高考生物易失分题型及其解题技法指导：第5讲 实验方案的叙写类题目—言简意赅、用语规范

高考生物易失分题型及其解题技法指导
第5讲　实验方案的叙写类题目—言简意赅、用语规范
核心素养视域下的生物学高考，常将实验探究题作为压轴题。学生作答时经常会出现审题不准、思维不清、表达不当等现象，其中失分最严重的就是语言表达欠规范。规范的实验方案内容应包括实验目的、作出假设、实验原理、实验思路、预期实验结果和得出结论等。下面以 “探究土壤微生物的分解作用”为例，重点探讨实验方案中难度较大，学生最易出错的实验目的、实验原理、实验思路的规范性叙写方法。
[典型案例]　落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？
以带有落叶的土壤为实验材料。采用对照实验的方法，设计实验组和对照组。对照组的土壤不作处理(自然状态)；实验组的土壤要进行处理，以排除土壤微生物的作用，同时要尽可能避免土壤理化性质的改变(如将土壤用塑料袋包好，置于60 ℃恒温下处理1 h)。
[价值分析]　此案例的目的是探究落叶在土壤中被分解，是土壤理化因素的作用还是土壤微生物的作用，这是个很好的关于实验探究的命题情境。在进行本实验操作之前，要求学生完整地写出具体实验方案，不仅能保障实验顺利进行，也能训练学生的实验题审答能力。
(一)实验目的规范性叙写
[规范指导]
实验目的的叙写要明确检测、验证或探究的某一生物学事实，如探究(或验证)生命系统内部某一生命要素对另一生命要素的影响或某种环境因素对生命活动的影响等。实验目的的叙写一般包括四个要素：实验性质(验证性或探究性)、实验变量、实验对象(实验材料)和反应变量(图1)。实验目的的规范性叙写，一方面要做到实验目的四要素的完整；另一方面要能正确把握该实验的自变量和因变量，并明晰自变量和因变量的逻辑关系。
本案例以落叶作为实验材料，实验变量是有无微生物，以落叶是否腐烂作为反应变量。故本案例的实验目的可叙写为“探究(实验性质)土壤中落叶(实验对象)腐烂(反应变量)是否与土壤微生物(实验变量)有关”。
[错例警醒]
在实验目的叙写中的错误主要有以下3个方面：
1 对实验目的四要素的描述不准确或缺漏。如“验证土壤微生物的分解作用”，缺少实验对象 土壤中的落叶 ；“落叶是否是在土壤微生物作用下腐烂的”，缺少实验性质 探究 ；“探究土壤中落叶腐烂的原因”，缺少自变量 土壤中微生物 。
2 变量定位错误。如“探究灭菌对土壤中微生物生活的影响”，实验变量和反应变量都定位错误。
3 自变量和因变量逻辑关系错误。如“探究落叶对土壤微生物分解作用的影响”，学生未能明确本实验自变量和因变量的逻辑关系。)
(二)实验原理规范性叙写
[规范指导]
实验原理是指科学实验探究活动中实验方法、实验操作和检测方法等所依据的科学理论。生物学实验就是采用一定实验手段操控实验变量，使其施加于实验对象，然后观察和检测反应变量改变的情况，从而得出科学结论。因此，实验原理应包括操控自变量的原理、自变量作用的原理和检测因变量的原理(图2)。其中，操控自变量的原理包括材料选择、试剂选择和操作方法等的依据。
本案例中将土壤用塑料袋包好，置于60 ℃恒温下处理1 h，可以灭活土壤中的微生物，是操控自变量的理论依据。以落叶的变化量作为观察指标是因为土壤中落叶在微生物分解作用下，质量会减少。因此，依据图2所示思维模式图，本实验原理是“在60 ℃恒温1 h条件下，土壤中的微生物将会全部死亡，但土壤理化性质不会发生改变(操作原理)，微生物具有分解作用(自变量作用的原理)，落叶在微生物分解作用下，质量就会减少(检测原理)”。
[错例警醒]
在实验原理叙写中的错误主要有以下2个方面：
(1)思维混乱，答非所问。例如，“将落叶掩埋在土壤内部，使其发生作用”“控制变量法、平行对照”等。
(2)缺步作答，对而不全。例如，“微生物具有分解作用，能够将落叶分解成无机物”(缺少操控原理和检测原理)。　　　　
