以實驗為情境的生物高考試題分析

馬國玉 馬金軒 馬麗

(1.喀什第六中學,新疆 喀什 844000;2.喀什大學生命與地理科學學院,新疆 喀什 844000;3.沙灣市第三中學,新疆 沙灣 832100)

生物學是以實驗為基礎的學科,近代生物學的迅速發展離不開人們成百上千甚至上萬次的實驗.例如,孟德爾多年從事植物雜交試驗研究,提出了遺傳單位因子的概念;巴斯德嚴格控制無菌條件,利用長曲頸瓶證實了肉汁腐敗的原因是來自外界微生物污染.《中國教育現代化2035》提出,發展中國特色世界先進水平的優質教育,增強綜合素質,教育引導學生培養綜合能力,培養創新思維.《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》提出發展包含生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四個方面的生物學學科核心素養[1].實驗題在高考中占一定比重,滲透著對核心素養的考查,但因實驗題(特別是非選擇題中)一般以新情境呈現,學生不易得分.歸納整理近三年生物高考中實驗題的類型、解題技巧、出題立意,有于教師開展相關教學,幫助學生攻克實驗題.

1 實驗題知識點分析

為便于表示,現將試卷賦予代號,2022年全國卷定為A(甲卷)、B(乙卷),2021年全國卷定為C(甲卷)、D(乙卷),2020年全國卷定為E(卷Ⅰ)、F(卷Ⅱ)、G(卷Ⅲ).

分析結果見表1,參考王家薈[2]對試題的知識內容劃分,主要考查的知識點有細胞的分子組成、細胞的代謝、遺傳的分子基礎、遺傳的基本規律、動物生命活動的調節、微生物的應用、酶的應用、基因工程和胚胎工程,可見近三年高考實驗題涉及知識點廣,在細胞代謝、遺傳的基本規律兩部分占比較多.細胞代謝中常考點有物質的跨膜運輸、呼吸作用和光合作用,例如2022年全國甲卷第2題和2020年全國卷Ⅱ第5題分別考查植物細胞失吸水原理和滲透作用原理,2021年全國乙卷第29題和2020年全國卷Ⅱ第30題分別考查光合作用中CO2的特殊固定形式和線粒體、葉綠體的功能.遺傳的基本規律常

表1 實驗題知識點統計

考考點即分離和自由組合定律的分析和應用,2020年全國卷Ⅰ第5題和2021年全國甲卷第5題考查分離定律,2022年全國甲卷第6題、第32題、2021年全國乙卷第6題、第32題、2020年全國卷Ⅱ第32題等均考查自由組合定律.

2 實驗題命題類型分析

基于課標和考試大綱對學生能力的考查要求,可將實驗題類型分為基礎實驗類、原理原因類、實驗設計類、結果結論類,見表2.

表2 實驗題類型統計

2.1 基礎實驗類

此類試題源于教材中的基礎實驗和科學史的經典實驗,考查實驗的現象、材料選取、試劑用途、結論推斷等.如2021年全國乙卷第2題判斷生物學實驗所用試劑的敘述正誤,2020全國卷Ⅰ第4題考查教材中觀察類實驗、實驗材料的選擇.在選修模塊中部分試題答案以教材原文呈現,如2022年全國甲卷第38題的胚胎工程,2020年全國卷Ⅲ的果膠酶作用,學生回憶教材中的相關敘述即可解答.

2.2 原因原理類

此類試題考查對實驗現象、結果結論、材料或試劑選用、步驟及操作的解釋和分析,多以教材中的實驗原理為基礎,通過創設新的問題情境考查學生[3].如2022年全國乙卷第30題根據家兔注射藥物后的現象分析原因,2021年全國甲卷第37題根據表格結果寫出洗滌蠶絲織物不使用某些加酶洗衣粉的原因,以及加酶洗衣粉去漬效果更好的原因.

