實驗定量類試題的命題研究

江蘇

生物科學是一門實驗科學。積極開展生物實驗教學，是培養學生生命觀念、社會責任和提升科學思維、科學探究能力的必然之路，是促進學生達成生物學學科核心素養的重要支撐。生物實驗一直是高考考查的重點內容，近年來高考實驗命題也在穩中求變，在變中創新。實驗命題由以往的對實驗原理、方法步驟、注意事項、結果評價等方面的考查逐步向實驗設計、模擬操作、定量分析、科學探究等方面過渡，進一步突出對實驗“真實性”的考查，即實驗應是學生動手做出來的，不應是教師講出來的，也不應是學生看視頻看出來的，更不應是學生背出來的。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在加強和完善生物學實驗教學實施建議中指出：在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。教師應給學生提供機會學習生物學研究中的測量方法，實事求是地記錄、整理和分析實驗數據，定量表述實驗結果等。下面選取幾道實驗題的定量考查進行評析，望能引起師生對生物定量實驗開設的重視。

1.實驗試劑稱量的感性認識

生物實驗的成功，離不開科學的設計，離不開正確地選擇實驗材料，離不開正確的方法步驟，同時還離不開對實驗試劑的準確稱量。盡管考試中對試劑的具體用量一般不作明確的要求，但在做實驗時學生必須定量地量取。如鑒定蛋白質所用的雙縮脲試劑，向2 mL組織樣液中先加雙縮脲試劑A液1 mL搖勻，再滴加雙縮脲試劑B液4滴搖勻，觀察顏色變化。若學生滴加雙縮脲試劑B液過多，就不能在實驗過程中觀察到顏色的變化。如果學生動手做實驗，會對實驗試劑稱量多一份感性認識，同時也對“變色”原理多一份理解：蛋白質與Cu2+在堿性環境下形成紫色絡合物。未做過此實驗的學生往往對雙縮脲試劑的使用與斐林試劑的使用混淆不清。

【例1】（2016年，江蘇卷，第17題）下列用鮮菠菜進行色素提取、分離實驗的敘述，正確的是 （ ）

A. 應該在研磨葉片后立即加入CaCO3，防止酸破壞葉綠素

B. 即使菜葉剪碎不夠充分，也可以提取出4種光合作用色素

C. 為獲得10 mL提取液，研磨時一次性加入10 mL乙醇研磨效果最好

D. 層析完畢后應迅速記錄結果，否則葉綠素條帶會很快隨溶液揮發消失

【答案】B

【評析】CaCO3可防止酸破壞葉綠素，應在研磨前加入少許CaCO3，A錯誤；菜葉剪碎不夠充分，一般不會明顯影響研磨，且色素含量并沒有減少，所以仍可提取出4種光合作用色素，B正確；由于研磨時乙醇揮發，故要獲得10 mL提取液，研磨時應加入多于10 mL的乙醇，C錯誤；層析完畢后應迅速記錄結果，否則葉綠素條帶會因色素分解而消失，但不會隨層析液揮發而消失，D錯誤。

本題選項C具有很大的迷惑性，但有實際操作的學生對此具有感性認識，研磨葉片時要迅速充分，減少無水乙醇的揮發。如要獲得10 mL提取液，研磨時僅僅加10 mL的乙醇是不夠的。

【例2】某興趣小組進行了如下實驗：

【實驗目的】比較甲、乙、丙三種微生物所產生的淀粉酶的活性。

【實驗原理】略

【實驗材料】三種微生物淀粉酶提取液（設提取液中酶濃度相同）等。

【實驗步驟】a.取四支試管，分別編號；

b.按表1內要求進行操作：

表1

c.將上述四支試管放入37℃水浴保溫1 h；

d.在上述四支試管冷卻后滴入碘液；

e.觀察比較實驗組的三支試管與對照組試管的顏色及其深淺。

【實驗結果】

表2

請分析回答下列問題：

（1）表中 A 的數值為________ ，C 處的顏色深淺程度最可能為_______ （用一定數量的“+”或“-”表示）。

（2）該實驗的自變量是___________________________ ，無關變量有_________________________ （寫出 2 種即可）。

（3） 除了用碘液檢測淀粉的剩余量來判斷實驗結果外，還可以用___________ 試劑來檢測生成物的量。若用該試劑檢測，結果顏色最深的試管是____________ 。

