“雙自變量”實驗題型分類解析

崔麗丹 侯金海

(河北省石家莊市第二中學)

對實驗設計與分析的考查是高考生物試題中的重難點和亮點,而正確分析變量并規(guī)范表述對正確解題有至關重要的作用。復雜的實驗設計往往有多個自變量,由于分析的情況比較復雜,通常是考生解題中難以正確把握和捋順思路的“卡”點。本文整理了四類關于“雙自變量”實驗設計題型的經(jīng)典考查方向,并梳理出了這四類題型的解題模式,讓考生對這一類實驗解題不再迷茫。

(一)“探究變量A或B能對因變量起作用”的類型

【題型分析】通過讀題,首先應抓住該題型中兩個變量之間是“并列且互不干擾的關系”這一關鍵特征,在設計實驗時應注意實驗組別之間變量的設計需單一且平行。要探究兩個自變量“各自”的作用,可將“分別加自變量”的實驗組與“不加自變量”的空白對照組進行比較。也就是說,兩個施加自變量的組別均為實驗組?？赡艿膶嶒灲Y(jié)果:只有A能對因變量起作用;只有B能對因變量起作用;A、B均能對因變量起作用;A和B均不能起作用。因此實驗結(jié)果具有多種可能性,不能遺漏。

【典例一】(原創(chuàng))某科研小組用以下反應代替?zhèn)鹘y(tǒng)葉圓片上浮法,以探究適宜的光照強度和CO2濃度是否均參與光合作用中O2的產(chǎn)生。反應的基本原理是將離體的葉綠體加入DCIP(二氯酚靛酚)溶液,若水被分解產(chǎn)生O2等,溶液中的DCIP被還原后顏色變淺或呈現(xiàn)無色,則可通過顏色變化來檢測光合作用中O2的產(chǎn)生情況。已知在適宜的光照強度和CO2濃度環(huán)境中,離體的葉綠體中加入的DCIP溶液會變淺。請根據(jù)實驗目的簡要寫出實驗思路并預期結(jié)果和結(jié)論。

【答案】分別將實驗材料隨機等量分為三組,甲組置于適宜的光照強度和CO2濃度環(huán)境中,乙組置于黑暗、與甲相同的CO2濃度環(huán)境中,丙組置于無CO2、與甲相同的光照強度中,其他條件相同且適宜,通過觀察溶液顏色變化檢測O2的產(chǎn)生情況。

預期結(jié)果:

若甲組、丙組變淺,乙組不變淺,則只有光照強度能影響光合作用中O2的產(chǎn)生。

若甲組、乙組變淺,丙組不變淺,則只有CO2能影響光合作用中O2的產(chǎn)生。

若甲組變淺,乙組和丙組均不變淺,則光照強度和CO2均能影響光合作用中O2的產(chǎn)生。

【解題點睛】題干中重要信息點:探究適宜的光照強度和CO2是否均能對光合作用中O2的產(chǎn)生有影響。從該實驗目的可知,進行實驗設計時需分別設置“僅無光照”和“僅無CO2”的實驗組,以和不做處理的“適宜的光照強度和CO2濃度環(huán)境”組形成對照,從而突出對不同單一變量的控制。因題目信息已給出適宜的光照強度和CO2濃度下,離體的葉綠體中加入的DCIP溶液會變淺,故預期結(jié)果無需考慮二者均不起作用的情況。預期結(jié)果為三種情況且缺一不可,在實驗結(jié)果表述時應注意表達方式:“若出現(xiàn)……的結(jié)果,則說明……的結(jié)論?！?/p>

(二)“探究/驗證變量A和B共同對因變量起作用”的類型

【題型分析】該類題型是在題型一的基礎上,明確兩個并列的自變量可能存在共同作用,即要探究/驗證自變量A和B共同對因變量起作用,除了設置跟上述題型一類似的“分別加A或B其中的一個自變量”的實驗組,還應該設置“同時加兩個自變量”的實驗組與之形成比較,此時仍需設置“不加自變量”的空白對照組,用以說明共同起作用的效果。

【典例二】(2017全國Ⅰ卷3題改編)通常葉片中葉綠素含量下降可作為其衰老的檢測指標。為研究細胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)激素共同作用對葉片衰老的影響,請簡要寫出實驗思路。

【答案】將某植物離體葉片分組,并分別置于蒸餾水、細胞分裂素(CTK)、脫落酸(ABA)、CTK+ABA溶液中,再將各組置于光下,一段時間后檢測葉片中葉綠素含量變化。

【解題點睛】從題干信息“研究細胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)對葉片衰老共同作用”可知,“雙自變量”分別是細胞分裂素和脫落酸,因變量的可觀測指標是葉綠素的相對含量。除了設計二者各自的作用,還應設計“不加激素”的空白對照組和“同時添加兩種激素”的實驗組。