2.3 實驗設計類

此類試題給出實驗目的和實驗材料,或提供可選材料,由學生設計實驗達成某種結果,驗證某個假設,多見于光合作用、動物激素調節和遺傳規律應用.例如,2021年全國乙卷第29題驗證干旱環境下植物對CO2的特殊固定形式,2020年全國卷Ⅲ用實驗獲得抗病抗倒伏且穩定遺傳的新品種.2022年全國甲卷第37題較為特別,給出實驗材料和結果,學生推測實驗思路,是實驗設計的逆向考法.

2.4 結果結論類

此類試題需要學生根據實驗所用材料、試劑藥品、步驟和操作推測實驗結果,或已知結果從中歸納、綜合得出相應結論.需指出,結果是自變量對觀測指標的影響,結論是自變量對因變量的影響[4].如2022年全國乙卷第6題由正反交結果推測控制雞羽性狀的基因所在位置和性狀顯隱關系,2020年全國卷Ⅲ第2題由曲線圖和題目信息推斷影響胚芽鞘生長的各物質的作用.

3 實驗題解題策略分析

3.1 基礎實驗類

例1 (2021全國乙卷第5題)在格里菲思所做的肺炎雙球菌轉化實驗中,無毒性的R型活細菌與被加熱殺死的S型細菌混合后注射到小鼠體內,從小鼠體內分離出了有毒性的S型活細菌.某同學根據上述實驗,結合現有生物學知識所做的下列推測中,不合理的是( ).

A.與R型菌相比,S型菌的毒性可能與夾膜多糖有關

B.S型菌的DNA能夠進入R型菌細胞指導蛋白質的合成

C.加熱殺死S型菌使其蛋白質功能夾失而DNA功能可能不受影響

D.將S型菌的DNA經DNA酶處理后與R型菌混合,可以得到S型菌

解析S型菌菌體有多糖類莢膜,能致病,有毒;R型菌菌體沒有莢膜,不能引起人或小鼠發病,無毒,通過對比可以說明S型菌的毒性可能與莢膜多糖有關,A正確;R型菌轉變為S型菌,是因為S型菌的DNA片段整合到了R型菌DNA中并指導蛋白質的合成,B正確;加熱殺死的S型菌蛋白質變性失活,其DNA在加熱過程中解開雙螺旋,氫鍵被打開,但緩慢冷卻時,其結構可恢復,DNA功能可能不受影響,C正確;S型菌的DNA經DNA酶處理后被分解,與R型菌混合后不會使R型菌發生轉化,故不能得到S型菌,D錯誤.

基礎實驗類試題源于教材,是教材實驗的原型或修改,難度較低,不需要特別的解題技巧,學生對相關實驗的識記是根本.

3.2 原理原因類

例2 (2022全國乙卷第30題節選)題干略.

根據實驗二推測,丙組甲狀腺激素的合成是____(填“大于”或“小于”)甲組.乙組和丙組甲狀腺激素的合成量____(填“相同”或“不相同”),原因是____.

解析由于甲狀腺激素的分泌存在分級調節和(負)反饋調節機制,乙組注射甲狀腺激素后會使家兔自身分泌的甲狀腺激素含量降低,故乙組家兔血中甲狀腺激素含量比對照組少;丙組注射促甲狀腺激素,可促進甲狀腺合成和分泌甲狀腺激素,故丙組家兔血中甲狀腺激素含量比對照組多,乙組和丙組合成甲狀腺激素的量不同.

例3 (2021全國甲卷第30題節選)題干略

該研究人員在制備32P標記的DNA片段甲時,所用dATP的α位磷酸基團中的磷必須是32P,原因是____.

解析dATP脫去Pβ與Pγ后成腺嘌呤脫氧核苷酸,是DNA的基本單位,因此制備32P標記的DNA片段時所用dATP的α位磷元素要被標記.

原因原理類試題在考試大綱中對實驗探究能力的要求屬于第二等級,解答此類題要從試題獲取有效信息,找圖表中的關鍵點,結合生物學原理、規律分析題目,一般從實驗對象的特點和處理條件的角度回答,注意組織好語言.

