實驗設(shè)計題解題模型的構(gòu)建與應(yīng)用

楊玲珍

(云南省云南師范大學(xué)附屬怒江州民族中學(xué))

實驗設(shè)計思路題綜合考查學(xué)生理解能力、獲取信息能力、綜合運用能力、實驗與探究能力和語言表達能力。但學(xué)生對此類題型往往不知從何下手,在解決此類題型時,教師若能建立解題模型,為學(xué)生搭建腳手架,將有助于學(xué)生突破此類試題的解答。下面筆者以2023年高考生物全國乙卷29題的第(3)小題為例,分析解題思路并構(gòu)建實驗設(shè)計思路題的解題模型。

1.構(gòu)建解題模型

1.1 典型例題

(2023年,全國甲卷,29題節(jié)選)某同學(xué)將從菠菜葉中分離到的葉綠體懸浮于緩沖液中,給該葉綠體懸浮液照光后有糖產(chǎn)生。回答下列問題。

(3)葉片進行光合作用時,葉綠體中會產(chǎn)生淀粉。請設(shè)計實驗證明葉綠體中有淀粉存在,簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。

【參考答案】(3)思路:分離葉綠體,用碘液進行顯色反應(yīng)。結(jié)果:反應(yīng)結(jié)果顯藍(lán)色。

1.2 解題模型構(gòu)建過程

1.2.1 依據(jù)題目確定實驗?zāi)康?/p>

實驗?zāi)康挠小膀炞C性實驗”和“探究性實驗”兩類。驗證性實驗預(yù)期結(jié)果和結(jié)論只有一種。探究性實驗結(jié)果和結(jié)論有多種。本題的實驗?zāi)康氖亲C明葉片在進行光合作用時,葉綠體中有淀粉的存在。

1.2.2 依據(jù)實驗?zāi)康拇_定自變量、因變量和無關(guān)變量

一般情況下,要根據(jù)實驗?zāi)康拇_定實驗的自變量無關(guān)變量和因變量,本題情況特殊,自變量、因變量和無關(guān)變量一目了然。

1.2.3 依據(jù)實驗設(shè)計原則書寫實驗思路

生物學(xué)科實驗設(shè)計主要遵循的原則有對照或?qū)Ρ仍瓌t、單一變量原則和等量原則等。

本題實驗設(shè)計很巧妙:處理的是葉片,但待驗證的是葉綠體中有淀粉的存在,需要用到(1)題和(2)題涉及的分離細(xì)胞器的科學(xué)方法(差速離心法)得到葉綠體,最后通過碘液檢測淀粉。

為了能提升不同層次學(xué)生的快速答題能力和語言組織能力,在書寫解題思路時,教師引導(dǎo)學(xué)生用“三步法”書寫實驗思路。即第一步“取材、分組并編號”,第二步“設(shè)置對照組和實驗組或多個實驗組”,第三步“在無關(guān)變量相同且適宜的條件下,觀察因變量”來組織語言。

1.2.4 利用假說—演繹法預(yù)期實驗結(jié)果和結(jié)論

驗證性實驗的預(yù)期結(jié)論只有一種,本題的假設(shè)只有“葉片進行光合作用時,葉綠體中有淀粉存在”一種,根據(jù)假設(shè)進行演繹推理得出預(yù)期實驗結(jié)果和結(jié)論也應(yīng)只有一種。

2.變式訓(xùn)練 運用解題模型

為了防止學(xué)生對解題模型的“死記硬背”和“機械套用”,需要設(shè)計變式題進行變式訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生通過模型來解決實際問題,實現(xiàn)從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變。

【變式1】(2019·全國Ⅰ卷·29題節(jié)選)將生長在水分正常土壤中的某植物通過減少澆水進行干旱處理,該植物根細(xì)胞中溶質(zhì)濃度增大,葉片中的脫落酸(ABA)含量增高,葉片氣孔開度減小,回答下列問題。

