學(xué)科核心素養(yǎng)下高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)類試題解題策略例談

云南 余春權(quán)

(作者單位：云南省曲靖市羅平縣第一中學(xué))

2021年高考全國甲卷生物學(xué)部分以考查基礎(chǔ)知識(shí)為主，未涉及較偏的知識(shí)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)探究能力、綜合運(yùn)用能力、邏輯思維能力為主要考查方向，真正體現(xiàn)了高中生物學(xué)核心理論體系的“一核、四層、四翼”。試卷的主要特點(diǎn)是“回歸教材” “情境化試題比例提升” “有著歷年高考題的影子”，最令考生印象深刻的是非選擇題第30題，該試題以科技研究的熱點(diǎn)問題為情境載體，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，該題使學(xué)科核心素養(yǎng)的選拔功能得到了最大化的體現(xiàn)，因此歸納、總結(jié)實(shí)驗(yàn)類試題的解題策略意義重大。

一、原題分析

【例1】(2021年，全國甲卷，第30題)用一段由放射性同位素標(biāo)記的DNA片段可以確定基因在染色體上的位置。某研究人員使用放射性同位素32P標(biāo)記的脫氧腺苷三磷酸(dATP，dA-Pα～Pβ～Pγ)等材料制備了DNA片段甲(單鏈)，對(duì)W基因在染色體上的位置進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)流程的示意圖如圖1所示。

圖1

回答下列問題：

(1)該研究人員在制備32P標(biāo)記的DNA片段甲時(shí)，所用dATP的α位磷酸基團(tuán)中的磷必須是32P，原因是________。

(2)該研究人員以細(xì)胞為材料制備了染色體樣品，在混合操作之前去除了樣品中的RNA分子，去除RNA分子的目的是________。

(3)為了使片段甲能夠通過堿基互補(bǔ)配對(duì)與染色體樣品中的W基因結(jié)合，需要通過某種處理使樣品中的染色體DNA________。

(4)該研究人員在完成上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又對(duì)動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)某基因的mRNA進(jìn)行了檢測，在實(shí)驗(yàn)過程中用某種酶去除了樣品中的DNA，這種酶是________。

【試題詳解】

根據(jù)題意，通過有32P標(biāo)記的DNA分子與被測樣本中的W基因進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)，形成雜交帶，可以推測出W基因在染色體上的位置。

(1)該實(shí)驗(yàn)的目的是利用放射性同位素標(biāo)記的DNA片段來確定基因在染色體上的位置，故要制備有32P標(biāo)記的DNA片段甲，就要使α位的P為32P，而dATP去掉β位和γ位的P，剩余部分(即α位P)可作為合成DNA的原料，用以合成有32P標(biāo)記的DNA片段甲。

(2)當(dāng)樣品中的RNA和DNA共存時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)DNA與RNA發(fā)生互補(bǔ)結(jié)合的狀況，故在混合操作之前要去除樣品中的RNA分子，以避免DNA片段甲與RNA發(fā)生互補(bǔ)結(jié)合。

(3)DNA分子是由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，要使片段甲通過堿基互補(bǔ)配對(duì)與染色體樣品中的W基因結(jié)合，就要將雙鏈解開，使其形成單鏈。

(4)該種酶能夠去除樣品中的DNA，故其為DNA水解酶。

【試題性質(zhì)】

為了檢測例1的難度，筆者選擇5 000名高二升高三的學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，受試學(xué)生涵蓋了不同層次的學(xué)生，受試前學(xué)生都沒有接觸過試題、答案及有關(guān)試題的其他信息，5 000名被測試者的檢測結(jié)果如表1所示。

表1

本題總分9分，5 000名被測試者的檢測結(jié)果表明：①本題對(duì)學(xué)生成績離散程度較低，優(yōu)、良、中、差學(xué)生區(qū)分明顯，試卷難度較大，大部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)類試題解題所需的知識(shí)儲(chǔ)備不完整、缺乏歸納解題的方法、解題的技巧有待提升、解題的策略需要?dú)w納總結(jié)；②高考生物學(xué)實(shí)驗(yàn)類試題注重考查學(xué)生的關(guān)鍵能力和學(xué)科核心素養(yǎng)，注重考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決具體問題的能力；③試題強(qiáng)調(diào)考查知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，注重理論聯(lián)系實(shí)際，試題涉及不同模塊內(nèi)考點(diǎn)的縱向聯(lián)系；④能力方面著重考查學(xué)生獲取信息的能力、分析問題的能力、邏輯推理能力、實(shí)驗(yàn)與探究能力、綜合運(yùn)用能力和語言表達(dá)能力，注重考查生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、學(xué)科核心素養(yǎng)下實(shí)驗(yàn)類試題解題策略

