高三生物实验设计思路复习及训练

实验思路设计
前言：
生物实验设计题作为一种考查学生能力的综合性题型而言，不仅能体现试题的开放性这一特点，而且对学生的思维能力和拓宽学生的知识面都是一种比较可行的测试类型，因此也就常常成为高考中对人才选拔的一种常用题型，由于这一题型的灵活度高，因而在这一类型的测试中丢分较为严重，究其原因主要在于学生对生物实验设计题的设计思路把握不好。

一、典例分析：
1.注重考查实验探究能力,既能体现课程性质,又能反映考生是否掌握科学探究的基本思路和方法,是否直会动手操作进行实验,导向高中教学。

考査实验探究能力的试题情境新颖,考查内容、角度宽泛,包括理解实验原理,选择实验器材,确立实验步骤,拟定实验思路,预期实验结果、得出结论,解释和分析实验过程、现象、结果(或者生物学事实)等,每一部分内容都可能作为考查内容。

经典例题：
（2019年全国一卷理综T29题第(3)小题）将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干早处理,该植物根细胞中溶质浓度增大,叶片中的脱落酸(ABA)含量增高,叶片气孔开度减小。

回答下列问题。

(3)有研究表明:干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的。

请以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料,设计实验来验证这一结论。

要求简要写出实验思路和预期结果。

例题解析：该题要求考生“以该种植物的ABA缺失突变体(不能合成ABA)植株为材料”,设计实验来验证“干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的”结论,要求简要写出实验思路和预期结果,很多考生审题不仔细,而选用正常植物作为实验材料导致该小题不得分。

该题很好地考查了考生审题能力、设计实验能力、推理能力、获取信息能力、生物学表达能力,试题的能力价值多元。

解题思路：
根据題意分析可知,买验目的为验证干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的,而是由ABA引起的,故实验应分为两部分:①证明干旱条件下植物气孔开度变化不是缺水引起的;②证明干旱条件下植物气孔开度减小是ABA引起的。

该实验材料为ABA缺失突变体植株(不能合成ABA),自变量应分别为①正常条件和缺水环境；②植物体中ABA的有无,因变量均为气孔开度变化,据此设计实验。

①取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度,经干旱处理后,再测定气孔开度,预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。

可说明缺水环境不影响ABA缺失突变体植株气孔开度变化,即干旱条件下植物气孔开度变化不是缺水引起的。

②将上述干旱外理的ABA缺失突变体植林分为两组,在干早条件下,一组进行ABA处理,另一组作为对照组,一段时间后,分别测定两组的气孔开度,预期结果是ABA处理组气孔开度减小,对照组气孔开度不变。

可说明干旱条件植物气孔开度减小是ABA引起的。

二、难点突破
对于实验设计的复习可先分析挖掘课本经典实验，强化学生的实验基本素养，然后根据复习的实际精心设计一两个典型的教学实验，在具体“做科学”的过程中掌握实验设计的一般步骤，一些原则和方法、关键点，并针对不同的实验设计题训练让学生学会举一反三，提升实验设计能力，不再惧怕高考实验设计题。

1.挖掘课本经典实验，提升学生实验科学素养
首先，要积累实验操作的经验。

理解实验目的、原理、材料用具和步骤，尽可能创造条件加强动手操作能力的训练。

与此同时归纳、总结高中生物学实验常用材料、药品的种类、用途等，形成表格，并进行相互交流，然后完善自己的学习成果。

其次，要理解实验程序。

分析课本实验中每一步骤的作用或必要性，每一步骤的意义及各步骤之间联系。

如“观察植物细胞的有丝分裂”中对根尖为什么要解离、压碎根尖、压片，为什么在“解离”与“染色”之间要来一步“漂洗”；“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”为什么两支试管要放在60℃水浴加热几分钟等。

最后，要分析实验结果。

在实验中，即重视对实验最终结果记录，又要对实验的中间过程出现的现象进行记录，如“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”中，除记录溶液的最终颜色，更要记录溶液颜色的变化顺序浅蓝色一棕色一红色。

