微专题 4 实验分析与设计
学生用书 P199
生物学选择性水平考试要求考生具有实验与探究能力,主要有四个层次的要求:第一,具备理解实
验目的、实验方法和实验操作步骤的能力,掌握相关的操作技能,并将这些实验涉及的原理、方法和技
能等进行综合的运用;第二,具备简单设计实验的能力;第三,具备科学探究的系统思维;第四,运用所
学的生物学知识及实验原理、方法和技能,对给出的实验方案进行修改或完善。
222 5年高考 3年模拟 A版 高考生物学
一、理清构成实验的组分
一个完整的实验通常应该包括实验目的 思路 相关结果和对应的结论 实验思路包含相关
、 、 。
操作和参考指标 经实验操作后 以某种变化为参照 即参考指标 一个实验可以同时选择多个参
。 , ( ,
考指标 得到的现象或数据即结果 分析得出实验结果的原因即结论 不同类型的实验 设计过程
) , 。 ,
有所区别 如图所示
, 。
单纯性验证某个生物学事实 一般不需要 蛋白 具有 水解酶活性 能够利用水解
, , ATP ,
设置对照组 仅由一个实验组即可完成 如验 释放的能量逆浓度梯度跨膜转运 将
+
, 。 ATP H 。
证某病原体的蛋白质 的片段可以出现在吞 某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定 的溶液
(A) pH
噬细胞的溶酶体中 相关的操作 针对性操作 中 假设细胞内的 高于细胞外 置于暗中
, ( ) ( pH ),
可以是用放射性同位素标记蛋白 将其在含 一段时间后 溶液的 不变 再将含有保卫
A, , pH 。
细胞的该溶液分成两组 一组照射蓝光后溶
有吞噬细胞的培养液中培养 一段时间后采用
,
,
液的 明显降低 另一组先在溶液中加入
差速离心法分离溶酶体 参考指标是溶酶体的
; pH ;
的抑制剂 抑制 水解 再用
放射性 结果是溶酶体有放射性 +
; 。 H -ATPase ( ATP ),
蓝光照射 溶液的 不变
若设计实验研究某种因素对某一生命活动的 , pH 。
这一案例首先阐述了一个信息,即交代了
+
影响时 通常需要多个实验组 有时还需要设置对 H-ATPase
, , 的作用,根据描述,可将其转化为生理过程类示意图(图 )。
照组 设置对照组的目的是排除非测试因素对实 1
。
验结果的干扰 以提高实验结果的可信度 实验
, 。
中 各组的操作包含相同操作和不同操作
, 。
分析下面的案例
:
某种 是一种位于膜上的载体
+
H -ATPase 图
1
然后,案例中给出了一个实验,实验中交代了实验思路(相 辑 回答下列问题
。 :
同操作、不同操作、参考指标)和相关结果。实验中各组的 学者在野外考察中发现了一些现象 生活在
(3) :
相同操作就是“将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定
寒冷地带的木本植物 多数体表颜色较深 如
pH , ,
的溶液中(假设细胞内的 高于细胞外)”。实验中,存
叶为墨绿色 茎或枝条为黑褐色 而生活在炎热
pH
, ;
在照射蓝光组,也存在黑暗中进行的组,这是第一个不同
地带的木本植物 往往体表颜色较浅 如叶为
, ,
操作;照蓝光组中有一组加入了 的抑制剂,从
+
H-ATPase 浅绿色 茎或枝条为浅灰色 有些学者对此现象
而抑制 水解,照蓝光组中另一组则没有加入该抑制 , 。
ATP 的解释是 在寒冷环境下 深色体表的植物能吸
剂,这是第二个不同操作。实验所选用的参考指标是溶液 : ,
收较多的太阳能 有利于维持细胞内酶的活性
中 的变化。实验的 种操作,可以看作是实验的分组 , 。
pH 3
某同学设计了实验方案以验证学者们的解
过程(假设为 、、 三个组)。据此可以制成下表(“ ” Ⅰ.
