高考生物學(xué)二輪復(fù)習(xí)備課素材：多變量實(shí)驗(yàn)題的類(lèi)型及審答思維

多變量實(shí)驗(yàn)題的類(lèi)型及審答思維多變量實(shí)驗(yàn)題頻頻出現(xiàn)在近年高考中。通過(guò)對(duì)多變量的考查，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)考生生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾?。解答多變量?shí)驗(yàn)題時(shí)，采用單因素分析法將多變量實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為多個(gè)單一變量子實(shí)驗(yàn)，這是備考復(fù)習(xí)的共識(shí)。但是多變量實(shí)驗(yàn)有哪些類(lèi)型、如何拆分轉(zhuǎn)化，這是審答多變量實(shí)驗(yàn)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(huì)，不可言傳”的原因之一。從邏輯學(xué)角度分析，多變量實(shí)驗(yàn)中各個(gè)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(jìn)式等關(guān)系。每種類(lèi)型拆分轉(zhuǎn)化方法略有差異。1．選擇式多變量實(shí)驗(yàn)題的審答思維選擇式多變量實(shí)驗(yàn)是指對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jiàn)描述句式有：（1）驗(yàn)證影響因變量的原因是自變量1,而不是自變量2。例如，達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(mén)用同位素示蹤法研究光合作用中氧氣的來(lái)源等。（2）探究自變量1和自變量2對(duì)因變量的影響。例如，探究Fe3+和過(guò)氧化氫酶對(duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)題的特點(diǎn)是各自變量相對(duì)獨(dú)立，互不干擾。審答時(shí)，可直接拆分轉(zhuǎn)化為獨(dú)立驗(yàn)證每個(gè)自變量與因變量關(guān)系的子實(shí)驗(yàn)，然后再對(duì)各子實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(guò)度緊張、焦慮等刺激不僅會(huì)導(dǎo)致毛囊細(xì)胞數(shù)量減少引起脫發(fā)，也會(huì)導(dǎo)致黑色素細(xì)胞減少引起頭發(fā)變白。利用黑色小鼠進(jìn)行研究得出的相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)制如圖2所示。（3）已知長(zhǎng)期束縛會(huì)引起小鼠過(guò)度緊張、焦慮。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述調(diào)節(jié)機(jī)制中長(zhǎng)期束縛及腎上腺對(duì)黑毛小鼠體毛的影響。實(shí)驗(yàn)思路：取生理狀況相同的黑色小鼠若干只,隨機(jī)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(shí)間后，觀察并記錄小鼠體毛數(shù)量（生長(zhǎng)情況）和顏色的變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：A組小鼠的體毛無(wú)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(zhǎng)旺盛），變白。思維方法：此題要求考生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證長(zhǎng)期束縛及腎上腺對(duì)黑毛小鼠體毛的影響，并預(yù)期實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的自變量是“有無(wú)長(zhǎng)期束縛”和“有無(wú)腎上腺”，二者相對(duì)獨(dú)立，是典型的選擇式多變量實(shí)驗(yàn)。根據(jù)題干信息可拆分為以下3個(gè)子實(shí)驗(yàn)：“驗(yàn)證長(zhǎng)期束縛對(duì)小鼠體毛的影響”“驗(yàn)證腎上腺對(duì)黑毛小鼠體毛的影響”和“長(zhǎng)期束縛及腎上腺共同作用對(duì)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(shí)驗(yàn)題的審答思維并列式多變量實(shí)驗(yàn)指影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論的多個(gè)自變量之間沒(méi)有主次之分，都是并列地組合在一起，同時(shí)作用于因變量（圖3）。常見(jiàn)描述句式為：探究不同自變量1條件下，自變量2對(duì)因變量的影響。例如，探究不同溫度條件下pH對(duì)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(qiáng)度對(duì)植物光合作用的影響。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)題特點(diǎn)是各自變量有多個(gè)因素，根據(jù)排列組合，需拆分為多組子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，直接考查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較少見(jiàn)，多以曲線分析或表格設(shè)計(jì)形式進(jìn)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(huì)導(dǎo)致海水酸化，影響海洋藻類(lèi)生長(zhǎng)進(jìn)而影響海洋生態(tài)。龍須菜是我國(guó)重要的一種海洋大型經(jīng)濟(jì)藻類(lèi)，生長(zhǎng)速度快，一年可多次種植和收獲?？蒲腥藛T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(shí)驗(yàn)組合進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。（1）圖4所示實(shí)驗(yàn)的目的是探究不同CO2濃度和磷濃度組合條件下，光照強(qiáng)度對(duì)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(xiě)出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，考查獲取信息和實(shí)驗(yàn)探究的能力。規(guī)范性地?cái)?xiě)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膽?yīng)該包括實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、自變量、實(shí)驗(yàn)材料和因變量等四要素。