既要重视结果又重视对结果的分析，重视对成功实验的分析，也要重视查找实验败的原因。

如在“色素的提取与分离”中，有部分学生实验成功，能分离出四条色素带，有的出现三条色素带，部分学生能分离出胡萝卜素和叶黄素，还有部分学生一条色素带都分离不出来，要分析造成这些现象的可能原因，克服这些原因。

2.结合典例概括实验设计的一般思路
高中生物实验设计不管是验证性实验还是探究性实验设计，自主设计实验还是补全实验、修改完善实验，实验设计思路大体相同，我们可以结合课本经典实验或某一高考实验题来概括实验设计的一般思路，便于学生领会掌握。

①仔细领会实验原理。

生物实验原理，大多数是书本上已有的知识，这类题型中只要仔细分析题目所提供的主要实验材料和用具，就能从中获取;有些实验原理书本中未曾涉及，而是从在题干中直接给出的。

②正确选择材料和用具。

要通过对题目提供的每一个材料和用具其用途的理解，在分析的基础上，全部或部分选用，有些题目甚至要求学生添加辅助的材料和用具，要引起注意。

③合理安排实验步骤。

合理的实验步骤是对实验原理、材料和用具综合分析基础上的整合，要充分体现实验设计的基本原则。

④准确描述实验现象。

要科学地使用学科语言，对实验现象进行定性或定量描述。

⑤科学得出实验结论。

实验结论一定要紧扣实验现象得出，要具有较强的针对性，切忌一味地照搬书本，夸大结论。

在进行生物实验设计时，我们还应注意一些关键环节：①.实验设计中的假说。

在实验设计中，每一个实验目的的确定，都是一个实验假说的形成过程。

我们在作出实验假说时，必须在注意假说的预见性的同时，强调客观性和多样性。

②实验材料和实验手段
的选择选择恰当的材料和手段，是所设计的实验能否达到预期结果的重要保证。

③应变量的确定和控制依据实验条件和环境因素充分控制无关变量，使实验具有科学性，结果不受干扰。

④实验中的对照设计和分析。

3.针对不同生物实验设计类型进行强化复习
高中生物实验设计主要有验证性和探究性两种类型，在题型呈现上有以下几种类型：1.给出实验用具、材料、药品、实验的目的，要求根据所给器材设计实验方案或对已有的实验设计进行补充和完善。

2.只给出实验目的，实验器材自选，实验方案自己设计。

这种类型的设计题，最能反映学生的知识水平、实践能力的高低。

3.分析己有的实验设计方案中不科学性。

4.既有实验设计改错，又需进行补充完善的综合类设计题。

在高考复习的最后阶段，为实现考生在短期内生物实验设计应试能力的大幅度提高，可采取以下训练策略:紧紧依托教材的实验内容，针对以上几种类型有选择地利用好近年高考题目中的生物实验考题内容，认真研究每一个实验，重新认识每一个实验。

针对研究的问题和实验的条件设计实验，巩固实验设计中应如何遵循实验设计的原则，如何控制实验条件和正确使用实验仪器，如何准确获取实验信息，实验的预期如何，如何对实验结果做出客观准确的解释等。

三、拓展延伸
（一）知识深挖
1.从实验目的寻找解题思路：在探究性实验中，实验目的是核心：问题的提出、假设的作出最终将由“有明确实验目的”的实验完成；设计实验思路、写出实验步骤是“有明确实验目的”的实验完成的保障；实验结果、实验结论、表达与交流则是“有明确实验目的”的实验操作后的全方位分析。

因此，探究性实验题无论提供什么信息，都会“透露”实验目的这个核心信息，考生无论面对何种实验试题，都要明确实验目的，当然，实验目的的明确，有时会从实验程序、实验材料、实验结果、实验结论入手。

