例談高考生物實驗中邏輯思維方法的應用

摘 要 針對近幾年高考生物實驗中經常考查的幾種邏輯思維方法，以高考試題為例，解析其推理、思維過程，以培養學生良好的思維習慣和規范的邏輯思維方法。

關鍵詞 邏輯思維 歸納 假說演繹 類比 分析綜合

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 A

邏輯思維就是人們在感性認識的基礎上，以概念為操作的基本單元，以判斷、推理為操作的基本形式，間接地、概括地反映客觀事物規律的理性思維過程。邏輯思維的方法包括歸納推理、演繹推理、類比推理、分析和綜合等方法，它是新課程高考實驗與探究能力考查的一個重要方面。下面試舉幾例談談其在高考生物實驗中的應用。

1 歸納推理法

歸納推理是指從許多個別的事物中概括出一般性概念、原理或結論的推理形式和思維方法。根據因果形式的表現特點可分為求同法、求異法、共變法、剩余法等，其中求異法、共變法、剩余法在生物實驗中常常用到。

1.1 求異法

求異法是指在被研究對象具有某性質及結果（G）和不具有該性質和結果（G）的兩種場合下，被研究對象只有一個因素（A）不同，則此因素（A）就是該性質及結果（G）的原因，或者是不可缺少的部分。

【例1】 （2009年高考理綜全國卷Ⅱ）請用所給的實驗材料和用具，設計實驗來驗證哺乳動物的蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有專一性。要求完成實驗設計、補充實驗步驟、預測實驗結果、得出結論，并回答問題。

實驗材料與用具：適宜濃度的蔗糖酶、唾液淀粉酶、蔗糖、淀粉4種溶液，斐林試劑、37 ℃恒溫水浴鍋、沸水浴鍋。

（1） 若“+”代表加入適量的溶液，“—”代表不加溶液，甲、乙等代表試管標號，請用這些符號完成表1實驗設計。

（2） 結果預測： 。

【解析】驗證蔗糖酶催化作用具有專一性，研究對象是蔗糖酶和底物，結果是是否有底物分解并呈現顏色反應。推理過程如下：

場合1：蔗糖酶溶液+蔗糖溶液→蔗糖分解，有顏色反應。

場合2：蔗糖酶溶液+淀粉溶液→淀粉不水解，無顏色反應。

結論1：蔗糖酶只能催化蔗糖水解，不能催化淀粉水解，具有專一性。

驗證淀粉酶催化作用具有專一性，研究對象是淀粉酶和底物，實驗結果是是否有底物分解并呈現顏色反應。推理過程如下：

場合3：淀粉酶溶液+蔗糖溶液→蔗糖不分解，無顏色反應。

場合4：淀粉酶溶液+淀粉溶液→淀粉分解，有顏色反應。

結論2：淀粉酶只能催化淀粉水解，不能催化蔗糖水解，具有專一性。

1.2 共變法

共變法是指被研究的結果或現象發生變化的各個場合中，如果其中只有一個先行有關因素是變化的，而其他先行有關因素保持不變，那么，這個唯一變化的因素就是被研究現象的原因。

【例2】 （2009年高考理綜山東卷）（2）人類的F基因前段存在著CGG重復序列。科學家對CGG重復次數、F基因表達和某遺傳病癥狀表現三者之間的關系進行調查研究，統計結果如表2：

此項研究的結論是： 。

【解析】該實驗的先行因素有CGG序列重復次數、溫度、原料等，研究的現象包括：F基因編碼的蛋白質、癥狀表現、F基因轉錄的mRNA。在只有CGG的重復次數發生變化，而其他因素保持不變時，它就成為F基因編碼蛋白質和癥狀表現發生變化的原因。

答案：CGG重復次數不影響F基因轉錄，但影響翻譯，并與該遺傳病是否發病及癥狀表現有關。

1.3 剩余法

剩余法是指如果被研究的某一性質或結果是由某種復合因素引起的，已知其中有部分因素與被研究的結果沒有因果聯系，那么，剩余的因素就與被研究的結果存在因果聯系，如表3所示。

【例3】 （2011年高考理綜全國卷）為探究不同條件對葉片中淀粉合成的影響，將某植物在黑暗中放置一段時間，耗盡葉片中的淀粉。然后取生理狀態一致的葉片，平均分成8組，實驗處理如下表所示。一段時間后，檢測葉片中有無淀粉，結果如表4。

回答問題：（1） 光照條件下，組5葉片通過 作用產生淀粉。

（2） 在黑暗條件下，葉片能進行有氧呼吸的組別是 。

（3） 組2葉片中合成淀粉的原料是 ，直接能源物質是 ，后者是通過 產生的。與組2相比，組4葉片無淀粉的原因是

。

【解析】該實驗研究對象所含因素有葡萄糖、空氣（O2、CO2）、光照，實驗結果是有無淀粉生成，如果用A、B、C分別代表葡萄糖、氧氣、光照（因8組中都有CO2，故不把它作為研究對象的因素），用G代表淀粉，則歸納推理過程如表5：

由此可知，合成淀粉的途徑有2條：一是在光照下，葉片通過光合作用合成淀粉，二是以葡萄糖為原料利用有氧呼吸合成的ATP，合成淀粉。

2 演繹推理法

演繹推理是從一般到個別，從普通到特殊的推理方式，是根據一類事物都具有的一般屬性、關系、本質來推斷該類中的個別事物所具有的屬性、關系和本質的推理形式和思維方法，包括三段論推理、假言推理（假說演繹推理）、選言推理，在高考實驗中考查頻率最高的就是假說—演繹法。假說—演繹推理的邏輯結構可用圖1表示：

