高考生物學(xué)二輪復(fù)習(xí)備課素材：多變量實驗題的類型及審答思維

多變量實驗題的類型及審答思維多變量實驗題頻頻出現(xiàn)在近年高考中。通過對多變量的考查，進一步加強了對考生生物學(xué)實驗?zāi)芰Φ目疾椤＝獯鸲嘧兞繉嶒烆}時，采用單因素分析法將多變量實驗轉(zhuǎn)化為多個單一變量子實驗，這是備考復(fù)習(xí)的共識。但是多變量實驗有哪些類型、如何拆分轉(zhuǎn)化，這是審答多變量實驗題的“最后一公里”，也是絕大多數(shù)考生感到“心有余而力不足”“只可意會，不可言傳”的原因之一。從邏輯學(xué)角度分析，多變量實驗中各個自變量存在一定的層階性邏輯關(guān)系，主要有選擇式、并列式、承接式和遞進式等關(guān)系。每種類型拆分轉(zhuǎn)化方法略有差異。1．選擇式多變量實驗題的審答思維選擇式多變量實驗是指對實驗結(jié)果和結(jié)論造成影響存在著多種自變量可能變量的情況，其中有一種或多種是真正的“因”，需要選擇或取舍（圖1）。常見描述句式有：（1）驗證影響因變量的原因是自變量1,而不是自變量2。例如，達爾文實驗驗證感受光刺激的部位是燕麥胚芽鞘尖端而不是下面一段；魯賓和卡門用同位素示蹤法研究光合作用中氧氣的來源等。（2）探究自變量1和自變量2對因變量的影響。例如，探究Fe3+和過氧化氫酶對過氧化氫分解速率的影響。這類實驗題的特點是各自變量相對獨立，互不干擾。審答時，可直接拆分轉(zhuǎn)化為獨立驗證每個自變量與因變量關(guān)系的子實驗，然后再對各子實驗進行綜合分析而得出結(jié)論。例1、（2021年高考山東卷第23題，節(jié)選）過度緊張、焦慮等刺激不僅會導(dǎo)致毛囊細胞數(shù)量減少引起脫發(fā)，也會導(dǎo)致黑色素細胞減少引起頭發(fā)變白。利用黑色小鼠進行研究得出的相關(guān)調(diào)節(jié)機制如圖2所示。（3）已知長期束縛會引起小鼠過度緊張、焦慮。請設(shè)計實驗驗證上述調(diào)節(jié)機制中長期束縛及腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響。實驗思路：取生理狀況相同的黑色小鼠若干只,隨機平均分為A、B、C、D4組,A組不作處理,B組切除腎上腺,C組束縛,D組切除腎上腺并束縛，其他條件相同且適宜，飼養(yǎng)一段時間后，觀察并記錄小鼠體毛數(shù)量（生長情況）和顏色的變化。實驗現(xiàn)象：A組小鼠的體毛無變化；B組小鼠的體毛增多，不變白；C組小鼠脫毛且變白；D組小鼠毛發(fā)增多（生長旺盛），變白。思維方法：此題要求考生設(shè)計實驗驗證長期束縛及腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響，并預(yù)期實驗結(jié)果，考查了考生的科學(xué)探究、科學(xué)思維和獲取信息的能力。本實驗的自變量是“有無長期束縛”和“有無腎上腺”，二者相對獨立，是典型的選擇式多變量實驗。根據(jù)題干信息可拆分為以下3個子實驗：“驗證長期束縛對小鼠體毛的影響”“驗證腎上腺對黑毛小鼠體毛的影響”和“長期束縛及腎上腺共同作用對黑毛小鼠體毛的影響”，此題就迎刃而解了。2．并列式多變量實驗題的審答思維并列式多變量實驗指影響實驗結(jié)果和結(jié)論的多個自變量之間沒有主次之分，都是并列地組合在一起，同時作用于因變量（圖3）。常見描述句式為：探究不同自變量1條件下，自變量2對因變量的影響。例如，探究不同溫度條件下pH對唾液淀粉酶活性的影響，探究不同二氧化碳濃度條件下光照強度對植物光合作用的影響。這類實驗題特點是各自變量有多個因素，根據(jù)排列組合，需拆分為多組子實驗進行驗證。因此，直接考查實驗設(shè)計較少見，多以曲線分析或表格設(shè)計形式進行考查。例2．（2021年高考福建卷第17題，改編）大氣中濃度持續(xù)升高的CO2會導(dǎo)致海水酸化，影響海洋藻類生長進而影響海洋生態(tài)。龍須菜是我國重要的一種海洋大型經(jīng)濟藻類，生長速度快，一年可多次種植和收獲。科研人員設(shè)置不同大氣CO2濃度（大氣CO2濃度LC和高O2濃度HC）和磷濃度（低磷濃度LP和高磷濃度HP）的實驗組合進行相關(guān)實驗，結(jié)果如圖4所示。（1）圖4所示實驗的目的是探究不同CO2濃度和磷濃度組合條件下，光照強度對龍須菜凈光合速率的影響。思維方法：此題要求考生根據(jù)曲線圖寫出實驗?zāi)康?，考查獲取信息和實驗探究的能力。規(guī)范性地敘寫實驗?zāi)康膽?yīng)該包括實驗性質(zhì)、自變量、實驗材料和因變量等四要素。此題關(guān)于實驗?zāi)康乃囊?，考生一般容易找到，難點在于不理解“不同CO2濃度和磷濃度組合”“光照強度”兩個自變量之間的邏輯關(guān)系。龍須菜凈光合速率是同時受到兩個自變量的影響，實驗?zāi)康囊w現(xiàn)不同CO2濃度和磷濃度組合、不同光照強度下凈光合速率的差異。參照并列式多變量實驗的常見描述句式，即可寫出正確答案。3．承接式多變量實驗題的審答思維承接式多變量實驗是指前自變量依次影響后自變量，后邊自變量影響因變量，相繼發(fā)生后作用于因變量的多變量實驗（圖5）。