在解答难度较大的综合性实验题的时候，可以按照下面的思路进行：
2. 怎样完整写出实验思路与实验步骤：实验思路与实验步骤是进行实验前必须确定的内容。

实验思路是“粗线条”的思考过程，实验步骤是“细节化”的操作流程，二者
都能很好地反映出考生的实验与探究能力。

在探究性实验中，实验思路和实验步骤具有高度的统一性；在试题解答中，二者具有高度的相似性。

因此，这里将实验思路和实验步骤作为一个角度进行说明，更有利于考生掌握答题技巧。

要求写出或补充实验思路与实验步骤是探究性实验题最为常见的考查形式，完美答案呈现的前提是突破一个难点：实验思路与实验步骤有何异同？
现以“植物细胞的吸水和失水”中植物细胞的失水过程为例，分析如下：
入蔗糖溶液，
在盖玻片的另
一侧用吸水纸
吸引，重复几
次。

用低倍显
微镜观察，看
细胞的中央液
泡是否逐渐变
小
3.如何分析与评价实验方案：实验方案的分析与评价类试题，是难度较大的一类试题，考生遇到这类题时往往感觉无从下手，不知该如何评价。

实际上，实验方案的分析与评价，是“实验设计”的一个环节，所有实验结束后，都需要进行自我或他人的分析与评价，这就意味着“分析与评价”的内容与“实验设计”的内容紧密相关。

因此，遇到这类题时，考生需要从“实验目的”“自变量”“因变量”“无关变量”的角度，按照科学性原则、单一变量原则逐一进行评价。

[技法点拨]“五看法”评价实验设计题：
4.解答原理阐述题时，如何“围攻”要点
有些“原理阐述题”并不需要太多文字(答题空没有预留太多文字书写的空间)，但既然是原理阐述题，命题人要求的答案就绝对不会是“只言片语”。

答案精炼且不漏掉得分点是答题时必需关注的。

其标准是用“所学的最细微知识”解答“需要阐述的所有要点”。

例如某题中要求答出“F1中雄果蝇出现乳白眼和淡色眼两种表现型的原因是什么”，应该在相应问题上勾划出要点，如图：
只有这样在答题时才能保证最后呈现的答案能解释所有要点：“亲本”“雌果蝇产生了X t和X i两种雌配子”“F1中雄果蝇基因型为X t Y和X i Y”。

（二）阅读资料
新高考注重考查考生的创新能力，也就是考查考生根据试题情境，运用已有知识、能力和素养敏锐发掘旧事物缺陷，捕捉新事物萌芽的能力；考查考生进行新颖和设想并周密论证的能力；考查考生主动解决生物学问题的能力。

而这些都离不开新情境、新思维。

所以生物实验设计也需要考生有较开阔的视野和知识面，课外阅读也显得尤为重要。

现提供几则阅读材料供大学学习参考。

1.C3植物与C4植物:
C3类植物，如稻和麦，二氧化碳经气孔进入叶片后，直接进入叶肉进行卡尔文循环。

而C3植物的维管束鞘细胞很小，不含或含很少叶绿体，卡尔文循环不在这里发生.
C4植物在解剖上有一种特殊结构（花环式结构），即在维管束周围有两种不同类型的细胞：靠近维管束的内层细胞称为鞘细胞，围绕着鞘细胞的外层细胞是叶肉细胞。

两种不同类型的细胞各具不同的叶绿体。

围绕着维管束鞘细胞周围的排列整齐致密的叶肉细胞中的叶绿体，具有发达的基粒构造，而维管束鞘细胞的叶绿体中却只有很少的基粒，而有很多大的卵形淀粉粒。

该类型的优点是，二氧化碳固定效率比C3高很多,有利于植物在干旱环境生长。

C3植物行光合作用所得的淀粉会贮存在叶肉细胞中，因为这是卡尔文循环的场
所，而维管束鞘细胞则不含叶绿体。

而C4植物的淀粉将会贮存于维管束鞘细胞内，因为C4植物的卡尔文循环是在此发生的。

C4植物固定二氧化碳的效率比C3高很多，干旱条件下，绿色植物气孔关闭，这时，C4能够利用叶肉内细胞间隙中含量很低的二氧化碳进行光合作用而C3植物则不能，简而言之就是C4比C3植物更适合生活在干旱热带地区。