(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康念?/h3>

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖歉呖紝?shí)驗(yàn)類試題中常見的考查形式，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍?shí)驗(yàn)的有機(jī)組成成分，是實(shí)驗(yàn)實(shí)施的目標(biāo)和指南，也是解決實(shí)驗(yàn)類問題的先決條件。一部分試題會(huì)在試題的真實(shí)情境中直接給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；一部分試題則會(huì)直接考查實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。筆者通過對(duì)大量考查實(shí)驗(yàn)?zāi)康念愒囶}的分析、歸納、總結(jié)，得出實(shí)驗(yàn)?zāi)康念愒囶}解題的表達(dá)模型：驗(yàn)證(探究)+自變量+對(duì)象+因變量+作用(影響)。

【例2】喜溫植物幼苗在低溫(10 ℃)鍛煉6天后，接著進(jìn)行冷脅迫(2 ℃)12 h，其細(xì)胞內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD，該酶能減緩植株的衰老)活性的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。回答下列問題：

圖2

本實(shí)驗(yàn)的目的是________。

【參考答案】探究低溫鍛煉是否能提高植物的抗寒能力

【解題策略】據(jù)圖2可知，該實(shí)驗(yàn)是探究性實(shí)驗(yàn)，自變量是“是否接受低溫鍛煉處理”，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是“喜溫植物”，因變量是“細(xì)胞內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化”。結(jié)果顯示，未鍛煉的植物在冷脅迫前后酶的活性下降程度明顯高于經(jīng)過鍛煉的植株；無論脅迫前還是脅迫后，鍛煉后的SOD活性都明顯上升，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡谋磉_(dá)模型得出該實(shí)驗(yàn)的目的為“探究低溫鍛煉是否能提高植物的抗寒能力”。

(二)實(shí)驗(yàn)原理類

實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)和思路。高考中的實(shí)驗(yàn)原理類試題主要有兩類：一是檢測類試題，該類試題的實(shí)驗(yàn)原理一般是教材上的相關(guān)理論知識(shí)，學(xué)生應(yīng)該用有關(guān)的生物學(xué)原理分析該實(shí)驗(yàn)考的是教材中哪一模塊的知識(shí)，抽離出該部分的知識(shí)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)原理的“核心”；二是提供一個(gè)已完成的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的過程和步驟等填寫實(shí)驗(yàn)原理，該類實(shí)驗(yàn)原理的表達(dá)模型：生物學(xué)原理+自變量(設(shè)置處理)和因變量(檢測指標(biāo))之間的關(guān)系。

【例3】某同學(xué)有喝牛奶的習(xí)慣，在學(xué)習(xí)了細(xì)胞的化合物知識(shí)后，他想知道牛奶中有無還原糖和蛋白質(zhì)。下面是其未設(shè)計(jì)完的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)幫助他完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄磕称放婆Ｄ讨杏袩o還原糖和蛋白質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)原理：________。

材料用具：略。

【參考答案】還原糖與斐林試劑反應(yīng)呈磚紅色，牛奶中若含有還原糖，則會(huì)出現(xiàn)磚紅色；蛋白質(zhì)與雙縮脲試劑反應(yīng)呈紫色，牛奶中若含有蛋白質(zhì)，則會(huì)出現(xiàn)紫色

【解題策略】基于題目情境可知，試題涉及的生物學(xué)原理是還原糖和斐林試劑在水浴加熱的條件下反應(yīng)生產(chǎn)磚紅色沉淀，蛋白質(zhì)和雙縮脲試劑反應(yīng)產(chǎn)生紫色絡(luò)合物。自變量為“是否加斐林試劑或是否加雙縮脲試劑”，因變量為“是否發(fā)生反應(yīng)”，檢測指標(biāo)為“是否出現(xiàn)磚紅色沉淀或紫色絡(luò)合物”，分析后利用關(guān)鍵詞和實(shí)驗(yàn)原理表達(dá)模型即可將該實(shí)驗(yàn)的原理表述出來。

(三)實(shí)驗(yàn)思路類

實(shí)驗(yàn)思路是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)探究的具體呈現(xiàn)形式，同時(shí)也是對(duì)學(xué)生理解能力、分析能力、信息提取與處理能力、語言表達(dá)能力等方面的綜合考查。實(shí)驗(yàn)思路類試題是近幾年高考的必考題型，該類試題難度較大，學(xué)生掌握起來難度也較大，該類試題的解題表達(dá)模型：材料的選擇及處理+分組編號(hào)+設(shè)置對(duì)照(變量處理)+培養(yǎng)和觀察(檢測)。學(xué)生在表達(dá)時(shí)，應(yīng)使用學(xué)科專業(yè)術(shù)語進(jìn)行準(zhǔn)確、完整的表述，要考慮實(shí)驗(yàn)材料選擇什么、實(shí)驗(yàn)材料是否需要處理，特別要考慮怎樣表述才能使對(duì)照實(shí)驗(yàn)遵循單一變量原則，如實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組所用的試劑的量要表述出“相同”“適量”“等量”，培養(yǎng)條件要求是“在相同且適宜條件下培養(yǎng)一段時(shí)間”，處理的時(shí)間或次數(shù)要表述出“相同且適宜”，觀察(檢測)的指標(biāo)應(yīng)明確表述等。

