控制，用纯种短翅灰身黑檀体雌果蝇与纯种长翅黄身灰体雄果蝇杂交，F1中的雄果蝇与BbEeXaXa（长翅黄身灰体雌果蝇）个体相互交配，F2中雄果蝇的表现型及其分离比为______________。

【答案】（1）若用纯合的长翅灰身雄果蝇、短翅黄身雌果蝇杂交，后代长翅黄身都是雄蝇，长翅灰身都表现为雌性，说明黄身基因为X 染色体上的隐性基因；若用纯合的长翅灰身雄果蝇、短翅黄身雌果蝇杂交，后代果蝇无论雌雄全部为长翅灰身，说明黄身基因为常染色体上的隐性基因（2）长翅灰身灰体∶短翅灰身灰体∶长翅灰身黑檀体∶短翅灰身黑檀体=9∶3∶3∶1（3）长翅黄身灰体∶短翅黄身灰体=3∶1

【点评】在本题实验设计中正确假设是关键的一步，假设是依据已有科学知识和事实，运用思维、想象，对未知领域进行有规律的推测或尝试性理解。由于题干已说明显隐性关系，此题判断遗传方式实际上是判断基因的位置。若黄身基因位于X 染色体上，其遗传肯定与性别有关，用隐性纯合雌果蝇与显性雄果蝇杂交，子代中所有雌果蝇都表现为显性，所有雄果蝇都表现为隐性；若黄身基因位于常染色体上，其遗传与性别无关。第（2）（3）小题考查的是论据与结论的统一。因黄身时黑檀体表现为灰体，子代都是黄身灰体，所以只需考虑长翅和短翅的分离比3∶1 即可。

教师在高三一轮复习中，利用高考真题和原创题进行实验设计教学，思考和评价实验设计的环节，可进一步加深对科学探究的认识，达到从学科核心素养的角度全面提高实验教学效率的目的。