1980年中国北京:生物高考中的“实验探究”

“提高生物科学素养”、“倡导探究性学习”是实施新一轮课程改革的基本理念，这一理念已转化为高考命题的指导思想与能力要求，并在高考试题中得到了体现。限于高考笔试的特点，尽管高考难以全面考查考生的“探究”能力，但高考对实验与探究能力、信息获取能力等方面的考查，都体现了对探究能力的考查要求。本文侧重就高考中的“实验探究”能力的考查作例析。
    一．基于探究基本技能与方法的考查
任何探究活动都是基于一定的方法和技能而进行的。高考是以考纲为命题依据的，而考纲在内容范围上不超出教学大纲的要求，这就决定了高考中所涉及的探究的基本技能与方法应该是学生学习过的，属于大纲及考纲规定范围之内的。
    [例1]（2005"江苏卷）观察细胞中染色体行为并计数时，使用光学显微镜的正确方法是（ A  ）
    A、低倍镜对焦．将观察目标移至视野中央，转用高倍镜并增加进光量，调焦观察
    B、低倍镜对焦，将观察目标移至视野中央，转用高倍镜并减少进光最．调焦观察
    C、低倍镜对焦，转用高倍镜，将观察目标移至视野中央，减少进光量，调焦观察
    D、高倍镜对焦，将观察目标移至视野中央，增加进光量，绸焦观察
    本题考查显微镜的操作技能。显微镜是进行生物学实验探究活动中最常用的工具。观察细胞分裂过程中染色体的行为和数目，需要使用高倍镜。因为低倍镜下观察的范围大，便于寻找观察目标，所以在使用高倍镜时先用低倍镜找到所要观察的目标，然后将目标移到视野的中央，转用高倍镜，调节焦距进行观察；由于转用高倍镜后视野会变暗，因此需要增加进光量。
    [例2（2005"北京春季卷）为验证光是植物生长发育的必要条件，设计如下实验：选择生长状况一致的小麦幼苗200株，随机均分为实验组和对照组，分别处理并预期结果。下面是关于实验组或对照组的处理方法和预期结果的几种组合，其中正确的是（B）
    ①实验组　②对照组　 ③黑暗中培养　④在光下培养　⑤生长育好　⑥生长不良
    A、②③⑤　　　　B、①③⑥　　　　C、①④⑤　　　　D、②④⑥
    小麦苗在光下培育生长发育良好，在黑暗中培养生长不良，这是常识性的判断，不构成解题的障碍，也非考查的主要目标。本题主要考查对实验组与对照组的判断。实验的特点是人为控制实验变量的观察活动，对于植物来讲常态的是生长在光下的，黑暗中培养（无关照）就是一种人为的控制，所以黑暗中培养是实验组而在光下培养是对照组。
    以上试题分别从一个侧面考查考生对于考纲所规定的教材基础实验方法、技能的掌握情况，这些方法与技能是学生进行探究活动的基础，也是探究能力的基本构成部分。
    二．基于实验分析与评价的考查
    高考对探究能力的考查还体现在要求根据实验原理以及操作分析预期实验结果，根据实验的结果分析其原因等，对给定的实验方案进行分析与评价等多个方面。
[例3]（2005"全国卷Ⅰ）将小麦种子分别置于20℃和30℃培养箱中培养4天，依次取等量的萌发种子分别制成提取液I和提取液Ⅱ。取3支试管甲、乙、丙，分别加入等量的淀粉液，然后按下图加入等量的提取液和蒸馏水，45℃水浴保温5分钟，立即在3支试管中加人等量斐林试剂并煮沸2分钟，摇匀观察试管中的颜色。结果是（ D ）