(三)实验思路规范性叙写
[规范指导]
实验思路就是按照实验目的，依据相关的生物学规律和原理，采用科学实验方法，选择恰当的实验材料和仪器，制定出科学的实验实施方案。
“实验思路设计”题在近年高考中出现频率非常高，对学生科学思维和科学探究能力水平提出了更高的要求。实验思路题的审答思维应该先从实验目的入手(分析实验目的四要素)，再选用合理的对照方法，创设实验条件，设计恰当的方案，最后理清思路、组织语言(图3)。
本案例的实验目的是探究土壤中落叶腐烂是否与土壤微生物有关，前面对实验目的叙写的叙述中，已经指出实验目的的四要素。实验变量是土壤中有无微生物，本实验可以确定为空白对照实验，应排除微生物分解作用以外因素的影响。故实验思路是“取同种树叶若干，平均分成两份，一份埋入农田或林地(肥沃)的土壤中，另一份埋入经过灭菌(用塑料袋包好，置于60 ℃恒温箱1 h灭菌)的同样土壤中，在相同且适宜的环境中培养，一段时间后将落叶取出称重比较，得出结论”。
[错例警醒]
在实验思路叙写中的错误主要有以下4个方面：
(1)实验材料选择错误。如“取带有落叶的土壤两份，一份灭菌处理，另一份不灭菌，保持同等且适宜条件，一段时间后，观察两组落叶腐烂情况”，由于土壤中已有落叶难以分离出来，同时其他不定因素较多，不宜直接作为实验材料，应另取新的树叶。
(2)变量判断错误。如“将落叶均分两份，一份灭菌，另一份不处理”，自变量应该是“有无灭菌的土壤”。
(3)对照方法错误。如“将落叶放在灭菌的土壤中，一段时间后，观察落叶是否腐烂”，缺少对照组。
(4)实验条件控制错误。如“将装有等量落叶的塑料袋分别埋入灭菌和未灭菌的土壤中”。用塑料袋装树叶，土壤中微生物将无法对树叶起作用。综上所述，学生叙写实验思路时，错因集中体现在实验目的四要素判断不准、对照方法不正确和实验条件设置不当等方面。　　　　
[针对训练]
1．(2022·枣庄模拟)胰岛素是已知的唯一能降低血糖浓度的激素，对于调节机体各种营养物质代谢、维持正常生命有不可缺少的作用。
(1)进食一段时间后血糖浓度上升，人体可以在下丘脑 ______________的调节下，增加胰岛B细胞分泌胰岛素的量，使得血糖浓度降低，以维持血糖的稳定。人体内需要源源不断地产生激素，以维持激素含量动态平衡的原因是__________________________________
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(2)研究表明，大部分2型糖尿病患者血液中胰岛素含量并不低，称为胰岛素抵抗。据图分析，其原因可能是胰岛素靶细胞中储存GLUT4的囊泡转运至细胞膜过程受阻，也可能是 ________________________________________________________________________
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(3)为验证盐酸二甲双胍能够降低胰岛素抵抗水平(胰岛素抵抗水平＝空腹血糖水平×空腹胰岛素水平÷22.5)，某同学先用高热量食物饲喂小鼠，获得了2型糖尿病模型鼠若干只，又准备了二甲双胍片、安慰剂(一种“模拟药物”，不含二甲双胍片的有效成分，其他特性与二甲双胍片相同)、血糖检测仪、胰岛素检测仪等，应如何进行实验：_______________
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(写出简要的实验思路并预期结果，暂不考虑操作性)。
