生物：突破實驗設計的思路與方法（下）

田奇林 劉江洲 舒洲

規范表達是高考答題的基本要求，能不能將實驗設計的“實驗目的”“實驗原理”“實驗假設”“實驗思路”“實驗方案”“實驗結果”和“實驗結論”等進行規范表達，決定高考的成敗。本文將著重介紹在實驗設計中如何運用文字表達的技巧，規范答題過程。

一、正確書寫實驗目的

根據實驗步驟和實驗結果分析并準確描述實驗目的，實驗目的一般體現自變量與因變量之間的關系。書寫模式是：實驗目的與實驗性質（探究或驗證）+自變量對因變量的影響。如：探究（實驗性質）光照強度（自變量）對光合作用強度（因變量）的影響;植物細胞在不同情況下（自變量）的失水和吸水情況（因變量）的研究。

值得說明的是：一個實驗中自變量可能有1個或多個，因變量也可能有1個或多個，無關變量一般有多個。如探究“××”和“××”對“××”的影響，涉及2個自變量;如探究“××”對“××”和“××”的影響，涉及2個因變量;如教材中探究過氧化氫的分解，有是否加熱、是否存在Fe3+和是否存在過氧化氫酶3個自變量。“證明……是否……”屬于探究性實驗。

二、正確寫出實驗原理

【例1】（2017·全國卷Ⅰ，29題改編）某科研機構發現了一種新型病毒，并對該病毒的遺傳物質進行研究。可用化學分析的方法對該病毒的遺傳物質種類進行研究，請寫出其中的原理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

【答案】脫氧核糖和堿基T是DNA的組成成分，核糖和堿基U是RNA的組成成分，利用化學分析的方法弄清該新型病毒遺傳物質中五碳糖或含氮堿基的種類，據此判斷該病毒的遺傳物質是DNA還是RNA。

【解題錦囊】實驗原理就是進行實驗的理論依據，包括選擇實驗材料的依據、作出實驗假設的依據、設置實驗步驟的依據、分析現象與結果的依據和確定觀測指標的依據。答題的方法是在實驗操作所涉及的理論中找出該實驗特有的決定實驗成敗的實驗操作及其理論。

（1）實驗原理一般由三段組成：自變量和因變量的關系+因變量的觀測指標+實驗過程描述。

（2）實驗原理中“因變量的觀測指標”可作為實驗結果的參考;有些題目要求考生對實驗結果進行分析，其考查的是實驗原理，所以對實驗結果分析時必須合理套用實驗原理。

【拓展延伸】觀察根尖分生組織的有絲分裂。

實驗操作 操作涉及的理論 操作原理 理論原理

課前3—4天，將洋蔥放在裝滿清水的廣口瓶上，底部接觸水面 清水確保根尖生長所需的水分，培養3—4天確保根的長長 待根長出5 cm時，取出健壯的根尖，制成臨時裝片觀察 在高等植物體內，根尖分生區細胞有絲分裂旺盛

將裝置放在溫暖的地方 為根尖生長提供適宜的溫度

根長至5 cm時，將根尖制成臨時裝片觀察 有絲分裂常見于根尖的分生區的細胞

三、規范寫出實驗假設

【例2】（2020年3月深圳市調研試題，32題）根據基因位于染色體上的位置，可分為伴性遺傳和常染色體遺傳，其中伴性遺傳又分為伴X遺傳（基因僅位于X染色體的非同源區段上）、伴Y遺傳（基因僅位于Y染色體的非同源區段上）和同源區段遺傳（基因位于X與Y染色體的同源區段上）。某研究人員從世代連續培養的野生型紅眼果蠅種群中分離出雌、雄各一只紫眼突變體，并進行了以下實驗。分析回答下列問題：