【答案】（1）2.3 +++（或多于+++）（2）不同的淀粉酶提取液 各組間pH、溫度、加入提取液的量和濃度、淀粉溶液的量和濃度等 （3）斐林試劑 試管2

【評析】（1）試管4為對照組，故試管內溶液含量與其他三支試管內的相同，即A=2.3。試管4的顏色最深，應為+++（或多于+++）。（2）該實驗的目的是比較甲、乙、丙三種微生物所產生的淀粉酶的活性，因而實驗的自變量是不同的淀粉酶，其他如pH、溫度、提取液的量和濃度等都為無關變量，應保持相同或一致。（3）實驗結果是用碘液檢測分解后淀粉的殘留量，也可以用斐林試劑檢測淀粉水解的產物量。四組實驗中試管4為對照組，從結果可推測試管2中淀粉酶的活性最高，其次是試管3、試管1。如改用斐林試劑檢測，結果顏色最深的應是試管2。

本題錯誤率最高的是第（1）問表中A的數值，絕大多數學生都填寫“2”，原因是學生都能判斷出該實驗為對照實驗，根據控制無關變量的要求，蒸餾水用量應相同，而忽視了試管液體總體積也應要一致的原則。但是考生若有實驗操作的經歷，則會對實驗試劑稱量有一個感性的認識，也有助于答題。

2.實驗結果數據的理性分析

實驗結果與實驗結論并不等同。實驗結果是通過觀察、測量、統計所得到的現象或數據，而實驗結論是通過實驗結果進行分析總結，透過現象看本質，所得出規律性的理性判斷，故對實驗結果數據要做理性分析。如采用稀釋涂布平板法統計菌落數目，統計的菌落數往往比活菌的實際數目低。原因是當兩個或多個細胞連在一起時，平板上觀察到的只是一個菌落；再如樣品的稀釋程度將直接影響平板上生長的菌落數目，在實際操作中，通常選用一定稀釋范圍的樣品液進行培養，以保證獲得菌落數在30～300之間，成為適于計數的平板。另外，為了減小實驗誤差，通常需采用平行重復實驗，求平均值。

【例3】（2017年，江蘇卷，第31題）苯酚及其衍生物廣泛存在于工業廢水中，對環境有嚴重危害。小明同學準備依據圖1操作步驟，從處理廢水的活性污泥中分離篩選酚降解高效菌株。請回答下列問題：

圖1

（1）酚降解菌富集培養基含有蛋白胨、K2HPO4、MgSO4、苯酚和水，其中可作為碳源的有________________________ 。

（2）將采集到的樣品接種培養，苯酚用量應隨轉接次數增加而逐漸_____________________ 。以達到富集酚降解菌的目的。若圖1平板中菌落過于密集，應進一步______________ ，以便于菌落計數與分離。制備平板培養基時除了需要水、營養物質外，還必須添加____________________ 。

（3）圖2為連續劃線法示意圖，在圖中___________（填圖中序號）區域更易獲得單菌落。

圖2

（4）采用比色測定法（使用苯酚顯色劑）檢測降解后的廢水中苯酚殘留量。先制作系列濃度梯度并進行顯色反應，表3中1～5 號比色管的苯酚濃度應分別為____________ 。如果廢水為50 mg/L苯酚溶液，降解后約有21%的苯酚殘留，則需將殘留液稀釋___________ （填序號：① 5 ② 10③20）倍后，再進行比色。

表3

【答案】（1）蛋白胨、苯酚 （2）增加 稀釋涂布 凝固劑 （3）③（4）0、0.2、0.4、0.6、0.8 ③

【評析】（1）培養基成分中的有機物均可以提供碳源，即蛋白胨、苯酚均可以作為碳源。（2）分析實驗可知，實驗目的是篩選酚降解菌，因此將采集到的樣品接種培養，苯酚用量應隨轉接次數增加而逐漸增加，以達到富集酚降解菌的目的。若圖1平板中菌落過于密集，應進一步稀釋涂布，以便于菌落計數與分離。平板培養基屬于固體培養基，該培養基需要加入瓊脂作為凝固劑。（3）平板劃線法中，隨著劃線次數的增加，菌種進一步被稀釋，因此圖中③區域更易獲得單菌落。（4）進行比色測定實驗時，首先需要設置濃度為0的苯酚作為空白對照組，6號試管苯酚濃度1 mg/L，為設置的最高濃度，由此可見，濃度梯度應該為0.2，即表中1～5號比色管的苯酚濃度應分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8。如果廢水為50 mg/L的苯酚溶液，降解后約有21%的苯酚殘留，即殘留液中苯酚濃度為10.50 mg/L，與以上6支試管中的濃度相比，需要將殘留液稀釋20倍后，再進行比色。