【例4】(2021年，全國乙卷，第29題節(jié)選)生活在干旱地區(qū)的一些植物(如植物甲)具有特殊的CO2固定方式。這類植物晚上氣孔打開吸收CO2，吸收的CO2通過生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中；白天氣孔關(guān)閉，液泡中儲(chǔ)存的蘋果酸脫羧釋放的CO2可用于光合作用?；卮鹣铝袉栴}：

(3)若以pH作為檢測指標(biāo)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證植物甲在干旱環(huán)境中存在這種特殊的CO2固定方式。(簡要寫出實(shí)驗(yàn)思路和預(yù)期結(jié)果)

【解題策略】(3)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料是植物甲且不需要預(yù)先處理，該實(shí)驗(yàn)的自變量是“植物甲所處的生存環(huán)境是否干旱”，由于夜間氣孔打開吸收CO2，生成蘋果酸儲(chǔ)存在液泡中，導(dǎo)致液泡pH降低，故可通過檢測液泡的pH驗(yàn)證植物甲存在該特殊方式，即因變量(檢測指標(biāo))是“液泡中的pH”。實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)自變量，故可將實(shí)驗(yàn)分為A、B兩組，設(shè)置A組為對(duì)照組，置于濕度適宜的正常環(huán)境中，B組置于干旱環(huán)境中?；谝陨戏治?，利用上述總結(jié)的表達(dá)模型就可以解答此題。

(四)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)論類

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象對(duì)客觀事實(shí)的具體描述，即對(duì)因變量檢測結(jié)果的描述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)應(yīng)注意明確自變量和檢測指標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，從而得出結(jié)果。需要特別注意是，并不是一次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或者一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就能夠呈現(xiàn)出全部的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。基于此，作答時(shí)應(yīng)注重多組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，獲得平均值，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)論是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納和推理而獲得的定性或者定量的表述，可能是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋，或是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步推測和升華，實(shí)驗(yàn)結(jié)論要與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南鄬?duì)應(yīng)。需要注意的是，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)表述時(shí)，只表述驗(yàn)證的結(jié)論；而探究性實(shí)驗(yàn)是預(yù)測，結(jié)果和結(jié)論可能有很多種，一定要注意結(jié)果和結(jié)論的多樣性，在表述時(shí)要對(duì)應(yīng)分別表述。

【例5】(2019年，全國卷Ⅱ，第37題節(jié)選)物質(zhì)W是一種含氮有機(jī)物，會(huì)污染土壤。W在培養(yǎng)基中達(dá)到一定量時(shí)培養(yǎng)基表現(xiàn)為不透明。某研究小組欲從土壤中篩選出能降解W的細(xì)菌(目標(biāo)菌)?；卮鹣铝袉栴}。

(3)土壤中的某些微生物可以利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈?。若要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定甲、乙菌能否利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈?，?qǐng)簡要寫出實(shí)驗(yàn)思路、預(yù)期結(jié)果和結(jié)論，即________。

【參考答案】(3)將甲、乙菌分別接種在無氮源培養(yǎng)基上，若細(xì)菌能生長，則說明該細(xì)菌能利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈?/p>

【解題策略】(3)基于題目情境分析可知，該題為探究類實(shí)驗(yàn)試題，目標(biāo)菌能夠利用空氣中的氮?dú)庾鳛榈?，故選用的篩選培養(yǎng)基應(yīng)不添加氮源，能夠在無氮源的培養(yǎng)基上生存的細(xì)菌便是目的細(xì)菌，故得出具體的實(shí)驗(yàn)操作。

三、結(jié)論

綜上所述，筆者通過多年生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的歸納、總結(jié)，對(duì)部分經(jīng)典實(shí)驗(yàn)類試題進(jìn)行研究、分析，從中提煉出實(shí)驗(yàn)?zāi)康念悺?shí)驗(yàn)原理類、實(shí)驗(yàn)思路類、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論類，四類經(jīng)典實(shí)驗(yàn)類試題的解題模型，旨在提高教師自身對(duì)實(shí)驗(yàn)類試題的教學(xué)設(shè)計(jì)，促使學(xué)生形成相應(yīng)的科學(xué)探究品質(zhì)，使學(xué)生更加高效地解答相關(guān)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)類試題。