    A、甲呈蓝色，乙呈砖红色，丙呈无色  
    B、甲呈无色，乙呈砖红色，丙呈蓝色
    C、甲、乙皆呈蓝色，丙呈砖红色
    D、甲呈浅砖红色，乙呈砖红色，丙呈蓝色
    本题要求根据实验的操作,对实验的结果进行预期，综合地考查了考生的实验能力、思维能力以及相关基础知识。对实验结果预期的基本思路是：温度→种子萌发过程中成分变化→对淀粉分解的影响→显色反应。需要作出的判断是：30℃更有助于种子的萌发；种子萌发过程中淀粉等储备的能源物质将被水解后用于呼吸作用，淀粉的水解需要淀粉酶；淀粉分解后的麦芽糖是一种还原性糖，与斐林试剂反应会生成砖红色的沉淀。
   [例4]（2004年春季北京卷）为了研究胰腺的胰液分泌调节，某人从实验狗甲的一段小肠刮下黏膜，将该黏膜放入稀盐酸中浸泡，把过滤后的提取液注入实验狗乙的静脉，结果引起实验狗乙的胰液大量分泌，并由此得出“小肠黏膜中存在促进胰液分泌的某种物质”的结论。分析这一实验与结论，回答下列问题：
    仅根据上述实验能否得出该结论，为什么？
答案：不能。缺少对照实验，未排除稀盐酸的作用
本题通过对实验设计方案的分析与评价，考查学生对于实验设计原则的理解与掌握。在科学实验中，对照是基本的原则，通过对照排除无关变量对实验结果的影响，使实验变量成为单一变量，从而才能得出实验结论。本实验中，大量分泌胰液的原因是注射了用盐酸浸泡过小肠黏膜提取液，那么到底是小肠粘膜中物质的作用还是盐酸的作用呢？显然本实验是无法给出答案的，因此必须添加对照实验，以排除盐酸对狗分泌胰液的影响。
    通过对实验方案以及实验结果的分析与评价考查学生的实验能力，也是近几年高考中的一种常见类型。题目给出的实验方案是否科学，实验过程设计是否合理，实验结果的预期与分析是否得当，需要考生具备相关知识、技能和能力才能作出判断。
   [例5]（2005"广东卷）荔枝是著名的岭南佳果。其果皮中存在多酚氧化酶，多酚氧化酶能够氧化果皮中的一些无色物质，形成褐色物质。这是引起采后荔枝果皮褐变的原因之一，褐变的发生严重影响了荔枝的保鲜效果：果皮褐变面积百分率．常作为荔枝保鲜效果的指标，在不考虑其它因素影响褐变的前提下，利用上述现象．以荔枝果皮褐变面积百分率为多酚氧化酶活性的指标，某同学设计了一个实验，旨在探究温度对荔枝果皮内多酚氧化酶活性的影响。
    (1)请补充下列实验设计中空缺的内容：
    ①设计温度梯度：5℃、lO℃、15℃、20℃、25℃、30℃
    ②确定测量指标：荔枝果皮褐变面积百分率；
    ③选择同一品种、         和成熟度一致且无机械损伤的新鲜荔枝果实，将其分成      组，每组数量       ，装入保鲜袋并作好标签后．分别放入相应温度的恒温箱中；
    ④经过5天后，取出荔枝果实．测定并记录褐变面积．
    （2）请据右图分析实验结果。
    (3)请结合上述实验结果，指出对荔枝具有较好保鲜效果所需的温度范围。
    (4)削皮后的苹果和马铃薯容易发生褐变，请据此分析要选择无机械损伤的荔枝果实为实验材料的原因。
    (5)在完全无氧条件下，多酚氧化酶将无法催化上述的褐变反应过程。如果在此条件下．荔枝果皮不会发生褐变，可否在此条件下贮藏荔枝?为什么?