(3)有研究表明:干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,請以該種植物的ABA缺失突變體(不能合成ABA)植株為材料,設(shè)計實驗來驗證這一結(jié)論,要求簡要寫出實驗思路和預(yù)期結(jié)果。

【參考答案】實驗思路:取ABA缺失突變體植株在正常條件下測定氣孔開度,經(jīng)干旱處理后,再測定氣孔開度。預(yù)期結(jié)果:干旱處理前后氣孔開度不變。

實驗思路:將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株隨機均等分成甲乙兩組,在干旱條件下,甲組進行ABA處理,乙組作為對照組,放在其他相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間后,分別測定兩組的氣孔開度。預(yù)期結(jié)果:甲組氣孔開度減小,乙組氣孔開度不變。

【解題思路】

(1)確定實驗?zāi)康模焊鶕?jù)題意可知,實驗?zāi)康臑轵炞C干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的。故實驗應(yīng)分為兩部分:①證明干旱條件下植物氣孔開度變化不是由缺水引起的;②證明干旱條件下植物氣孔開度減小是由ABA引起的。

(2)確定自變量、因變量和無關(guān)變量：實驗的自變量應(yīng)分別為①正常條件和缺水環(huán)境,②植物體中ABA的有無,因變量均為氣孔開度變化,而無關(guān)變量則是實驗材料ABA缺失突變體植株培養(yǎng)條件等。

(3)利用“三步法”書寫實驗設(shè)計思路：由于本題的自變量是正常條件和缺水環(huán)境以及植物體中ABA的有無,所以寫實驗思路時要分別寫。

(4)利用假說—演繹法預(yù)期實驗結(jié)果和結(jié)論：本題實驗為驗證性實驗,其預(yù)期結(jié)論只有一種。

【設(shè)計意圖】此變式題的實驗?zāi)康氖歉珊禇l件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,學(xué)生的易錯點是容易忽略“干旱條件下氣孔開度減小不是由缺水直接引起的”這個隱含實驗?zāi)康牡尿炞C,只設(shè)計干旱條件下氣孔開度減小是由ABA引起的。設(shè)計本變式題的意圖是引導(dǎo)學(xué)生通過上述實驗思路模型解決“因變量的變化不是A引起的,而是由B引起的”的實驗思路題。此類題突破口是A和B都是自變量。

【變式2】(2021·山東卷·23題節(jié)選)過度緊張、焦慮等刺激不僅會導(dǎo)致毛囊細(xì)胞數(shù)量減少引起脫發(fā),也會導(dǎo)致黑色素細(xì)胞減少引起頭發(fā)變白。利用黑色小鼠進行研究得出的相關(guān)調(diào)節(jié)機制如圖所示。

(3)已知長期束縛會引起小鼠過度緊張、焦慮。請設(shè)計實驗驗證上述調(diào)節(jié)機制中長期束縛及腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響。

實驗思路:_______________。

實驗現(xiàn)象:_______________。

【參考答案】實驗思路:取生理狀況相同的黑色小鼠若干只隨機平均分為A、B、C、D四組,A組不處理,B組切除腎上腺,C組束縛,D組切除腎上腺并束縛,放在其他相同且適宜的條件下飼養(yǎng)一段時間后,觀察并記錄小鼠體毛數(shù)量(生長情況)和顏色的變化

實驗現(xiàn)象:A組小鼠的體毛無變化,B組小鼠的體毛增多,不變白,C組小鼠脫毛且變白,D組小鼠毛發(fā)增多(生長旺盛),變白

【解題思路】

(1)確定實驗?zāi)康模罕绢}的實驗?zāi)康氖球炞C上述調(diào)節(jié)機制中長期束縛及腎上腺對毛小鼠體毛的影響。由圖可知上述調(diào)節(jié)機制是指過度緊張和焦慮會導(dǎo)致黑色素細(xì)胞減少,引起體毛變白和導(dǎo)致毛囊細(xì)胞數(shù)量減少,引起脫發(fā)。