abc +
释是否正确 在 各环节的选项中 分别
表示是或能或有变化,“ ”表示无或无变化)。 。 ①②④ ,
-
选择 项 填入方案中的空格 完善一套实
操作 1—2 , ,
参考指标
不同操作 验方案 使之简单 可行
(因变量) , 、 。
相同操作 (自变量操作) 实验材料或器材的选择 预处理
(无关变量操作) 是否照 能 溶液中 ① 、 : ;
ATP pH 两组等容量的烧杯 烧杯内盛满水
射蓝光 否水解 的变化 A. ,
将某植物气孔的 两种生长状态类似且体表颜色深浅有明显差
B.
a 保卫细胞悬浮在 - + - 异的灌木
分
一定 的溶液中 (下降)
组 b pH + + + 一组烧杯的外壁均涂上油漆 另一组不涂
并置于黑暗中一 C. ,
所有植物根植于相同条件的土壤中
c 段时间 + - - D.
选定正确的监测指标
② : ;
植物生物量的增加值 温度
结合图 ,分析表中内容:、 组相比, 水解的 A. B.
1 ab ATP 植物根长的增加值 植物高度的增加值
功能均正常,但只有蓝光照射后,溶液中的 才能下 C. D.
pH 实验处理和过程 仿照寒冷地带的自然光照
降;、组相比,均有蓝光照射,但只有水解 的功能 ③ :
bc ATP
条件 将两组材料置于低温条件下 每次
正常,溶液中的 才能下降。
pH
, (4℃),
可以发现,溶液中的 要降低(溶液中 增加)必须照 光照 小时 记录处理前后指标的量值 实验
pH H + 5 。 。
射蓝光,同时 + 水解 的功能必须正常(为 + 重复 次
H-ATPase ATP H 3 。
逆浓度梯度运至溶液的过程提供能量);载体蛋白
+ 预测实验结果和得出实验结论 若
H-ATPase
④ 。 ,
位于质膜上。在图 的基础上进行完善,如图 所示。
1 2 则学者们的说法成立 否则无法成立
; 。
深色组水体的温度值高于浅色组
A.
深色组植物体表的温度值高于浅色组
B.
深色组植物高度的增加值大于浅色组
C.
深色组与浅色组测得的指标差异显著
D.
图
2 分析:见表。
综上所述,本实验的实验目的是探究载体蛋白
+
H -
实验组分 内容
的定位(所在的位置)及作用机制;实验得出的结
ATPase 相同操作 控制灌木的生长状态、栽培土壤和
论是蓝光能通过保卫细胞质膜上的 发挥作
+
H -ATPase 操 (无关变量操作)环境温度(低温)或相同烧杯等
用,导致 逆浓度梯度跨膜运输,细胞外溶液中 浓
+ +
H H 作 不同操作 选择体表颜色深浅不同的灌木(或
度增加,溶液 下降。
pH
(自变量操作) 改变烧杯外壁颜色的深浅)
典例 ( 浙江 月选考, 节选)不经意间观 植物体表的温度(反映植物吸收能量、
2024 1 24 参考指标
察到一些自然现象 细究之下 其实有内在的逻 监测便捷)(或烧杯中水体的温度)
, ,
微专题 4 实验分析与设计 223
续表 实验组分 内容
深色组植物体表(或水体)的温度值 相同操作 从实验一获得干旱处理的
预期结果(因变量) ABA
高于浅色组(测得的指标差异显著) 操 (无关变量操作)缺失突变体
在寒冷环境下,深色体表的植物能 作 不同操作
是否进行 处理
结论 吸收较多的太阳能以维持体温,有 (自变量操作) ABA
利于维持细胞内酶的活性 参考指标 气孔开度
预期结果 处理组气孔开度减小,对照
答案: (或 ) (或 )
ABA
①AC BD ②B ④AD BD (因变量) 组气孔开度不变
二、设计实验验证简单生物学事实
本实验是在已知结论(“有研究表明:……”)的情况
运用所学的实验方法和技能 按照要求设
,
下设计的,属于对该结论再次验证的实验(简单验证生物
计生物学实验来验证生物学事实 并能够对实
,
学事实),设计时要在结论给到的限定条件下进行(“在干
验结果进行解释和分析 以及根据实验结果得
,
旱条件下”),设计实验组和对照组的数量要根据“不同操
出结论等
。 作”的数量来拟定。
分析下面的案例
:
典例 ( 山东, 节选)由肝细胞合成分泌
将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少 2024 23 、
胆囊储存释放的胆汁属于消化液 其分泌与释
浇水进行干旱处理 该植物根细胞中溶质浓度增 ,
,
放的调节方式如图所示
大 叶片中的脱落酸 含量增高 叶片气孔开 。
, (ABA) ,
536
度减小 有研究表明 干旱条件下气孔开度减小 6 EB.3 "$I
。 : !5! 5
不是由缺水直接引起的 而是由 引起的 N F
, ABA 。 '
若以该种植物的 缺失突变体(不能合成 ) 536 $$, 5 #54 5!