(三)“驗證不是變量A而是B對因變量起作用”的類型

【題型分析】本類題型要和題型一加以區(qū)分,即兩個自變量之間并非純粹的并列關系,而是“非此即彼”,既要證明“非此”,又要證明“即彼”。因此解題時應注意,既要驗證實驗結(jié)果不是變量A直接起作用,又要驗證實驗結(jié)果是變量B直接起作用。應分層次根據(jù)實驗目的將總實驗設置成兩個相對獨立的分實驗,對變量進行“加法”處理,依次設置添加單一變量進行驗證。通過“只添加變量A”驗證不是變量A起作用,進一步在“變量A存在的基礎上添加變量B”來驗證實驗結(jié)果是變量B起作用。解題思路的模式如圖1所示:

圖1

【典例三】(2019年全國Ⅰ卷29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,設計實驗來驗證這一結(jié)論。要求簡要寫出實驗思路和預期結(jié)果。

【答案】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。預期結(jié)果是干旱處理前后氣孔開度不變。

將上述干旱處理的ABA缺失突變體植株分成兩組,在干旱條件下,一組進行ABA處理,另一組作為對照組,一段時間后,分別測定兩組的氣孔開度。預期結(jié)果是ABA處理組氣孔開度減小,對照組氣孔開度不變。

【解題點睛】題干中最重要的信息點是“不是...而是...”。借鑒上述模式圖從題干中提煉出重要信息“雙自變量”,“變量A”即缺水,“變量B”即ABA,以及“變量B”實驗的前提“干旱條件下”,因變量的可觀測指標是氣孔開度的大小。接下來將其拆解為兩個看似獨立的“單一變量”分別實驗:

實驗一:驗證氣孔開度減小不是由缺水直接引起的。

實驗二:驗證干旱條件下氣孔開度減小是由ABA直接引起的。

表述時可以利用實驗設置中常規(guī)的模式書寫形式,即“如何設置自變量,如何控制無關變量,如何檢測因變量”。其中每組實驗的對照類型一般可以選擇空白對照,也可以選擇自身前后對照。

實驗一的對照類型可以選擇空白對照,也可選擇自身前后對照,都需對實驗前后的結(jié)果進行對比。實驗二的對照類型無論選擇空白對照,還是自身前后對照,也都需要進行實驗前后對比,才能說明氣孔開度減小,而且始終應在干旱條件下進行。通過上述分析,若實驗一和實驗二都選擇空白對照類型,我們亦可以將實驗化簡為同時設置三個組別進行驗證:

其中組別1和組別2之間圍繞變量A缺水條件展開,組別2和組別3之間圍繞變量B脫落酸ABA展開,這種設計對學生來說也比較直觀。

(四)“驗證變量A通過變量B對因變量起作用”的類型

【題型分析】該類題型自變量之間存在某種邏輯關系,分析時需捋順兩個自變量不是并列且互不干擾,也不是“非此即彼”,而是串聯(lián)一體共同影響因變量的關系。自變量到因變量的邏輯推理存在中間環(huán)節(jié),即變量A通過變量B發(fā)揮作用。解題時應首先在既有A又有B的對照組前提下,將變量進行“減法”處理。即先設計去除變量A的實驗組,可推知預期結(jié)果X理論上不再發(fā)生;接著在去除變量A的實驗基礎上再設置一組添加變量B的實驗組,可推知預期結(jié)果X正常發(fā)生。由此進一步確認實驗結(jié)果的發(fā)生是“變量A”通過“變量B”所導致。解題思路的模式如圖2所示:

圖2

【典例四】(2021年湖南卷19題改編)生長激素對軟骨細胞生長有促進作用,調(diào)節(jié)過程如圖3:

圖3

研究人員擬以無生長激素受體的小鼠軟骨細胞為實驗材料,在細胞培養(yǎng)液中添加不同物質(zhì)分組離體培養(yǎng),驗證生長激素可通過IGF-1促進軟骨細胞生長。實驗設計如表,請完善表格內(nèi)容推測5組培養(yǎng)中的添加的物質(zhì)是________。

組別12345培養(yǎng)液中添加物質(zhì)無GHIGF-1正常小鼠去垂體后的血清?

【答案】正常小鼠去垂體后加入IGF-1的血清

【解題點睛】利用上述模式圖,我們可以確定該實驗的雙自變量,變量A是生長激素GH,變量B是IGF-1,因變量是軟骨細胞的生長情況。根據(jù)該題示意圖,可以確定軟骨細胞具有GH受體和IGF-1受體。實驗材料為無生長激素受體的小鼠軟骨細胞,故單獨添加GH不會促進軟骨細胞的生長,而單獨添加IGF-1可以促進軟骨細胞的生長。

進而我們需要設計兩組關鍵實驗,其中4組添加了正常小鼠去垂體后的血清,該組是為了對變量進行“減法”處理,去除變量A-GH(生長激素)后,該血清中應既無GH又無IGF-1,所以軟骨細胞生長無明顯變化。接下來需要在去除變量A的基礎上添加變量B,即施加正常小鼠去垂體后又添加IGF-1的血清,預期結(jié)果是軟骨細胞生長現(xiàn)象明顯,才能驗證生長激素可通過IGF-1促進軟骨細胞的生長。

所以可推測E組培養(yǎng)液中添加的物質(zhì)是正常小鼠去垂體后加入IGF-1的血清。