此題關(guān)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃囊?，考生一般容易找到，難點(diǎn)在于不理解“不同CO2濃度和磷濃度組合”“光照強(qiáng)度”兩個(gè)自變量之間的邏輯關(guān)系。龍須菜凈光合速率是同時(shí)受到兩個(gè)自變量的影響，實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊w現(xiàn)不同CO2濃度和磷濃度組合、不同光照強(qiáng)度下凈光合速率的差異。參照并列式多變量實(shí)驗(yàn)的常見(jiàn)描述句式，即可寫(xiě)出正確答案。3．承接式多變量實(shí)驗(yàn)題的審答思維承接式多變量實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（圖5）。常見(jiàn)描述句式為：驗(yàn)證自變量1通過(guò)（產(chǎn)生）因變量1（自變量2）作用于因變量2等。例如，驗(yàn)證發(fā)育種子會(huì)產(chǎn)生生長(zhǎng)素促進(jìn)植物發(fā)育。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(gè)連鎖子實(shí)驗(yàn)組成。由此可知，承接式多變量實(shí)驗(yàn)應(yīng)設(shè)計(jì)23=8組實(shí)驗(yàn)組合，但由于一級(jí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以同時(shí)驗(yàn)證二級(jí)實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，故實(shí)踐操作中只需設(shè)計(jì)4組實(shí)驗(yàn)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(lái)發(fā)現(xiàn)海藻糖-6-磷酸（T6P）是一種信號(hào)分子，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(guò)程中的作用。細(xì)胞內(nèi)T6P的合成與轉(zhuǎn)化途徑如下：在進(jìn)一步探討T6P對(duì)種子發(fā)育的調(diào)控機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)U-P(導(dǎo)人P酶基因）植株種子中一種生長(zhǎng)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(shuō)：T6P通過(guò)促進(jìn)R基因的表達(dá)促進(jìn)種子中淀粉的積累。請(qǐng)從①~③選擇合適的基因與豌豆植株，進(jìn)行轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?yàn)，為上述假說(shuō)提供兩個(gè)新的證據(jù)。寫(xiě)出相應(yīng)組合并預(yù)期實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組合完善實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證T6P通過(guò)促進(jìn)R基因的表達(dá)促進(jìn)種子中淀粉的積累?？疾榭忌鷮?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本技能以及對(duì)承接式多變量實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和外延的理解。本實(shí)驗(yàn)自變量1是“有無(wú)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(shí)驗(yàn)），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(duì)照，不能直接證明或提供證據(jù)；組別3有自變量1，無(wú)自變量2（②③組合實(shí)驗(yàn)），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(wú)自變量1,有自變量2（①④組合），會(huì)出現(xiàn)因變量2（淀粉含量增加，為圓粒）。4．遞進(jìn)式多變量實(shí)驗(yàn)題的審答思維遞進(jìn)式多變量實(shí)驗(yàn)是指多個(gè)自變量中，其中某個(gè)會(huì)增強(qiáng)或減弱另一個(gè)自變量作用效果（圖6）。常見(jiàn)描述句式為：①驗(yàn)證自變量2會(huì)增強(qiáng)（或減弱）自變量1的作用效果。例如，驗(yàn)證Mg2+是DNA聚合酶的激活劑；②驗(yàn)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(xì)胞分裂素和脫落酸對(duì)葉片衰老有拮抗作用。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)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(jìn)式多變量實(shí)質(zhì)是各個(gè)自變量單獨(dú)作用（一級(jí)對(duì)照）與共同作用（二級(jí)對(duì)照）的前后對(duì)照。例4．（2021年1月浙江卷第30題，節(jié)選）1897年德國(guó)科學(xué)家畢希納發(fā)現(xiàn)，利用無(wú)細(xì)胞的酵母汁可以進(jìn)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(yàn)證上述結(jié)論，利用下列材料和試劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。材料和試劑：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各類(lèi)生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各類(lèi)小分子和離子）、葡萄糖溶液、無(wú)菌水。實(shí)驗(yàn)共分6組，其中4組的實(shí)驗(yàn)處理和結(jié)果如表2所示?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）除表中4組外，其他2組的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)為情境，考查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，要求根據(jù)提供的材料和試劑，完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，深人考查科學(xué)探究能力。由題干信息可知，本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證“無(wú)細(xì)胞的酵母汁可以進(jìn)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(gè)實(shí)驗(yàn)是個(gè)單變量實(shí)驗(yàn)，題干中組別①②分別是空白對(duì)照和陽(yáng)性對(duì)照，增設(shè)“葡萄糖溶液