(2)確定自變量、因變量和無關(guān)變量：本題的自變量是腎上腺及長期束縛,黑毛小鼠的生理狀況等為無關(guān)變量,因變量是黑色小鼠的體毛顏色變化以及數(shù)量變化。

(3)利用“三步法”書寫實驗設(shè)計思路：本題的自變量是腎上腺及長期束縛,所以需要設(shè)置只切除腎上腺、只束縛和切除腎上腺并束縛三個實驗組和不做處理的對照組。

(4)利用假說—演繹法預(yù)期實驗結(jié)果和結(jié)論：本實驗也是驗證性實驗,預(yù)期觀察到的實驗現(xiàn)象只有一種。

【設(shè)計意圖】此變式題的實驗?zāi)康氖球炞C長期束縛及腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響。學(xué)生的易錯點會出現(xiàn)兩種情況:不設(shè)置“不做處理”的對照組;忽略“腎上腺及長期束縛”這兩個自變量共同對因變量起影響的實驗組。設(shè)計本變式題的意圖是引導(dǎo)學(xué)生能通過上述實驗思路模型解決“自變量A與B之間的關(guān)系對因變量的影響”這類實驗思路題。

【變式3】(廣東梅州模考節(jié)選)油菜素內(nèi)酯是一種新型植物內(nèi)源激素,主要分布在植物伸長生長旺盛的部位。由于其生理活性大大超過現(xiàn)有的五種激素,已被國際上譽為第六激素。表是不同濃度的油菜素內(nèi)酯溶液對芹菜幼苗生長影響的實驗結(jié)果。請回答相關(guān)問題:

油菜素內(nèi)酯濃度(mg/L)00.100.200.300.400.50平均株高(cm)162038514224

(3)若利用本實驗數(shù)據(jù)進一步測定油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的最適濃度,請簡述實驗設(shè)計思路和預(yù)期結(jié)果。

【參考答案】實驗思路:在濃度0.2～0.4 mg/L 之間配制一系列濃度梯度的油菜素內(nèi)酯溶液,分別處理生長狀況相同的芹菜幼苗,放在相同且適宜的條件下培養(yǎng)一段時間后,測量并計算每組芹菜幼苗的平均株高。

預(yù)期結(jié)果:芹菜幼苗平均株高最高對應(yīng)的油菜素內(nèi)酯的濃度為促進芹菜生長的最適濃度。

【解題思路】

(1)確定實驗?zāi)康模罕緦嶒灋樘骄款悓嶒?實驗?zāi)康氖菧y定油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的最適濃度。

(2)確定自變量、因變量和無關(guān)變量：根據(jù)實驗?zāi)康目芍緦嶒灥淖宰兞渴怯筒怂貎?nèi)酯的濃度,無關(guān)變量為芹菜幼苗的生長狀況等,因變量是芹菜幼苗的平均株高。

(3)利用控制變量的科學(xué)方法設(shè)計實驗思路：從表格數(shù)據(jù)可以看出油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的適宜濃度范圍是0.2～0.4 mg/L,故要進一步測定油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的最適濃度,可以在濃度0.2～0.4 mg/L之間配制一系列濃度梯度的油菜素內(nèi)酯溶液進行探究。

(4)預(yù)期實驗結(jié)果：本實驗的結(jié)果為定性結(jié)果,作答時注意表述。

【設(shè)計意圖】本變式題的實驗?zāi)康氖菧y定油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的最適濃度。此變式題的易錯點是學(xué)生不能厘清“測定油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的最適濃度”與“不同濃度的油菜素內(nèi)酯對芹菜幼苗生長作用的影響”的區(qū)別,誤把實驗思路設(shè)置成“探究不同濃度的油菜素內(nèi)酯對芹菜生長作用的影響”。這兩種實驗的區(qū)別是設(shè)置一系列濃度梯度的油菜素內(nèi)酯溶液,也就是對自變量的處理不同。設(shè)計本變式題的意圖是引導(dǎo)學(xué)生利用上述實驗思路模型來解決“測定影響因變量的最適濃度(最適溫度、最適pH)”的實驗思路題。