本題錯誤率最高的是第（4）問。酚降解菌降解苯酚的能力可以采用比色測定法測定，測定前應先制作苯酚標準液系列濃度并進行顯色反應，而顯色反應需要空白對照。較多學生缺少苯酚標準液濃度為0的空白對照。降解后苯酚殘留量的大小與菌株降解能力有關，一般情況下，需要預估降解液中苯酚的殘留量，稀釋后的濃度最好落在苯酚標準液系列濃度梯度中間。較多學生選了②，廢水為50 mg/L苯酚溶液降解后約有21%的苯酚殘留，稀釋10倍，結果為1.050 mg/L，超過了1.0 mg/L，也就不在苯酚標準液系列濃度梯度中間，結果無法參照。

【例4】（2018年，江蘇卷，第31題節選）酵母的蛋白質含量可達自身干重的一半，可作為飼料蛋白的來源。有些酵母可以利用工業廢甲醇作為碳源進行培養，這樣既可減少污染又可降低生產成本。研究人員擬從土壤樣品中分離該類酵母，并進行大量培養。圖3所示為操作流程，請回答下列問題：

圖3

（4）步驟⑤中，為使酵母數量迅速增加，培養過程中需保證充足的營養和________ 供應。為監測酵母的活細胞密度，將發酵液稀釋1 000倍后，經等體積臺盼藍染液染色，用25×16型血細胞計數板計數5個中格中的細胞數，理論上______ 色細胞的個數應不少于______ ，才能達到每毫升3×109個活細胞的預期密度。

【答案】氧氣 無 30

【評析】解答本題的關鍵在于經等體積臺盼藍染液染色后，是否注意到稀釋倍數的變化。試題設計與血球計數板的常規計算不同，一是考慮到活菌數，需把死亡菌體排除，可用臺盼藍染液進行染色。正常細胞具有完整的細胞膜結構，而死亡的細胞其細胞膜結構被破壞，臺盼藍染液無法通過正常的細胞膜因而正常的細胞不被臺盼藍染液染色，而死細胞則可被臺盼藍染液染成藍色；二是考慮到稀釋倍數的變化，經等體積臺盼藍染液染色，對發酵液而言類似于稀釋1倍，故發酵液實際稀釋倍數為2 000倍。設5個中格中的細胞數為a，則公式為a/80×400×10 000×2 000（稀釋倍數）≥ 3×109，求得 a ≥ 30。較多考生計算得60，原因是只考慮到臺盼藍染色，而沒考慮到等體積臺盼藍染液染色時已將發酵液稀釋了1倍。

3.實驗定量考查的答題指導

（1）創設更多實驗活動機會，掌握生物學研究中的測量方法。除需開設《普通高中生物學課程標準（2017年版）》規定的實驗活動外，教師還需要注意加強實驗探究活動的課內、課外結合，應有計劃地安排好需要用一定時間才能完成的課外活動，包括必要的調查、訪問、參觀、資料收集整理以及觀察記錄等，教師指導學生掌握生物學研究中的測量方法，整理和分析實驗數據，定量表述實驗結果等。

（2）明確實驗目的和實驗原理，是準確審題的關鍵。如例2中，題目已強調實驗目的：比較甲、乙、丙三種微生物所產生淀粉酶的活性，而實驗原理在題干中已省略。學生首先要明確這是一個單因子對照實驗，自變量是不同種類微生物淀粉酶，因變量是檢測淀粉酶的活性。而題中因變量可通過反應物的消耗量或產物的生成量來檢測。明確了實驗原理，在實驗操作中就進一步了解控制無關變量的重要性，因為無關變量的含量也會影響到實驗結果，也就會影響對實驗結論的判斷。

（3）規范的實驗操作和流程，是掌握評價標準的依據。如例1中，在研磨綠葉時，動作要迅速、充分。迅速，是為了減少無水乙醇的揮發；充分，是為了提取更多的色素。在研磨液過濾時，漏斗基部放一塊單層尼龍布，而不用濾紙，是為了減少色素的損耗等。有了規范的操作和流程，就有了判斷的標準和依據，解題時就能做到去粗取精，去偽存真。

（4）注重科學思維訓練，提高科學探究能力。教師應指導學生使其具備能夠發現實際生活中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。如例4中，為檢測酵母的活細胞密度，將發酵液稀釋1 000倍后，經等體積臺盼藍染液染色，發酵液稀釋倍數是否發生了變化，這成了思維分歧的焦點。若學生平時經過嚴格的思維訓練，審題時對“等體積”臺盼藍染液染色就能引起關注。學科核心素養的考查不是一句空話，在本小問中就得到充分體現。在平時的教學中，教師要更新觀念，讓學科核心素養真正落地生根，在實驗定量考查乃至高考中才能開出美麗的花，結出豐碩的果。