常見描述句式為：驗證自變量1通過（產(chǎn)生）因變量1（自變量2）作用于因變量2等。例如，驗證發(fā)育種子會產(chǎn)生生長素促進植物發(fā)育。這類實驗特點是：因變量1既是自變量1的因變量，又是因變量2自變量。承接式多變量實驗實質(zhì)是由“探究自變量1與因變量1關(guān)系”“探究自變量2與因變量2之間關(guān)系”和“探究自變量1與因變量2之間關(guān)系"3個連鎖子實驗組成。由此可知，承接式多變量實驗應(yīng)設(shè)計23=8組實驗組合，但由于一級實驗時，可以同時驗證二級實驗部分實驗現(xiàn)象，故實踐操作中只需設(shè)計4組實驗即可，其處理方法如表1。例3．（2021年高考北京卷第21題，節(jié)選）近年來發(fā)現(xiàn)海藻糖-6-磷酸（T6P）是一種信號分子，在植物生長發(fā)育過程中起重要調(diào)節(jié)作用。研究者以豌豆為材料研究了T6P在種子發(fā)育過程中的作用。細胞內(nèi)T6P的合成與轉(zhuǎn)化途徑如下：在進一步探討T6P對種子發(fā)育的調(diào)控機制時，發(fā)現(xiàn)U-P(導(dǎo)人P酶基因）植株種子中一種生長素合成酶基因R的轉(zhuǎn)錄降低，U-S(導(dǎo)人S酶基因)植株種子中R基因轉(zhuǎn)錄升高。已知R基因功能缺失突變體的種子皺縮，淀粉含量下降。據(jù)此提出假說：T6P通過促進R基因的表達促進種子中淀粉的積累。請從①~③選擇合適的基因與豌豆植株，進行轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?，為上述假說提供兩個新的證據(jù)。寫出相應(yīng)組合并預(yù)期實驗結(jié)果。①U-R基因②U-S基因③野生型植株U-P植株③突變體r植株參考答案②③組合，與突變體r植株相比，轉(zhuǎn)基因植株種子的淀粉含量不變，仍皺縮；①④組合，與U-P植株相比，轉(zhuǎn)基因植株種子淀粉含量增加，為圓粒；②④組合，與U-P植株相比，轉(zhuǎn)基因植株種子R基因轉(zhuǎn)錄提高，淀粉含量增加，為圓粒。（答出任意兩條即可）思維方法：此題要求考生選擇相應(yīng)實驗組合完善實驗，驗證T6P通過促進R基因的表達促進種子中淀粉的積累?？疾榭忌鷮嶒炘O(shè)計的基本技能以及對承接式多變量實驗的內(nèi)涵和外延的理解。本實驗自變量1是“有無T6P”，自變量2（因變量1)是“基因R的轉(zhuǎn)錄量”，因變量2是“種子的形狀和淀粉含量”。參照表1，組別1有自變量1（②④組合實驗），出現(xiàn)因變量1（R基因轉(zhuǎn)錄提高）、因變量2（淀粉含量增加，為圓粒）；組別2是空白對照，不能直接證明或提供證據(jù)；組別3有自變量1，無自變量2（②③組合實驗），不出現(xiàn)因變量2（轉(zhuǎn)基因植株種子的淀粉含量不變，仍皺縮）；組別4無自變量1,有自變量2（①④組合），會出現(xiàn)因變量2（淀粉含量增加，為圓粒）。4．遞進式多變量實驗題的審答思維遞進式多變量實驗是指多個自變量中，其中某個會增強或減弱另一個自變量作用效果（圖6）。常見描述句式為：①驗證自變量2會增強（或減弱）自變量1的作用效果。例如，驗證Mg2+是DNA聚合酶的激活劑；②驗證自變量1與自變量2之間相互拮抗（協(xié)同）作用。例如，探究細胞分裂素和脫落酸對葉片衰老有拮抗作用。這類實驗與承接式多變量的區(qū)別是自變量之間不互為因果關(guān)系，而是互為干擾。遞進式多變量實質(zhì)是各個自變量單獨作用（一級對照）與共同作用（二級對照）的前后對照。例4．（2021年1月浙江卷第30題，節(jié)選）1897年德國科學(xué)家畢希納發(fā)現(xiàn)，利用無細胞的酵母汁可以進行乙醇發(fā)酵；還有研究發(fā)現(xiàn)，乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助。某研究小組為驗證上述結(jié)論，利用下列材料和試劑進行了實驗。材料和試劑：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各類生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各類小分子和離子）、葡萄糖溶液、無菌水。實驗共分6組，其中4組的實驗處理和結(jié)果如表2所示。回答下列問題：（1）除表中4組外，其他2組的實驗處理分別是：葡萄糖溶液+酵母汁；葡萄糖溶液+A溶液+B溶液。本實驗中，這些起輔助作用的小分子和離子存在于酵母菌、酵母汁和B溶液。思維方法：此題以畢希納科學(xué)史實驗為情境，考查實驗設(shè)計能力，要求根據(jù)提供的材料和試劑，完善實驗內(nèi)容，深人考查科學(xué)探究能力。由題干信息可知，本實驗?zāi)康氖球炞C“無細胞的酵母汁可以進行乙醇發(fā)酵”及“乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助”。前一個實驗是個單變量實驗，題干中組別①②分別是空白對照和陽性對照，增設(shè)“葡萄糖溶液