2.光呼吸：
光呼吸是所有行光合作用的细胞（该处“细胞”包括原核生物和真核生物，但并非所有这些细胞都能运行完整的光呼吸）在光照和高氧低二氧化碳情况下发生的一个生化过程。

它是光合作用一个损耗能量的副反应。

过程中氧气被消耗，并且会生成二氧化碳。

光呼吸约抵消30%的光合作用。

因此降低光呼吸被认为是提高光合作用效能的途径之一。

但是人们后来发现，光呼吸有着很重要的细胞保护作用。

在光呼吸过程中，参与光合作用的一对组合：反应物1,5-二磷酸核酮糖（简称为RuBP）和催化剂1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（简称为Rubisco）发生了与其在光合作用中不同的反应。

RuBP在Rubisco的作用下增加两个氧原子，再经过一系列反应，最终生成3-磷酸甘油酸。

后者再经过部分光合作用过程，可再次重新生成为RuBP。

换言之，Rubisco对RuBP有两种作用，既可将之导入生成能量获得碳素的光合作用，也能使之进入消耗能量释放碳素的光呼吸。

由此可见，光呼吸和光合作用关系密切，它们之间的关系可以作一形象的理解：糖工厂内（行光合作用细胞，特别是植物）的葡萄糖生产线（光合作用）因一部机器（1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶）构造不完善，一部分原材料（1,5-二磷酸核酮糖）不断被错误加工，产出次品（2-磷酸乙醇酸），虽然有一补救措施，可将次品重加工并再次投入生产线，但是整个过程却是非常费时费力的。