    (6)除上述温度、氧和机械损伤以外．还有哪些因素影响果蔬保鲜效果，请提出两种相应的保鲜措施。
    答案：（1）大小  6  相等；  （2）在5～30℃范围内，荔枝果皮褐变面积百分率随温度升高而增加，表明果皮内多酚氧化酶活性随温度的升高而增强。   （3）0～15℃    （4）机械损伤的荔枝易发生褐变，从而影响实验结果的准确性    （5）不可以。因为在完全无氧条件下，果实的有氧呼吸停止，但无氧呼吸明显加强，造成酒精的大量积累，从而对细胞造成毒害，引起果实腐烂    （6）①控制水分如采用薄膜包装或表面喷涂果蜡等；②防止微生物感染如采后对果蔬进行杀菌处理  。
    本题模拟了一个真实的学生探究活动，从不同角度进行了考查考生的实验探究能力。
    （1）实验通过设计6组实验来探究温度对荔枝果皮内多酚氧化酶活性的影响。显然，这6组实验中，除温度这一变量外，其他对实验结果会产生影响的变量，如荔枝果实的品种、大小、成熟度、果实的完好程度以及每组荔枝果实的数量等，都是必须控制的无关变量，在各组实验中都必须保持一致。
    （2）试题以坐标曲线的形式表示实验的结果，从坐标图中不难看出，在实验温度范围（5～30℃）内荔枝果皮褐变面积百分率随温度升高而增加。但本题要探究的是温度对荔枝果皮内多酚酶活性的影响，褐色面积的百分率是多酚酶活性的指标。因此，实验结果表明了果皮内多酚氧化酶活性随温度的升高而增强。
    （3）对荔枝果实的保鲜，就是要控制多酚酶的活性，从曲线可看出0～15℃范围荔枝果皮内褐变面积百分率增长速度慢，从15℃开始荔枝果皮内褐变面积百分率增长速度越来越快。因此可将温度控制在0～15℃范围内。
    （4）生活中削皮后的苹果和马铃薯容易发生褐变，这是机械损伤加快了褐变，同理机械损伤的荔枝也易发生褐变，从而影响实验结果的准确性。
    （5）荔枝果皮细胞在有氧条件下会进行有氧呼吸，在一定的氧气范围内随氧气浓度的增加而增强，在无氧条件下会进行无氧呼吸，产生酒精。故在完全无氧条件下，多酚氧化酶将无法催化发生褐变反应过程，但此条件下荔枝果皮细胞无氧呼吸明显加强，造成酒精的大量积累，从而对细胞造成毒害，引起果实腐烂。
    （6）影响果蔬保鲜的因素是多样的，除温度、氧和机械损伤外，水分的含量、微生物的感染也都可能对果蔬保鲜产生影响。
    本题第（1）小题考查的实验设计过程中材料的选择以及对照实验的设置问题；第（2）小题考查的是实验结果的处理。用数学模型（本题中的坐标图）处理实验结果，并对结果作出分析得出结论的能力；第（3）至（6）则是探究结果的迁移与应用。试题侧重在分析与运用的角度，很好地考查了考生的探究能力。
    三．基于探究方案设计的考查
    高考对探究能力的考查是多方面的，如能提出探究的问题、确定变量、作出假设和预期、设计可行的研究方案、利用数学方法处理和解释数据、根据数据作出合理的判断等。在各类试题中，设计探究实验的方案类的试题，可以更综合、全面地考查考生的探究能力，这也是高考中最常见的试题类型之一。
     [例6] （2005"广东生物）研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液l00OmL。利用以下实验材料和器材设计实验，探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。
    实验材料和器材：水稻种子：试管：培养皿；纱布：尺子（l00mm)；蒸馏水；恒温光照培养箱，温度设定为28℃，光强度为200O Lux）；(实验材料和器材的数量不限)
根据给出的实验材料和器材．请设计实验方法和步骤．预测实验结果并作出分析。
    (1)方法和步骤：
    (2)结果预测和分析：
    答案：（1）方法和步骤：
    ①用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10、102、103、104倍（稀释过程中pH值的变化可不作考虑），获得4种不同浓度的污染液；