實驗①：紫眼雌果蠅×野生型雄果蠅→F1均為紅眼→F1雌雄相互交配得F2，F2中紅眼∶紫眼=3∶1

實驗②：紫眼雄果蠅×野生型雌果蠅→F1均為紅眼→F1雌雄相互交配得F2，F2中紅眼∶紫眼=3∶1

（1）根據上述實驗結果可確定果蠅眼色的遺傳不可能是伴Y遺傳和伴X遺傳，確定的依據分別是? ? ? ? ? ? ?。

（2）研究人員提出了控制果蠅眼色的基因位于X與Y染色體同源區段的假設（假設1）。你認為果蠅眼色基因的位置還可以提出哪一種假設（假設2）？? ? ? ? ? ? ? 。

（3）為了判斷上述何種假設成立，需要對實驗①、②的結果做進一步的觀測，則支持上述假設1的觀測結果是? ? ? ? ? ?。

【答案】（1）若果蠅眼色的遺傳為伴Y遺傳，則實驗①的F1和F2中所有雄性果蠅的眼色均表現為紅眼，實驗②的F1和F2中所有雄性果蠅的眼色均表現為紫眼，而實際雜交結果與之不符;若果蠅眼色的遺傳是伴X遺傳，則實驗①F1應為紅眼∶紫眼=1∶1，F2也應為紅眼∶紫眼=1∶1，與實際雜交結果不符。

（2）控制果蠅眼色的基因位于常染色體上。

（3）實驗①F2中紫眼果蠅性別是雌性，實驗②F2中紫眼果蠅性別是雄性。

【解題錦囊】假設是指用來說明某種現象但未經證實的論題，是對研究結果的預測，是對課題涉及的主要變量之間相互關系的設想，假設是研究者對研究結果預先賦予的答案，是一種可能的解釋和說明。假設是根據自己已知的知識和生活經驗對問題做出的假設，不是無端的猜測，如光合作用需要光。假設的提出可能正確也可能錯誤，假設要能解釋題目現象或與題干相符。一般情況下，若是實驗中要求寫出假設，我們應根據平時積累的知識，寫出我們認為的最可能的一種假設。依據的確定是在對兩個研究對象比較的基礎上闡明形成差異的原因。

四、寫出實驗思路與實驗步驟

【例3】（原創）Ⅱ型糖尿病的主要病因是胰島B細胞功能障礙。經大鼠胰島B細胞體外培養實驗發現，高糖能誘使細胞體積變大，導致細胞容積改變，表現為氧化應激和凋亡。該研究為糖尿病的治療提供了新思路。實驗發現，在高糖刺激下胰島B細胞的細胞膜上L型Ca2+通道開放。請設計實驗證明胰島B細胞的細胞膜上L型Ca2+通道開放會促進胰島素的分泌，寫出簡要的實驗思路、預期結果并得出實驗結論：____________________________。

【答案】實驗思路：比較細胞培養液中加入L型Ca2+通道阻斷劑（抑制劑，或單克隆抗體）與正常條件培養下的胰島B細胞在高糖刺激下的胰島素分泌量。預期結果：加入L型Ca2+通道阻斷劑的一組細胞培養液，胰島素分泌量明顯低于正常培養的。實驗結論：胰島B細胞的細胞膜上L型Ca2+通道開放會促進胰島素的分泌。

【解題錦囊】實驗思路與實驗方案（含實驗步驟）設計的側重點有所不同。實驗思路是較為“粗線條”的思考過程，而實驗步驟是更為“細節化”的操作流程。但后者要注重“無關變量”的描述，尤其是寫出實驗步驟類試題。實驗方案設計關注的是具體的方案，例如如何分組、實驗組和對照組如何處理、因變量如何檢測、無關變量如何平衡和消除等，特別強調的是條件控制（無關變量的控制）。

實驗思路與實驗方案設計類似，但實驗思路并不過分關注細節，無需描述無關變量。實驗思路關注的是自變量的確定、因變量的確定以及預期結果與假設的關系，即特別關注控制自變量和因變量的觀測。而實驗目的和實驗思路是自變量和因變量的集合體;實驗步驟是對變量控制的進一步細化。

【例4】（2017·全國I卷，29題）根據遺傳物質的化學組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型。有些病毒會對人類健康造成很大危害。通常，一種新病毒出現后需要確定該病毒的類型。假設在宿主細胞內不發生堿基之間的相互轉換。請利用放射性同位素標記的方法，以體外培養的宿主細胞等為材料，設計實驗以確定一種新病毒的類型。簡要寫出：（1）實驗思路;（2）預期實驗結果及結論。（要求：實驗包含可相互印證的甲、乙兩個組）