3.3 實驗設計類

例4 (2021全國乙卷第29題節選)題干略

若以Ph作為檢測指標,請設計實驗來驗證植物甲在干旱環境中存在這種特殊的CO2固定方式.(簡要寫出實驗思路和預期結果)

解析該實驗的檢測指標為pH,結合題意可知,在這種特殊的CO2固定方式中,晚上生成蘋果酸儲存在植物甲的液泡內,白天液泡內儲存的蘋果酸脫羧又釋放出CO2,液泡pH在夜間逐漸降低,在白天逐漸升高,由此確定實驗思路.

例5 (2022全國乙卷第32題節選)題干略

已知白花純合體的基因型有2種.現有1株白花純合體植株甲,若要通過雜交實驗(要求選用1種純合體親本與植株甲只進行1次雜交)來確定其基因型,請寫出選用的親本基因型、預期實驗結果和結論.

解析由題意知,白花純合體植株甲的基因型有aaBB和aabb兩種.選用1種純合體親本與甲雜交1次便可確定基因型,則需要子代因植株甲的基因型不同而出現不同表現型.AABB與甲雜交,無論甲是何種基因型,后代均為紫色;同理,aaBB或aabb與甲雜交后代均為白色.若選用AAbb,雜交結果:

①AAbb(紅)×aabb(白)→Aabb,子代花色全為紅;

②AAbb(紅)×aaBB(白)→AaBb,子代花色全為紫.

實驗設計類試題具有一定開放性,對學生的思維水平要求較高.解答此類試題時,根據實驗目的和題目要求確定自變量、因變量和無關變量,遵循科學實驗基本原則,設置合理條件.若在遺傳題中設計實驗,在確定等位基因的顯隱性關系和基因型對應的表現型后,區分各種實驗材料的特點,預想不同交配類型的結果,有時需要結合數學方法進行相關計算.

3.4 結果結論類

例6 (2021全國乙卷第30題節選)在自然界中,競爭是一個非常普遍的現象,回答下列問題:

競爭排斥籌措理是指…(以下略)當實驗出現____的結果時即可證實競爭排斥原理.

根據上述實驗和研究,關于生物種間競爭的結果可得出的結論是____.

解析該實驗需將兩種草履蟲放在資源有限的環境中混合培養,據題干“不能長期共存在一起”的信息可確定,實驗一方存活,另一方死亡的結果時,即可證實競爭排斥原理.綜合上述實驗和研究,具有相同資源利用方式的物種不能長期共存在一起,若進化出新的資源利用方式便可共存,由此得出結論.

例7 (2020全國卷Ⅲ第2題)取燕麥胚芽鞘切段,隨機分成三組……(以下略)用KCl代替蔗糖進行上述實驗可以得到相同的結果(如圖1所示).下列說法不合理的是( ).

圖1 實驗結果圖

A.KCl可進行胚芽鞘細胞中調節細胞的滲透壓

B.胚芽鞘伸長生長過程中,件隨細胞對水分的吸收

C.本實驗中Sue是作為能源物質來提高IAA作用效果的

D.IAA促進胚芽鞘伸長的效果可因加入Sue或KCl而提高

解析題干信息指出“蔗糖能進入胚芽鞘細胞”KCl可替代蔗糖發揮相同的作用,故KCl可進入胚芽鞘細胞,進而調節細胞滲透壓,A正確;細胞伸長生長需要從外界吸收營養物資和水分,B正確;蔗糖屬于能源物質而KCl不是,題干信息KCl可代替蔗糖進行實驗,由此判斷該實驗中蔗糖的作用不是供能,C錯誤;生長素能促進胚芽鞘的生長,由題圖可知,蔗糖能提高生長素的作用效果,結合題意,KCl也能提高生長素的作用效果,D正確.

結果結論類試題可從實驗名稱、目的、原理、對象、條件、方法和步驟等多方面分析.若為探究性實驗,實驗結果可能未知,需預測可能出現的各種結果,并歸納出相應的結論;若為驗證性實驗,則根據實驗目的、條件和步驟等推出結果,再由結果得出結論.

4 教學與備考建議(略)