学科核心素养下高中生物学实验类试题解题策略例谈

云南 余春权

(作者单位：云南省曲靖市罗平县第一中学)

2021年高考全国甲卷生物学部分以考查基础知识为主，未涉及较偏的知识点，在此基础上，以实验探究能力、综合运用能力、逻辑思维能力为主要考查方向，真正体现了高中生物学核心理论体系的“一核、四层、四翼”。试卷的主要特点是“回归教材” “情境化试题比例提升” “有着历年高考题的影子”，最令考生印象深刻的是非选择题第30题，该试题以科技研究的热点问题为情境载体，考查学生的实验探究能力，该题使学科核心素养的选拔功能得到了最大化的体现，因此归纳、总结实验类试题的解题策略意义重大。

一、原题分析

【例1】(2021年，全国甲卷，第30题)用一段由放射性同位素标记的DNA片段可以确定基因在染色体上的位置。某研究人员使用放射性同位素32P标记的脱氧腺苷三磷酸(dATP，dA-Pα～Pβ～Pγ)等材料制备了DNA片段甲(单链)，对W基因在染色体上的位置进行了研究，实验流程的示意图如图1所示。

图1

回答下列问题：

(1)该研究人员在制备32P标记的DNA片段甲时，所用dATP的α位磷酸基团中的磷必须是32P，原因是________。

(2)该研究人员以细胞为材料制备了染色体样品，在混合操作之前去除了样品中的RNA分子，去除RNA分子的目的是________。

(3)为了使片段甲能够通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合，需要通过某种处理使样品中的染色体DNA________。

(4)该研究人员在完成上述实验的基础上，又对动物细胞内某基因的mRNA进行了检测，在实验过程中用某种酶去除了样品中的DNA，这种酶是________。

【试题详解】

根据题意，通过有32P标记的DNA分子与被测样本中的W基因进行碱基互补配对，形成杂交带，可以推测出W基因在染色体上的位置。

(1)该实验的目的是利用放射性同位素标记的DNA片段来确定基因在染色体上的位置，故要制备有32P标记的DNA片段甲，就要使α位的P为32P，而dATP去掉β位和γ位的P，剩余部分(即α位P)可作为合成DNA的原料，用以合成有32P标记的DNA片段甲。

(2)当样品中的RNA和DNA共存时，可能会出现DNA与RNA发生互补结合的状况，故在混合操作之前要去除样品中的RNA分子，以避免DNA片段甲与RNA发生互补结合。

(3)DNA分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘旋成的双螺旋结构，结构稳定，要使片段甲通过碱基互补配对与染色体样品中的W基因结合，就要将双链解开，使其形成单链。

(4)该种酶能够去除样品中的DNA，故其为DNA水解酶。

【试题性质】

为了检测例1的难度，笔者选择5 000名高二升高三的学生作为实验对象，受试学生涵盖了不同层次的学生，受试前学生都没有接触过试题、答案及有关试题的其他信息，5 000名被测试者的检测结果如表1所示。

表1

本题总分9分，5 000名被测试者的检测结果表明：①本题对学生成绩离散程度较低，优、良、中、差学生区分明显，试卷难度较大，大部分学生对实验类试题解题所需的知识储备不完整、缺乏归纳解题的方法、解题的技巧有待提升、解题的策略需要归纳总结；②高考生物学实验类试题注重考查学生的关键能力和学科核心素养，注重考查学生运用所学知识分析、解决具体问题的能力；③试题强调考查知识之间的内在联系，注重理论联系实际，试题涉及不同模块内考点的纵向联系；④能力方面着重考查学生获取信息的能力、分析问题的能力、逻辑推理能力、实验与探究能力、综合运用能力和语言表达能力，注重考查生命观念、科学探究、科学思维等学科核心素养。

二、学科核心素养下实验类试题解题策略

(一)实验目的类

实验目的是高考实验类试题中常见的考查形式，实验目的是实验的有机组成成分，是实验实施的目标和指南，也是解决实验类问题的先决条件。一部分试题会在试题的真实情境中直接给出实验目的；一部分试题则会直接考查实验目的。笔者通过对大量考查实验目的类试题的分析、归纳、总结，得出实验目的类试题解题的表达模型：验证(探究)+自变量+对象+因变量+作用(影响)。

【例2】喜温植物幼苗在低温(10 ℃)锻炼6天后，接着进行冷胁迫(2 ℃)12 h，其细胞内超氧化物歧化酶(SOD，该酶能减缓植株的衰老)活性的动态变化如图2所示。回答下列问题：

图2

本实验的目的是________。

【参考答案】探究低温锻炼是否能提高植物的抗寒能力

【解题策略】据图2可知，该实验是探究性实验，自变量是“是否接受低温锻炼处理”，实验对象是“喜温植物”，因变量是“细胞内超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化”。结果显示，未锻炼的植物在冷胁迫前后酶的活性下降程度明显高于经过锻炼的植株；无论胁迫前还是胁迫后，锻炼后的SOD活性都明显上升，根据实验目的的表达模型得出该实验的目的为“探究低温锻炼是否能提高植物的抗寒能力”。