这个错误加工和补救的过程就是光呼吸。

发生光呼吸的细胞需要三个细胞器的协同作用才能将光呼吸起始阶段产生的“次品”“修复”，耗时耗能。

这也是早期光呼吸被人们称作“卡尔文循环中的漏逸”，“Rubisco 的构造缺陷”的原因。

有人提出，在农业上抑制光呼吸能促进植物生长。

科学家在基因
工程方面做出多种尝试，试求降低植物的光呼吸，促进植物成长，为世界粮食问题提供一种解决方案。

但是后来科学家发现，光呼吸可消除多余的NADPH和ATP，减少细胞受损的可能，有其正面意义。

又因为光呼吸与大气中氧气/二氧化碳比例联系非常紧密，科学家甚至认为可以通过控制陆地植物的数量，以控制地球大气氧气和二氧化碳的成分比。

3.雄性不育：
雄性不育系主要在杂种优势利用（植物）上作母本，可以省去去雄工作,便于杂交制种,为生产上大规模利用杂种一代优势创造条件。

核、质互作型不育系的种子繁殖，须靠一个花粉正常而又能保持不育系不育特性的雄性不育保持系授粉。

杂交制种则须有一个花粉可育，并能使杂种恢复育性的育性恢复系。

这样，不育系、保持系和恢复系（分别简称A、B和R系）三系配套,就成为利用不育系以大量配制杂交种子的重要前提。

（1）不育机制：若胞质内存在不育基因S,而在相应的细胞核内又具有 1对纯合隐性不育基因rfrf，则这种具有S(rfrf)基因型的植株就表现为雄性不育。

但若核内为纯合或杂合的显性恢复基因即RfRf或Rfrf所代替,胞质S基因的作用便受到抑制而使植株表现为可育。

如果胞质内存在着可育基因N，则不论核基因是否可育,其植株全都表现可育。

可见对这类不育性起主导作用的是胞质基因。

胞质基因S可能来自突变,也可通过核置换将栽培品种的核通过多次回交法导入远缘的属、种、亚种以及地理远缘品种的胞质中，利用核质间不协调而产生雄性不育性。

如水稻野败型、高粱迈罗型、玉米T型和C型、小麦提莫菲维型和拟斯卑尔脱型等雄性不育系都属于这一类。

（2）利用：质、核互作雄性不育系的优点是易于三系配套。

基因型为 N【rfrf】的一般栽培品种都可成为保持系，而基因型为S【RfRf】或N【RfRf】的栽培品种或杂交选系可成为恢复系。

1970年中国在海南岛崖县发现野败型水稻不育株，经选用栽培稻品种连续回交数代，育成了野败型不育系，上述轮回亲本便分别成为相应的保持系。

此后又经测交筛选，发现IR24等引入品种对野败型不育系具有很强的恢复力。

此外，还用杂交导入恢复基因等方法选育出一批优良恢复系。

质、核互作不育系在生产利用上比较简便，只要设置两个隔离区,即不育系繁殖区和
制种隔离区,就可以生产大量杂交种。

现已广泛应用于水稻、高粱、玉米、甜菜、洋葱、蜡烛稗等作物，收到了很大经济效益。

但也发现某些不育胞质会带来一些不利影响。

例如,玉米T型不育胞质是小斑病菌T小种专化侵染的对象,美国一度因此受到较大的经济损失；T型不育胞质使小麦杂交当代种子皱瘪和发芽率降低等。

但随着育种研究的进展，这些缺点正在得到克服。

质、核互作不育系作为杂种优势利用的有效手段正在日益发挥着重要的作用。

4.硒代半胱氨酸
在遗传密码中，硒半胱氨酸的编码是UGA（即乳白密码子），通常用作终止密码子。

但如果在mRNA中有一个硒半胱氨酸插入序列(SElenoCysteine Insertion Sequence, SECIS)，UGA就用作硒半胱氨酸的编码。

SECIS序列是由特定的核苷酸序列和碱基配对形成的二级结构决定的。

在真细菌中，SECIS直接跟在UGA密码子之后，和UGA在同一个阅读框里。

而在古细菌和真核生物中，SECIS在mRNA的3'-不翻译区域(3'-UTR)中，可以引导多个UGA密码子编码硒半胱氨酸残基。

当细胞生长缺乏硒时，硒蛋白的翻译会在UGA密码子处中止，成为不完整而没有功能的蛋白。

上述发现显示了UGA作为有义密码子的保守性:也许它正处于从有义密码子变为无义密码子的进化过程中。

和细胞中的其它氨基酸一样，硒半胱氨酸也有个特异的tRNA。

这个tRNA，和其它标准的tRNA相比有一些不同之处，最明显的是具有一个包含8个碱基（细菌）或9个碱基（真核生物）的接收茎(stem)，一个长的可变臂，以及几个高度保守碱基的替换。

tRNA 起初由丝氨酸-tRNA连接酶加载一个丝氨酸，但这个Ser-tRNA并不能用于翻译，因为它不能被通常的翻译因子识别（细菌中的EF-Tu，真核生物中的eEF-1α）。

而这个丝胺酰可以被一个含有磷酸吡哆醛的硒半胱氨酸合成酶替换成硒半胱胺酰。

最后，这个Sec-tRNA 特异性地和另外一个翻译延伸因子SelB或者mSelB结合，被输送到正在翻译硒蛋白mRNA 的核糖体上。

5.碱基新成员
美国科学家将生命“字母表”的数量增加了一倍，首次合成出包含8个碱基的DNA。

实验表明，合成DNA似乎能像天然DNA一样存储和转录信息。

发表于《科学》杂志的最新研究成果表明，宇宙中或许存在其他生命形式，这对于外星生命搜寻非常重要。

本研究中，应用分子进化基金会创始人史蒂文·本纳领导的团队，通过调整普通碱基--鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶(G、C、A、T，其中A与T配对、C与G配对)的分子结构，创建出两对新碱基:S和B、P和Z。

