实验设计题解题模型的构建与应用

杨玲珍

(云南省云南师范大学附属怒江州民族中学)

实验设计思路题综合考查学生理解能力、获取信息能力、综合运用能力、实验与探究能力和语言表达能力。但学生对此类题型往往不知从何下手,在解决此类题型时,教师若能建立解题模型,为学生搭建脚手架,将有助于学生突破此类试题的解答。下面笔者以2023年高考生物全国乙卷29题的第(3)小题为例,分析解题思路并构建实验设计思路题的解题模型。

1.构建解题模型

1.1 典型例题

(2023年,全国甲卷,29题节选)某同学将从菠菜叶中分离到的叶绿体悬浮于缓冲液中,给该叶绿体悬浮液照光后有糖产生。回答下列问题。

(3)叶片进行光合作用时,叶绿体中会产生淀粉。请设计实验证明叶绿体中有淀粉存在,简要写出实验思路和预期结果。

【参考答案】(3)思路:分离叶绿体,用碘液进行显色反应。结果:反应结果显蓝色。

1.2 解题模型构建过程

1.2.1 依据题目确定实验目的

实验目的有“验证性实验”和“探究性实验”两类。验证性实验预期结果和结论只有一种。探究性实验结果和结论有多种。本题的实验目的是证明叶片在进行光合作用时,叶绿体中有淀粉的存在。

1.2.2 依据实验目的确定自变量、因变量和无关变量

一般情况下,要根据实验目的确定实验的自变量无关变量和因变量,本题情况特殊,自变量、因变量和无关变量一目了然。

1.2.3 依据实验设计原则书写实验思路

生物学科实验设计主要遵循的原则有对照或对比原则、单一变量原则和等量原则等。

本题实验设计很巧妙:处理的是叶片,但待验证的是叶绿体中有淀粉的存在,需要用到(1)题和(2)题涉及的分离细胞器的科学方法(差速离心法)得到叶绿体,最后通过碘液检测淀粉。

为了能提升不同层次学生的快速答题能力和语言组织能力,在书写解题思路时,教师引导学生用“三步法”书写实验思路。即第一步“取材、分组并编号”,第二步“设置对照组和实验组或多个实验组”,第三步“在无关变量相同且适宜的条件下,观察因变量”来组织语言。

1.2.4 利用假说—演绎法预期实验结果和结论

验证性实验的预期结论只有一种,本题的假设只有“叶片进行光合作用时,叶绿体中有淀粉存在”一种,根据假设进行演绎推理得出预期实验结果和结论也应只有一种。

2.变式训练 运用解题模型

为了防止学生对解题模型的“死记硬背”和“机械套用”,需要设计变式题进行变式训练,培养学生通过模型来解决实际问题,实现从“解题”向“解决问题”转变。

【变式1】(2019·全国Ⅰ卷·29题节选)将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理,该植物根细胞中溶质浓度增大,叶片中的脱落酸(ABA)含量增高,叶片气孔开度减小,回答下列问题。

(3)有研究表明:干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料,设计实验来验证这一结论,要求简要写出实验思路和预期结果。

【参考答案】实验思路:取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度,经干旱处理后,再测定气孔开度。预期结果:干旱处理前后气孔开度不变。

实验思路:将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株随机均等分成甲乙两组,在干旱条件下,甲组进行ABA处理,乙组作为对照组,放在其他相同且适宜的条件下培养一段时间后,分别测定两组的气孔开度。预期结果:甲组气孔开度减小,乙组气孔开度不变。

【解题思路】

(1)确定实验目的：根据题意可知,实验目的为验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的。故实验应分为两部分:①证明干旱条件下植物气孔开度变化不是由缺水引起的;②证明干旱条件下植物气孔开度减小是由ABA引起的。

(2)确定自变量、因变量和无关变量：实验的自变量应分别为①正常条件和缺水环境,②植物体中ABA的有无,因变量均为气孔开度变化,而无关变量则是实验材料ABA缺失突变体植株培养条件等。

(3)利用“三步法”书写实验设计思路：由于本题的自变量是正常条件和缺水环境以及植物体中ABA的有无,所以写实验思路时要分别写。

(4)利用假说—演绎法预期实验结果和结论：本题实验为验证性实验,其预期结论只有一种。

【设计意图】此变式题的实验目的是干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,学生的易错点是容易忽略“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的”这个隐含实验目的的验证,只设计干旱条件下气孔开度减小是由ABA引起的。设计本变式题的意图是引导学生通过上述实验思路模型解决“因变量的变化不是A引起的,而是由B引起的”的实验思路题。此类题突破口是A和B都是自变量。