解析：(1)进食后人体血糖升高刺激下丘脑血糖感受器，使下丘脑通过传出神经作用于胰岛B细胞，引起胰岛素的分泌增加。由于激素一经靶细胞接受并起作用后就被灭活了，因此人体内需要源源不断地产生激素，以维持激素含量的动态平衡。(2)胰岛素抵抗患者体内的胰岛素含量并不低，但是组织细胞对胰岛素的敏感性降低，根据激素作用需与靶细胞膜上的受体结合的特点判断，原因可能是胰岛素靶细胞中GLUT4储存的囊泡转运至细胞膜过程受阻，也可能是靶细胞上胰岛素受体异常，导致胰岛素信号不能正常传递。(3)本实验目的是验证二甲双胍能够降低胰岛素抵抗水平，所用的实验材料应为患有2型糖尿病的个体，实验自变量为是否服用二甲双胍，因变量为实验动物的胰岛素水平和血糖水平，实验中注意单一变量和等量原则，其实验思路及预期结果见答案。
答案：(1)发出的传出神经　激素一经靶细胞接受并起作用后就被灭活了　(2)靶细胞上胰岛素受体异常，导致胰岛素信号不能正常传递　(3)实验思路：A组小鼠给予安慰剂治疗，B组小鼠给予二甲双胍片治疗，一段时间后再分别测定两组小鼠的血糖水平及胰岛素水平，计算并比较胰岛素抵抗水平的变化。由于二甲双胍能够降低胰岛素抵抗水平，故预期实验结果为：A组小鼠胰岛素抵抗水平无明显变化，B组小鼠胰岛素抵抗水平下降。A组小鼠给予安慰剂治疗，B组小鼠给予二甲双胍片治疗，一段时间后再分别测定两组小鼠的血糖水平及胰岛素水平，计算并比较胰岛素抵抗水平的变化。预期实验结果：A组小鼠胰岛素抵抗水平无明显变化，B组小鼠胰岛素抵抗水平下降
2．某种绿藻能利用光能将H2O分解为[H]和O2，[H]可参与暗反应；低氧环境中，该绿藻的叶绿体内产氢酶活性提高，则会将[H]转变为氢气。请回答下列问题：
(1)该绿藻将H2O分解成[H]和O2的场所是叶绿体的______________。
(2)产生氢气会导致该绿藻生长状况不良，从光合作用物质转化的角度分析，原因是________________________________________________________________________________
______________________。
(3)欲探究缺硫对低氧环境中该绿藻产生氢气的影响，请利用该绿藻、完全培养液、缺硫培养液等作为实验材料设计实验。请完善实验步骤、并写出预期的实验结果和结论。
实验步骤：
①________________________________________________________________________，
其中甲组为对照组。
②________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③________________________________________________________________________，
检测两组装置中的氢气产生总量。
预期的结果和结论：______________________________________________________
________________________________________________________________________
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解析：(1)绿藻捕获光能的过程发生在光反应阶段，光反应的场所是叶绿体的类囊体薄膜。(2)光反应阶段产生的[H]，可作为还原剂被暗反应利用，还原三碳化合物形成有机物。若绿藻光反应产生的[H]转变为氢气，则参与暗反应的[H]减少，有机物生成量减少。(3)探究实验遵循单一变量原则，设计的实验步骤：①选取若干生长状况良好的该绿藻随机均分为甲、乙两组，其中甲组为对照组。②将甲组绿藻放在装有适量完全培养液的密闭装置中，将乙组绿藻放在装有等量的缺硫培养液的密闭装置中。③将两组装置放在相同且低氧的环境中培养相同时间后，检测两组装置中的氢气产生总量。预期的结果和结论：若测得乙组中氢气的产生总量高于甲组，说明缺硫促进该绿藻产生氢气；若测得乙组中氢气的产生总量低于甲组，说明缺硫抑制该绿藻产生氢气；若测得乙组中氢气的产生总量与甲组没有显著差异，说明缺硫对该绿藻产生氢气没有影响。