ABA ABA
植株为材料,设计实验来验证这一结论,需要先分析限定
"U=.EU=.!U"$IUF5-U
条件和实验组分。 $$,U45 2
要验证“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接
为研究下丘脑所在通路胆汁释放量是否受
(3)
引起的”,“是否干旱处理”是本实验的第一个不同操作,
小肠 细胞所在通路的影响 据图设计以下实
即先在正常条件下测定气孔开度,然后进行干旱处理,再 Ⅰ ,
验 已知注射各试剂所用溶剂对实验检测指标
次测定气孔开度即可,见实验一。 ,
无影响
实验一:验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接 。
实验处理 一组小鼠不作注射处理 另一组小鼠
引起的。(自身对照)
: ,
注射 填序号
实验组分 内容
( )。
相同操作 抑制剂 抗体 抑制剂
选材均为 缺失突变体 ①ACh ②CCK ③ACh +
操 (无关变量操作) ABA
抗体
作 不同操作 CCK
是否进行干旱处理 检测指标 检测两组小鼠的
(自变量操作) : 。
参考指标 气孔开度 实验结果及结论 若检测指标无差异 则下丘脑
: ,
预期结果(因变量) 干旱处理前后气孔开度不变 所在通路不受影响
。
再验证“干旱条件下气孔开度减小是由 引起 分析: 抗体可与小肠 细胞分泌的 特异性结
ABA CCK Ⅰ CCK
的”,“是否进行 处理”是本实验的第二个不同操作, 合,从而阻断小肠 细胞所在通路对肝细胞分泌胆汁的
ABA Ⅰ
即将上述干旱处理的 缺失突变体植株分成两组,在 影响。相关实验设计组分见表。
ABA
干旱条件下,一组进行 处理,另一组不作任何处理,
ABA 实验组分 内容
作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔开度即
相同操作
控制小鼠的各项生理指标
可,见实验二。 操 (无关变量操作)
实验二:验证干旱条件下气孔开度减小是由 引起 作 不同操作
ABA 是否注射 抗体
的。(空白对照) (自变量操作) CCK
224 5年高考 3年模拟 A版 高考生物学
续表 环境条件来确定。该实验所用的材料病毒 是没有细
V
参考指标 含量 胞结构的生物(属性),需要寄生在活细胞 中才能生存
ACh A
若检测指标无差异,则下丘脑所 (所处的环境条件)。而体外实验还需要为 配制合适
预期结果(因变量) A
在通路不受影响
的培养液。甲、乙两组相同操作大致就是先将宿主细胞
答案: 含量 培养在培养液中,然后接种病毒 。
② ACh A V
三、科学探究的系统思维 不同操作是根据实验的目的来设计的。本实验解决
科学探究通常包括提出问题 作出假设 制 的问题是检测病毒 的核酸是 还是 。
、 、 V DNA RNA DNA
和 所含碱基类型有所不同, 特有碱基是胸腺
订计划 实施计划 得出结论 表达和交流等环
RNA DNA
、 、 、
嘧啶(), 特有碱基是尿嘧啶( )。两组的不同操
节 科学探究 主要指对结论未知的问题进行 T RNA U
。“ ” 作(自变量操作)大致过程就是在甲组培养液中添加含有
探究 在这个前提下 作出假设和预期 确认变
, , 、 放射性同位素标记的胸腺嘧啶,乙组培养液中添加含有