    ②挑选籽粒饱满、大小一致的水稻种子250粒，随机分成5组，50粒／组；
    ③取5只培养皿，垫上纱布；其中4只培养皿加人等体积的不同浓度重金属污染液（浸润纱布即可），另1只培养皿加入等体积的蒸馏水作为对照；
    ④在每只培养皿的纱布上，均匀放置50粒水稻种子；
    ⑤将5只培养皿置于恒温光照培养箱培养；每天实验组补充等量的相应浓度重金属污染液，对照组补充等体积的蒸馏水，以保持纱布的湿润；
    ⑥1周后统计各组的发芽率；用尺子测量幼苗株高（或根长），计算其平均值。
    （2）结果预测和分析：
不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发均有抑制作用，随着浓度的增加，萌发率逐渐降低；不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用，随着浓度的增加，株高（或根长）逐渐降低。
    本题要求探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。根据实验的要求，本实验的操作变量应是不同浓度的重金属污染液，可通过稀释污染液原液的方法获得，根据实验的需要可将污染液原液稀释10倍、100倍、1000倍等，形成若干组溶液，并以蒸馏水为对照。实验的反应变量必须是可观察测量的，实验要求探究的是对水稻种子萌发和生长的影响，对种子萌发的影响可统计种子的萌发率，对水稻生长的影响可测量幼苗的株高或根长。实验过程中的无关变量有很多，如各组实验中种子的数目、大小、饱满程度；培养过程中加入污染液的量与时间等等。这些无关的变量在各组实验中应该保持相同，以排除它们对实验结果的影响。此外，试题中给出的实验材料应注意充分的运用。
    [例7] （2005全国卷Ⅱ）植物叶片表皮上分布有大量的气孔，气孔结构如图所示。当组成气孔的细胞（保卫细胞）吸水后，会膨胀变形，气孔开启；反之细胞失水收缩，气孔关闭。请以放置一小段时间的菠菜为材料设计一个实验，证明气孔具有开启和关闭的功能。要求写出实验材料与主要用具、实验步骤、预测实验结果并作出解释。
     (1)实验材料与主要用具：
     (2)实验步骤：
     (3)预测实验结果并作出解释.
    答案：（1）实验材料与主要用具：菠菜、清水、浓盐水、盖玻片、载玻片、显微镜、吸水纸、滴管、镊子等。
    实验步骤：①取菠菜叶，用镊子剥取表皮。②在载玻片上滴一滴清水，将表皮放入清水中，盖上盖玻片，制成临时装片。③将临时装片放在显微镜的载物台上，先用低倍镜下找到气孔，移到视野中央，再换高倍镜进行观察，记录观察到的气孔状态。④在盖玻片的一侧滴上浓盐水，再另一侧用吸水纸吸取盖玻片下的液体，反复几次。⑤继续观察气孔的变化，并做记录。
    预测实验结果并作出解释：在清水中气孔应开启，因为当细胞液浓度大于细胞外溶液浓度时，保卫细胞吸水膨胀变形，气孔开启。在浓盐水中气孔应关闭，因为当细胞液浓度小于细胞外溶液浓度时，保卫细胞失水收缩，气孔关闭。
    本题要求证明气孔具有开启和关闭的功能。试题告知“当组成气孔的细胞（保卫细胞）吸水后，会膨胀变形，气孔开启；反之细胞失水收缩，气孔关闭”，根据这一信息，要观察气孔的开启与关闭，实际上也就要创造使细胞能够吸水膨胀和失水收缩的条件，如何使细胞吸水和失水呢？显然可利用细胞能够渗透吸水和失水的原理，通过改变细胞外环境溶液的浓度来实现。事实上考生应掌握质壁分离和复原的实验，这里只是这一实验方法和原理的迁移与运用。
    实验所需的材料用具可以通过实验步骤进行思考：显微观察需要显微镜，制作临时装片以菠菜为实验材料，需要载玻片、盖玻片、滴管和清水，替换盖玻片下溶液时还需要浓的溶液（如浓盐水）、吸水纸等材料用具。
    实验与探究能力已成为生物高考中的一个重要目标，这一目标的落实不仅体现了新课程改革的要求，同时对新课程的改革也起到了积极的推动作用。随着新课程改革的深入，高考在探究能力的考查上也必将会作出新的尝试与探索。