【答案】（1）實驗思路：甲組——將宿主細胞培養在含放射性標記尿嘧啶的培養基中，之后接種新病毒，培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。乙組——將宿主細胞培養在含放射性標記胸腺嘧啶的培養基中，之后接種新病毒，培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。

（2）實驗結果及結論：若甲組收集的病毒有放射性，乙組無，即為RNA病毒;反之為DNA病毒。

【解題錦囊】實驗思路規范簡化表達：控制自變量——將甲乙兩組宿主細胞分別培養在含放射性標記尿嘧啶和胸腺嘧啶的培養基中，之后接種新病毒。因變量的觀測——培養一段時間后收集病毒并檢測其放射性。

【拓展延伸】在書寫“寫出實驗步驟”類試題，要注重“無關變量”的描述：應牢記實驗步驟的“三步曲”，即取材（共性處理）→處理（變量處理）→（培養）觀察記錄（實驗結果處理）。且注意實驗設計中“使用恰當的語言表述”的問題：

①實驗材料的選擇：植物——大小相似、長勢相同的同種植株。動物——體重（體長）、年齡、生長趨勢相同，有時甚至要“性別”相同。有時可以敘述為“生長生理狀況相同的個體”。

②試劑的選擇：在量上難以做到準確的量化描述時，應盡可能用“定性”的語言表達，要注意“等濃度”“等體積”“適量等量的”“一定量的”等詞的運用。

③空白對照：蒸餾水沒有礦質離子，常作為植物培養的空白對照和實驗試劑的稀釋液;清水含礦質離子，一般用于漂洗;生理鹽水一般用于動物注射類試劑的配制和動物細胞的培養，維持細胞形態，防止細胞吸水脹破，常被用作等滲溶液;無菌水常用于微生物實驗，作為對照組。

④實驗時間和條件上用“相同的一段時間”“適宜相同的溫度、pH”等語言。

五、實驗結果與結論的預測與分析

【例5】（2017·北京卷，31題改編）瘧原蟲是一種單細胞動物。它能使人患瘧疾，引發周期性高熱、寒戰和出汗退熱等臨床癥狀，嚴重時致人死亡。臨床應用青蒿素治療瘧疾取得了巨大成功，但其抗瘧機制尚未完全明了。我國科學家進行了如下實驗。

組別 實驗材料 實驗處理 實驗結果

（線粒體膜電位的相對值）

1 瘧原蟲的線粒體 不加入青蒿素 100

2 加入青蒿素 60

3 倉鼠細胞的線粒體 不加入青蒿素 100

4 加入青蒿素 97

（1）1組和2組的實驗結果表明： ? ?，由3組和4組的實驗結果可知青蒿素對倉鼠細胞線粒體膜電位無明顯影響。據此可以得出的結論是：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（2）將實驗中倉鼠細胞的線粒體替換為? ? ? ? ?，能為臨床應用青蒿素治療瘧疾提供直接的細胞生物學實驗證據。

【答案】（1）青蒿素能顯著降低瘧原蟲線粒體膜電位 青蒿素對線粒體膜電位的影響存在物種間的差異;（2）人體細胞的線粒體

【解題錦囊】首先要明確該實驗是驗證性實驗還是探究性實驗。若為驗證性實驗，則實驗現象與實驗原理一致、結果唯一，結論與題目要求（目的）一致;若為探究性實驗，要進行分類討論，即實驗現象與實驗原理一致或相反或居中，相應的結論有多種情況。

【拓展延伸】值得說明的是，實驗結果是要表達出可觀察或可測量的檢測指標，實驗結論是要分析實驗結果得出的概括性規律，往往與實驗目的相呼應。在表達的過程中要符合表達邏輯規范：探究性實驗的表達邏輯是“如果出現什么樣的結果，則得出什么樣的結論”，而驗證性實驗的表達邏輯是“有什么樣的結果，就有什么樣的結論”。