答案：(1)类囊体薄膜　(2)该绿藻光反应产生的[H]转变为氢气，参与暗反应的[H]减少，有机物生成量减少　(3)①选取若干生长状况良好的该绿藻随机均分为甲、乙两组　②将甲组绿藻放在装有适量完全培养液的密闭装置中，将乙组绿藻放在装有等量的缺硫培养液的密闭装置中　③将两组装置放在相同且低氧的环境中培养相同时间后　预期的结果和结论：若测得乙组中氢气的产生总量高于甲组，说明缺硫促进该绿藻产生氢气；若测得乙组中氢气的产生总量低于甲组，说明缺硫抑制该绿藻产生氢气；若测得乙组中氢气的产生总量与甲组没有显著差异，说明缺硫对该绿藻产生氢气没有影响
3．研究发现瘦素是与肥胖相关的激素之一。科学家道格科曼所在的实验室发现了A、B两类超级肥胖的小鼠。科学家推测肥胖小鼠可能缺乏某种食欲抑制因子(后来命名瘦素)或者该因子的受体(瘦素受体)。他们利用A、B肥胖小鼠以及正常小鼠进行实验，通过手术使两种小鼠的血液循环贯通，形成连体小鼠。实验处理和结果如表所示。请回答下列问题。
分组 处理 结果
A 正常小鼠和A小鼠连体 正常小鼠摄食量减少，A小鼠无变化
B 正常小鼠和B小鼠连体 正常小鼠无变化，B小鼠摄食量减少
C A小鼠和B小鼠连体 A小鼠无变化，B小鼠摄食量减少
D 两只正常小鼠连体 两只正常小鼠无变化，摄食量正常
(1)正常情况下，体脂增加使脂肪细胞分泌的瘦素增多，瘦素经 ________运输，作用于下丘脑对应神经中枢，该信号传递至 ________，使小鼠产生饱腹的感觉，减少食物的摄入，进而脂肪合成减少，脂肪细胞瘦素含量降低。
(2)根据实验结果推测，A、B两类小鼠肥胖的原因可能是：A小鼠 ___________________，B小鼠 ______________________________。
(3)第4组是对照实验，对照实验的目的是：________________________________。
(4)人们常说预防肥胖减轻体重应“管住嘴，迈开腿”，适当节食并适量运动比单独节食或运动效果更好。为了验证这一说法，并研究适当节食和适量运动对瘦素含量的影响，请用常规饲养(不节食不增加运动)的肥胖模型小鼠为材料，设计实验并写出简要的实验思路：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)由题意可知，瘦素是一种激素，结合激素调节的特点可知，瘦素经体液运输。大脑皮层是感觉中枢，故该信号传递至大脑皮层，使小鼠产生饱腹的感觉。(2)根据题意可知，肥胖小鼠肥胖的原因为缺乏某种食欲抑制因子(后来命名瘦素)或者该因子的受体(瘦素受体)。若小鼠体内缺乏瘦素，与正常小鼠连体后，正常小鼠的瘦素会作用于该小鼠，使得该小鼠摄食量减少；若小鼠体内缺乏瘦素的受体，与正常小鼠连体后，正常小鼠的瘦素无法作用于该小鼠，该小鼠的食量不变。A小鼠无变化，B小鼠摄食量减少，说明A、B两类小鼠肥胖的原因可能是：A小鼠缺乏食欲抑制因子的受体(无瘦素受体)，B小鼠不能合成食欲抑制因子(无瘦素)。(3)因为该实验需要做连体手术使两种小鼠的血液循环贯通，为了排除连体实验手术对实验结果的影响，需要设置对照实验，即第4组。(4)由题意可知，自变量为是否节食和是否运动，因变量为体重减少量及瘦素含量，遵循实验中的对照原则和等量原则，设计实验思路如下：将常规饲养的肥胖模型小鼠若干随机分为四组，A组为常规组(不节食不增加运动)，B组适当节食，C组适量运动，D组适当节食加适量运动，一段时间后检测小鼠体重减少量及瘦素含量变化。
答案：(1)体液　大脑皮层　(2)缺乏食欲抑制因子的受体(无瘦素受体)　不能合成食欲抑制因子(无瘦素)　(3)排除连体实验手术对实验结果的影响　(4)将常规饲养的肥胖模型小鼠若干随机分为四组，A组为常规组(不节食不增加运动)，B组适当节食，C组适量运动，D组适当节食加适量运动，一段时间后检测小鼠体重减少量及瘦素含量变化