量 设计可行的探究方案 处理和解释数据 根
、 、 、 放射性同位素标记的尿嘧啶。
据数据作出合理的判断等
。
()设计流程草图:
3
分析下面的案例
:
病毒 是一种新出现的病毒 其核酸类型
V ,
未知 病毒 的宿主细胞为细胞
。 V A。
()提出问题:
1
根据遗传物质的化学组成,可将病毒分为 病毒和
RNA
病毒两类。以上案例所提到的病毒 是一种新病毒,
DNA V 注:“ ”代表被放射性同位素标记的碱基; 代表操
其核酸是 还是 ,这是未知的。结合科学探究的系 * ①②③
DNA RNA 作的先后顺序
统思维,可以提出问题:病毒 的核酸是 还是 ?
V DNA RNA 观察草图,各组细胞 均因吸收培养液中各种碱
()制订计划: A
2 基,都可检测到放射性,因此,检测甲、乙两组细胞的放射
若要设计实验来验证病毒 的核酸类型,除了选择
V 性情况不能作为本实验的参考指标。病毒 只有一种
合适的实验材料,还需采用科学的操作方法。 V
核酸,合成子代病毒的核酸时,只能利用 或 其中一
科学家曾利用同位素标记实验获得多项生物学重大 T U
种,因此甲、乙两组收集得到的病毒 中,只有一个组的
成果,例如证明 是遗传物质、 的半保留复制 V
DNA DNA 病毒带有放射性,可以作为本实验的参考指标。
等。同位素标记实验是用同位素作为一种标记,制成标
()实施计划:
记化合物代替相应非标记化合物,所利用的同位素及其 4
甲组:将细胞 培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养
化合物除了物理性质可能有差异,与自然界存在的相应 A
液中,之后接种病毒 。培养一段时间后收集病毒并检
普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相 V
测其放射性。乙组:将细胞 培养在含有放射性标记尿
同的。以具有放射性的同位素为例,利用放射性同位素 A
嘧啶的培养液中,之后接种病毒 。培养一段时间后收
不断地放出特征射线的性质,可以追踪它在体内或体外 V
集病毒并检测其放射性。
的位置、数量及其转变等。可以采用放射性同位素标记
()根据预期结果得出结论:
的方法在体外探究病毒 核酸的类型。实验材料是病 5
V 若甲组收集的病毒有放射性,乙组无,病毒 即为
V
毒 、细胞 及相关培养液等。
V A 病毒;反之为 病毒。
DNA RNA
设计实验时,需要清楚思路中应该包含的组分,即
典例 ( 重庆, , 分)药物甲常用于肿瘤
实验操作和合适的参考指标。为了使实验结果更加可 2023 143
治疗 但对正常细胞有一定的毒副作用 某小
视化,可设计甲、乙两个能相互印证的实验组。这两个 , 。
组利用试剂 可将细胞阻滞在细胞周期某
组之间最多只能存在一个不同操作(自变量操作),两 K(
时期 研究了药物甲的毒性与细胞周期的关
个组其他条件的控制应该是保持完全相同的(相同
)
操作)。 系 实验流程和结果如图所示 下列推测正确
, 。
相同的操作一般从实验材料本身的属性及其所处的 的是
( )
微专题 4 实验分析与设计 225
.36
" 3U " 3U A,
3U
I IU A, " I
" I KA,U
* " I
3 36*8'
3 36
*)
226 5年高考 3年模拟 A版 高考生物学
(63