【变式2】(2021·山东卷·23题节选)过度紧张、焦虑等刺激不仅会导致毛囊细胞数量减少引起脱发,也会导致黑色素细胞减少引起头发变白。利用黑色小鼠进行研究得出的相关调节机制如图所示。

(3)已知长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑。请设计实验验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。

实验思路:_______________。

实验现象:_______________。

【参考答案】实验思路:取生理状况相同的黑色小鼠若干只随机平均分为A、B、C、D四组,A组不处理,B组切除肾上腺,C组束缚,D组切除肾上腺并束缚,放在其他相同且适宜的条件下饲养一段时间后,观察并记录小鼠体毛数量(生长情况)和颜色的变化

实验现象:A组小鼠的体毛无变化,B组小鼠的体毛增多,不变白,C组小鼠脱毛且变白,D组小鼠毛发增多(生长旺盛),变白

【解题思路】

(1)确定实验目的：本题的实验目的是验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对毛小鼠体毛的影响。由图可知上述调节机制是指过度紧张和焦虑会导致黑色素细胞减少,引起体毛变白和导致毛囊细胞数量减少,引起脱发。

(2)确定自变量、因变量和无关变量：本题的自变量是肾上腺及长期束缚,黑毛小鼠的生理状况等为无关变量,因变量是黑色小鼠的体毛颜色变化以及数量变化。

(3)利用“三步法”书写实验设计思路：本题的自变量是肾上腺及长期束缚,所以需要设置只切除肾上腺、只束缚和切除肾上腺并束缚三个实验组和不做处理的对照组。

(4)利用假说—演绎法预期实验结果和结论：本实验也是验证性实验,预期观察到的实验现象只有一种。

【设计意图】此变式题的实验目的是验证长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。学生的易错点会出现两种情况:不设置“不做处理”的对照组;忽略“肾上腺及长期束缚”这两个自变量共同对因变量起影响的实验组。设计本变式题的意图是引导学生能通过上述实验思路模型解决“自变量A与B之间的关系对因变量的影响”这类实验思路题。

【变式3】(广东梅州模考节选)油菜素内酯是一种新型植物内源激素,主要分布在植物伸长生长旺盛的部位。由于其生理活性大大超过现有的五种激素,已被国际上誉为第六激素。表是不同浓度的油菜素内酯溶液对芹菜幼苗生长影响的实验结果。请回答相关问题:

油菜素内酯浓度(mg/L)00.100.200.300.400.50平均株高(cm)162038514224

(3)若利用本实验数据进一步测定油菜素内酯对芹菜生长作用的最适浓度,请简述实验设计思路和预期结果。

【参考答案】实验思路:在浓度0.2～0.4 mg/L 之间配制一系列浓度梯度的油菜素内酯溶液,分别处理生长状况相同的芹菜幼苗,放在相同且适宜的条件下培养一段时间后,测量并计算每组芹菜幼苗的平均株高。

预期结果:芹菜幼苗平均株高最高对应的油菜素内酯的浓度为促进芹菜生长的最适浓度。

【解题思路】

(1)确定实验目的：本实验为探究类实验,实验目的是测定油菜素内酯对芹菜生长作用的最适浓度。

(2)确定自变量、因变量和无关变量：根据实验目的可知本实验的自变量是油菜素内酯的浓度,无关变量为芹菜幼苗的生长状况等,因变量是芹菜幼苗的平均株高。

(3)利用控制变量的科学方法设计实验思路：从表格数据可以看出油菜素内酯对芹菜生长作用的适宜浓度范围是0.2～0.4 mg/L,故要进一步测定油菜素内酯对芹菜生长作用的最适浓度,可以在浓度0.2～0.4 mg/L之间配制一系列浓度梯度的油菜素内酯溶液进行探究。

(4)预期实验结果：本实验的结果为定性结果,作答时注意表述。

【设计意图】本变式题的实验目的是测定油菜素内酯对芹菜生长作用的最适浓度。此变式题的易错点是学生不能厘清“测定油菜素内酯对芹菜生长作用的最适浓度”与“不同浓度的油菜素内酯对芹菜幼苗生长作用的影响”的区别,误把实验思路设置成“探究不同浓度的油菜素内酯对芹菜生长作用的影响”。这两种实验的区别是设置一系列浓度梯度的油菜素内酯溶液,也就是对自变量的处理不同。设计本变式题的意图是引导学生利用上述实验思路模型来解决“测定影响因变量的最适浓度(最适温度、最适pH)”的实验思路题。