新碱基的形状与天然碱基类似，但结合方式不同。

随后，他们将合成碱基与天然碱基结合，得到了由8个碱基组成的DNA。

实验表明，合成序列与天然DNA拥有相同属性:它们采用相同的方式可靠地配对;无论合成碱基的顺序如何，双螺旋结构都保持稳定;DNA可忠实地转录成RNA。

这一成果首次系统性证明了合成碱基与天然碱基可彼此识别并结合，且形成的双螺旋能保持稳定。

英国剑桥大学合成生物学家菲利普·霍林格表示，新研究令人兴奋，但距离真正的8碱基合成遗传系统还有很长的路，一个关键问题是，合成DNA是否可被聚合酶(细胞分裂过程中负责在生物体内合成DNA的酶)复制。

此外，本纳团队还开发出了其他新碱基对，使创建含有10个乃至12个碱基的DNA 结构成为可能。

6.新冠病毒
2019新型冠状病毒（2019-nCoV），2020年1月12日被世界卫生组织命名。

冠状病毒是一个大型病毒家族，已知可引起感冒以及中东呼吸综合征（MERS）和严重急性呼吸综合征（SARS）等较严重疾病。

新型冠状病毒是以前从未在人体中发现的冠状病毒新毒株。

新研究发现，新冠病毒结合宿主细胞受体靶点ACE2（血管紧张素转化酶2）的亲和力要远高于SARS病毒的亲和能力（>10-20倍），也从一定程度上论证了之前的报道，新型冠状病毒的传染性远比SARS病毒强。

同时研究者发现，SARS 受体结合区域（RBD）的单克隆抗体对于新型冠状病毒不具有交叉反应，因此SARS受体结合区域的单克隆抗体可能对新型冠状病毒病无效。

新型冠状病毒与SARS病毒都是依赖病毒表面的S糖蛋白与细胞表面的血管紧张素转
换酶2（ACE2）的结合，侵染细胞，导致疾病的产生。

研究者发现，新冠病毒和SARS病毒之间结构最大的不同位于“向下”结构中的RBD 结构域（绿色结构区域）之中。

SARS 的S蛋白中“向下”结构中RBD紧贴NTD结构域。

虽然存在结构上的不同，但整体上来说，新型冠状病毒与SARS-CoV在结构上还是高度相似的。

四、专题训练
1.神经细胞的活动有两个重要的指标:第一个是细胞膜电位的变化,第二个是细胞内钙离子浓度变化。

科研人员希望通过光来检测和控制神经细胞的活动。

（1）膜电位变化是神经细胞活动最基本的信号,当膜电位发生变化时,细胞膜上镶嵌的许多蛋白质分子都会改变形状,这类随膜电位变化而改变形状的蛋白质分子叫电压敏感蛋白。

科研人员将电压敏感蛋白A的基因与绿色荧光蛋白(GFP)基因连接,构建融合基因。

将融合基因通过法导入小鼠受精卵中。

转入融合基因的小鼠神经细胞受到刺激并产生兴奋时,膜电位发生的变化是。

膜电位变化引起蛋白A的形状改变,引起GFP的改变,发光持性也随之改变,如图所示，从而可以观察到膜电位的变化。

（2）静息时,神经细胞膜上的Ca2+ 通道处于关闭状态,当兴奋沿轴突传递到时,细胞膜上的Ca2+ 通道打开,Ca2+ 进入细胞与钙调蛋白结合,使钙调蛋白结构发生改变,进而引起
向突触前膜定向移动,释放。

若希望通过绿色荧光来观察神经细胞内Ca2+ 含量的变化,请你写出实验设计方案:。

（3）为了通过光来控制神经细胞的活动,科研人员分离出光敏通道蛋白C。

当光敏通道蛋白C吸收光子后,阳离子通道打开,Na+ 内流导致神经细胞。

随后,科研人员使光敏通道蛋白C基因在果蝇与翅相连的胸肌细胞上表达,一种可以观察到光能否控制神经细胞活动的方法是：。