各组之间:比较第一个不同操作(是否加入试剂 )带来的
K
影响:与 组相比,组(加入试剂 ) 期细胞相对增多、
Ⅰ Ⅱ K S
期的细胞明显减少,这一结果可以说明试剂 能
G2+M K
将细胞阻滞在 期。比较第二个不同操作(试剂 的添加
S K
顺序)带来的影响:与 组相比, 组(先有试剂 ,后无试
Ⅱ Ⅲ K
剂 ) 期细胞明显减少、 期细胞明显增多,说明试
KS G2+M
剂 对细胞周期的阻滞作用是可逆的。
K
每组内部:题中柱状图中 、 组的数据(细胞凋亡率)与
"3 ⅠⅢ G2+
"(
6 期细胞的数量占比基本相同,因此,推测药物甲主要作用
M
3 于 期(进而推知 组细胞凋亡率的数据应最低)。
36! G2+M Ⅱ
拓展:分裂能力越强的细胞,药物甲对其毒性越大。浆细
(
胞为高度分化的细胞,不再进行细胞分裂,造血干细胞分
4
( . 裂能力强,所以药物甲对造血干细胞的毒性强于浆细胞。
答案:C
注 合成前期 合成期 分裂准备 四、评价与修订实验
[ ]G1:DNA ;S:DNA ;G2:
期 期 分裂期 综合运用所学的生物学知识及实验原理
;M : 、
试剂 可以将细胞阻滞在 期 方法和技能 对给出的实验方案进行修改
A. K G1 ,
试剂 对细胞周期的阻滞作用不可逆 或完善
B. K 。
药物甲主要作用于 期 组的凋亡率 分析下面的案例 并对案例中的实验进行评价
C. G2+M ,Ⅱ ,
应最低 与修订
:
在机体内 药物甲对浆细胞的毒性强于造血 案例:某同学为探究 对人唾液淀粉酶活性
D. , pH
干细胞 的影响 设计了如下实验步骤
, :
分析:本题利用试剂 (可将细胞阻滞在细胞周期某时 在 支 试 管 中 分 别 加 入
K ① A、B、C、D、E5
期)研究了药物甲的毒性与细胞周期的关系,通过制订并 的适宜浓度缓冲液
pH5.0、6.0、7.0、8.0、9.0
实施方案后,得出了相关数据(表格数据和柱状图数据),
再分别加入质量分数为 的淀粉液
5mL, 1%
现引导考生分析与探讨得出的结果。相关分析见表。
1mL。
实验组分 内容 目的
各试管中分别加入适当浓度的唾液稀释液
②
相同操作 使用细胞的类型和生
排除非测试因素对 摇匀
(无关变 理状态;培养总时长 1mL, 。
实验结果的干扰 将 支试管放入 恒温水浴中 保温时间
量操作)( ) ③ 5 70℃ ,
24h
相同且合适
培养过程中是否 观察细胞周期中各
。
各 ①
添加试剂 ( 组与 时期细胞占比,探 取出各试管 分别加入斐林试剂 摇匀
组 K Ⅰ ④ , 2mL, 。
组; 组与 组) 讨试剂 对细胞
观察各试管溶液的颜色 通过颜色深浅判断
之 Ⅱ Ⅰ Ⅲ K
试剂 的添加顺 分裂的影响(阻滞 ⑤ ,
操 间 ② K 唾液淀粉酶作用的最适
序( 组与 组) 在哪个时期) pH。
作 不同操作 Ⅱ Ⅲ 在不考虑试剂的浓度和加入量、 梯度以及实验重
观察药物甲处理后 pH
(自变量 复次数的条件下分析上述实验:
细胞的凋亡率,通
操作) 每
酶活性是保证酶发挥生物学效应的重要指标。对
是否 加 入 药 物 甲 过与第一个平行实
组
(每组分成的两个 验组得到的数据对 于人体来讲,温度、 等多种环境条件都会影响到酶活
内 pH
平行组之间) 比,进而确定第二 性,进而影响机体的新陈代谢。由于唾液淀粉酶的最
部
个平行组中药物甲 适温度与人的体温一致(约为 ),因此,需将唾液稀