(二)实验原理类

实验原理是实验设计的依据和思路。高考中的实验原理类试题主要有两类：一是检测类试题，该类试题的实验原理一般是教材上的相关理论知识，学生应该用有关的生物学原理分析该实验考的是教材中哪一模块的知识，抽离出该部分的知识点作为实验原理的“核心”；二是提供一个已完成的实验，根据实验的过程和步骤等填写实验原理，该类实验原理的表达模型：生物学原理+自变量(设置处理)和因变量(检测指标)之间的关系。

【例3】某同学有喝牛奶的习惯，在学习了细胞的化合物知识后，他想知道牛奶中有无还原糖和蛋白质。下面是其未设计完的实验，请帮助他完成实验设计。

实验目的：探究某品牌牛奶中有无还原糖和蛋白质。

实验原理：________。

材料用具：略。

【参考答案】还原糖与斐林试剂反应呈砖红色，牛奶中若含有还原糖，则会出现砖红色；蛋白质与双缩脲试剂反应呈紫色，牛奶中若含有蛋白质，则会出现紫色

【解题策略】基于题目情境可知，试题涉及的生物学原理是还原糖和斐林试剂在水浴加热的条件下反应生产砖红色沉淀，蛋白质和双缩脲试剂反应产生紫色络合物。自变量为“是否加斐林试剂或是否加双缩脲试剂”，因变量为“是否发生反应”，检测指标为“是否出现砖红色沉淀或紫色络合物”，分析后利用关键词和实验原理表达模型即可将该实验的原理表述出来。

(三)实验思路类

实验思路是学生学科核心素养中科学探究的具体呈现形式，同时也是对学生理解能力、分析能力、信息提取与处理能力、语言表达能力等方面的综合考查。实验思路类试题是近几年高考的必考题型，该类试题难度较大，学生掌握起来难度也较大，该类试题的解题表达模型：材料的选择及处理+分组编号+设置对照(变量处理)+培养和观察(检测)。学生在表达时，应使用学科专业术语进行准确、完整的表述，要考虑实验材料选择什么、实验材料是否需要处理，特别要考虑怎样表述才能使对照实验遵循单一变量原则，如实验组和对照组所用的试剂的量要表述出“相同”“适量”“等量”，培养条件要求是“在相同且适宜条件下培养一段时间”，处理的时间或次数要表述出“相同且适宜”，观察(检测)的指标应明确表述等。

【例4】(2021年，全国乙卷，第29题节选)生活在干旱地区的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。这类植物晚上气孔打开吸收CO2，吸收的CO2通过生成苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，液泡中储存的苹果酸脱羧释放的CO2可用于光合作用。回答下列问题：

(3)若以pH作为检测指标，请设计实验来验证植物甲在干旱环境中存在这种特殊的CO2固定方式。(简要写出实验思路和预期结果)

【解题策略】(3)该实验的实验材料是植物甲且不需要预先处理，该实验的自变量是“植物甲所处的生存环境是否干旱”，由于夜间气孔打开吸收CO2，生成苹果酸储存在液泡中，导致液泡pH降低，故可通过检测液泡的pH验证植物甲存在该特殊方式，即因变量(检测指标)是“液泡中的pH”。实验只有一个自变量，故可将实验分为A、B两组，设置A组为对照组，置于湿度适宜的正常环境中，B组置于干旱环境中。基于以上分析，利用上述总结的表达模型就可以解答此题。

(四)实验结果、结论类

实验结果是根据实验数据或实验现象对客观事实的具体描述，即对因变量检测结果的描述，实验结果的表达应注意明确自变量和检测指标，将实验组和对照组现象进行对比，从而得出结果。需要特别注意是，并不是一次实验现象或者一组实验数据就能够呈现出全部的实验结果。基于此，作答时应注重多组数据的统计分析，获得平均值，以确保实验结果的准确性。实验结论是根据实验结果进行归纳和推理而获得的定性或者定量的表述，可能是对实验结果的解释，或是对实验结果的进一步推测和升华，实验结论要与实验目的相对应。需要注意的是，验证性实验表述时，只表述验证的结论；而探究性实验是预测，结果和结论可能有很多种，一定要注意结果和结论的多样性，在表述时要对应分别表述。

【例5】(2019年，全国卷Ⅱ，第37题节选)物质W是一种含氮有机物，会污染土壤。W在培养基中达到一定量时培养基表现为不透明。某研究小组欲从土壤中筛选出能降解W的细菌(目标菌)。回答下列问题。

(3)土壤中的某些微生物可以利用空气中的氮气作为氮源。若要设计实验进一步确定甲、乙菌能否利用空气中的氮气作为氮源，请简要写出实验思路、预期结果和结论，即________。

【参考答案】(3)将甲、乙菌分别接种在无氮源培养基上，若细菌能生长，则说明该细菌能利用空气中的氮气作为氮源

【解题策略】(3)基于题目情境分析可知，该题为探究类实验试题，目标菌能够利用空气中的氮气作为氮源，故选用的筛选培养基应不添加氮源，能够在无氮源的培养基上生存的细菌便是目的细菌，故得出具体的实验操作。

三、结论

综上所述，笔者通过多年生物学实验教学的归纳、总结，对部分经典实验类试题进行研究、分析，从中提炼出实验目的类、实验原理类、实验思路类、实验结果和结论类，四类经典实验类试题的解题模型，旨在提高教师自身对实验类试题的教学设计，促使学生形成相应的科学探究品质，使学生更加高效地解答相关生物学实验类试题。