【例4】 （2010年全國高考理綜新課標卷），從某植物長勢一致的黃化苗上切取等長幼莖段（無葉和側芽），將莖段自頂端向下對稱縱切至約3/4處后，浸沒在不同濃度的生長素溶液中，一段時間后，莖段的半邊莖會向切面側彎曲生長形成彎曲角度（α）如圖甲，α與生長濃度的關系如圖乙。請回答：

（2） 將切割后的莖段浸沒在一未知濃度的生長素溶液中，測得其半邊莖的彎曲角度α1，從圖乙中可查到與α1對應的兩個生長素濃度，即低濃度（A）和高濃度（B）。為進一步確定待測溶液中生長素的真實濃度，有人將待測溶液稀釋至原濃度的80%，另取切割后的莖段浸沒在其中，一段時間后測量半邊莖的彎曲角度將得到α2。請預測α2與α1相比較的可能結果，并得出相應的結論： 。

【解析】根據題意，提出假設。

假設1：α1對應的濃度為高濃度B。演繹推理：稀釋到原濃度的80%后，由圖乙可知，此濃度下莖段彎曲角度α2應大于α1。

假設2：α1對應的濃度為低濃度A。演繹推理：稀釋到原濃度的80%后，由圖乙可知，此濃度下莖段彎曲角度α2應小于α1。

3 類比推理法

類比推理是根據兩個或兩類對象的相同或相似屬性，從而推出它們的其他屬性也相同的推理方式。在科學研究中，類比推理是提出假說的重要途徑，往往可以導致新發現、新理論，但在高考實驗中考查的頻率并不高。

【例5】 （2002年高考理綜天津卷）“水往低處流”，但是植物體內的水卻往高處流，動力從何而來？某同學為此做了兩個實驗。

實驗一：將一枝條插入充滿水的玻璃管中，玻璃管的另一端插入盛有水銀的容器中。不久水銀柱上升，如圖3所示。

實驗二：將同一植物在靠近莖的基部切斷，套上一個彎曲的玻璃管，管內裝有水和水銀。不久，玻璃管內水分增加，水銀柱上升。如圖4所示，請回答：

實驗一說明 。

實驗二說明 。

根據這兩個實驗，你對水分在植物體內運輸的動力有何新的認識？

【解析】推理過程見表6。

通過類比，自然可以得出推論2：根部（或根部生理活動）能產生推動水分向上運輸的壓力。

當然，在高考實驗題中，往往是幾種思維方法同時使用，例如，2011年全國高考理綜新課標卷32題，就考查了歸納法、假說—演繹法和綜合分析法等。

【例6】 某植物紅花和白花這對相對性狀同時受多對等位基因控制（如A、a；B、b；C、c……），當個體的基因型中每對等位基因都至少含有一個顯性基因時（即A_B_C_……）才開紅花，否則開白花。現有甲、乙、丙、丁4個純合白花品系，相互之間進行雜交，雜交組合組合、后代表現型及其比例如下：

根據雜交結果回答問題：（1） 這種植物花色的遺傳符合哪些遺傳定律？

（2） 本實驗中，植物的花色受幾對等位基因的控制，為什么？

【解析】由教材中1對相對性狀的雜交實驗，可知F1自交后代中顯性性狀出現的比例為3/4，2對相對性狀的雜交實驗，F1自交后代中雙顯性性狀個體出現的比例為9/16，即（3/4）2，由此歸納出，n對相對性狀的雜交實驗，F1自交后代個體中每對等位基因至少有一個顯性基因出現的個體比例為（3/4）n。根據這個數學模型，結合本實驗中乙×丙和甲×丁兩個雜交組合中，F2中紅色個體占全部個體的比例為81/（81+175）=81/256=（3/4）4。可以初步確定花色遺傳可能涉及4對等位基因。

要進一步確定這兩個雜交組合所涉及的4對等位基因是否相同，必須運用綜合分析法和假說—演繹法。首先，根據題干信息，分析這4個親本的基因型。甲、乙、丙、丁這4個親本涉及的4對等位基因中隱性基因純合的情況有3種可能：① 4對等位基因中只有1對等位基因是隱性純合，其余3對是顯性純合（如aaBBDDEE）；② 有兩對等位基因是隱性純合，其余兩對等位基因是顯性純合（如aabbDDEE）；③ 有3對等位基因是隱性純合，其余1對等位基因是顯性純合（如AAbbddee）。再進一步分析，乙×丙和甲×丁兩個雜交組合中的每個雜交組合的可能性，其可能性有兩種：① 是1對隱性基因純合（如aaBBDDEE）的親本與4對等位基因中另3對隱性基因純合（如AAbbddee）的親本雜交；② 是兩對隱性基因純合（如AABBddee）的親本與4對等位基因中另兩對隱性基因純合（如aabbDDEE）的親本雜交。

最后，通過假說—演繹得出結論。假設甲親本的基因型為AABBddee、乙為AABBDDee、丙為aabbddEE、丁為aabbDDEE，根據這個假設，可以推理得出：甲×丁，F2代出現紅色81∶白色175；乙×丙，F2也為紅色81∶白色175；乙×丁，F2為紅色27∶白色37；其他3個雜交組合F2代均表現為白色。而題中6個雜交組合的結果驗證了這個假設是正確的，所以花色遺傳受4對等位基因控制。

總之，在日常的教學中，教師一定要有意識地引導學生使用規范的邏輯思維方法，分析解決生物學實驗問題，體驗不同思維方法在生物實驗中的運用，以培養學生的邏輯思維能力和思維的品質。