37℃
的作用时期
释液和淀粉液的混合液置于 条件下保温一段
37 ℃
时间,再将两溶液混匀,使反应在适宜的温度下充分进 是
。
行。故在步骤 中出现一处错误,需将保温温度 根据尿酸盐转运蛋白检测结果 推测 降低
③ 70℃ (4) , F
改为 。
治疗组大鼠血清尿酸盐含量的原因可能是
37℃
实验结果的检测步骤中,本实验利用还原糖与斐林试
减少尿酸盐
,
剂的颜色反应判断淀粉液被唾液淀粉酶的水解程度。由于
重吸收 为进一步评价 的作用效果 本实验
斐林试剂与还原糖反应显色需要在高温条件下进行,因此, 。 F ,
需要增设对照组 具体为
观察各试管溶液的颜色之前应将各试管放在温水浴( , 。
50~
分析:见表。
)中一段时间。故在步骤 处出现不足。
65℃ ④⑤
实验组分 内容
典例 ( 广东, 节选)人体缺乏尿酸氧化
2021 19
相同操作
酶 导致体内嘌呤分解代谢的终产物是尿酸 存
控制各组大鼠生理状况使之相同
, (
(无关变量操作)
在形式为尿酸盐 尿酸盐经肾小球滤过后 部
操
)。 ,
是否注射尿酸氧化酶抑制剂
分被肾小管细胞膜上具有尿酸盐转运功能的蛋 作
不同操作 ①
(空白对照组和模型组)
白 和 重吸收 最终回到血液 (自变量操作)
URAT1 GLUT9 , 。 是否灌服 (模型组和治疗组)
② F
尿酸盐重吸收过量会导致高尿酸血症或痛风
。
血清 尿 酸 盐 含 量; 和
目前 是针对上述蛋白治疗高尿酸血症或痛 参考指标 URAT1
,E 相对含量
GLUT9
风的常用临床药物 为研发新的药物 研究人
。 ,
与空白对照组相比,模型组血清
员对天然化合物 的降尿酸作用进行了研究
F 。 尿酸 盐 含 量 增 多 ( 和
URAT1
给正常实验大鼠 有尿酸氧化酶 灌服尿酸氧化 结果(因变量) 相对含量也增多),用
( ) GLUT9 F
治疗 后 含 量 下 降 ( 和
酶抑制剂 获得了若干只高尿酸血症大鼠 并将
URAT1
, , 相对含量也下降)
其随机分成数量相等的两组 一组设为模型组 GLUT9
, ,
可通过降低细胞膜上
另一组灌服 设为治疗组 一段时间后检测相 F URAT1
F 。 结论 和 的数量来降低血清尿
关指标 结果见图 GLUT9
酸盐含量
, 。
实验通过“不同操作 ”验证了与空白对照组相比,
①
注射尿酸氧化酶抑制剂会使细胞膜上 和
URAT1
的数量增多;通过“不同操作 ”验证了注射药物
GLUT9 ②
后, 通过降低细胞膜上 和 的数量来
F F URAT1 GLUT9
降低血清尿酸盐含量。
分析完本实验的结论后,还可以对 的作用效果进
F
行评价(目前 是针对题述蛋白治疗高尿酸血症或痛风
E
的常用临床药物,因此将 与 的作用效果相比可进一
F E
步评价 的作用效果),这是对本实验的完善。可设计增
F
设对照组,具体操作是灌服 。
E
回答下列问题 答案:()灌服尿酸氧化酶抑制剂 与空白对照组相比得
: 3
出尿酸氧化酶的作用,与治疗组相比得出药物 的作用
与空白对照组 灌服生理盐水的正常实验大
F
(3) (
() 通过降低细胞膜上的 和 数量降
鼠 相比 模型组的自变量是 4F URAT1 GLUT9
) ,
低血清尿酸盐含量 灌服
与其他两组比较 设置模型组的目的 E
。 ,
微专题 4 实验分析与设计 227
