高考生物学二轮复习备课素材：多变量实验题的类型及审答思维

多变量实验题的类型及审答思维多变量实验题频频出现在近年高考中。通过对多变量的考查，进一步加强了对考生生物学实验能力的考查。解答多变量实验题时，采用单因素分析法将多变量实验转化为多个单一变量子实验，这是备考复习的共识。但是多变量实验有哪些类型、如何拆分转化，这是审答多变量实验题的“最后一公里”，也是绝大多数考生感到“心有余而力不足”“只可意会，不可言传”的原因之一。从逻辑学角度分析，多变量实验中各个自变量存在一定的层阶性逻辑关系，主要有选择式、并列式、承接式和递进式等关系。每种类型拆分转化方法略有差异。1．选择式多变量实验题的审答思维选择式多变量实验是指对实验结果和结论造成影响存在着多种自变量可能变量的情况，其中有一种或多种是真正的“因”，需要选择或取舍（图1）。常见描述句式有：（1）验证影响因变量的原因是自变量1,而不是自变量2。例如，达尔文实验验证感受光刺激的部位是燕麦胚芽鞘尖端而不是下面一段；鲁宾和卡门用同位素示踪法研究光合作用中氧气的来源等。（2）探究自变量1和自变量2对因变量的影响。例如，探究Fe3+和过氧化氢酶对过氧化氢分解速率的影响。这类实验题的特点是各自变量相对独立，互不干扰。审答时，可直接拆分转化为独立验证每个自变量与因变量关系的子实验，然后再对各子实验进行综合分析而得出结论。例1、（2021年高考山东卷第23题，节选）过度紧张、焦虑等刺激不仅会导致毛囊细胞数量减少引起脱发，也会导致黑色素细胞减少引起头发变白。利用黑色小鼠进行研究得出的相关调节机制如图2所示。（3）已知长期束缚会引起小鼠过度紧张、焦虑。请设计实验验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响。实验思路：取生理状况相同的黑色小鼠若干只,随机平均分为A、B、C、D4组,A组不作处理,B组切除肾上腺,C组束缚,D组切除肾上腺并束缚，其他条件相同且适宜，饲养一段时间后，观察并记录小鼠体毛数量（生长情况）和颜色的变化。实验现象：A组小鼠的体毛无变化；B组小鼠的体毛增多，不变白；C组小鼠脱毛且变白；D组小鼠毛发增多（生长旺盛），变白。思维方法：此题要求考生设计实验验证长期束缚及肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响，并预期实验结果，考查了考生的科学探究、科学思维和获取信息的能力。本实验的自变量是“有无长期束缚”和“有无肾上腺”，二者相对独立，是典型的选择式多变量实验。根据题干信息可拆分为以下3个子实验：“验证长期束缚对小鼠体毛的影响”“验证肾上腺对黑毛小鼠体毛的影响”和“长期束缚及肾上腺共同作用对黑毛小鼠体毛的影响”，此题就迎刃而解了。2．并列式多变量实验题的审答思维并列式多变量实验指影响实验结果和结论的多个自变量之间没有主次之分，都是并列地组合在一起，同时作用于因变量（图3）。常见描述句式为：探究不同自变量1条件下，自变量2对因变量的影响。例如，探究不同温度条件下pH对唾液淀粉酶活性的影响，探究不同二氧化碳浓度条件下光照强度对植物光合作用的影响。这类实验题特点是各自变量有多个因素，根据排列组合，需拆分为多组子实验进行验证。因此，直接考查实验设计较少见，多以曲线分析或表格设计形式进行考查。例2．（2021年高考福建卷第17题，改编）大气中浓度持续升高的CO2会导致海水酸化，影响海洋藻类生长进而影响海洋生态。龙须菜是我国重要的一种海洋大型经济藻类，生长速度快，一年可多次种植和收获。科研人员设置不同大气CO2浓度（大气CO2浓度LC和高O2浓度HC）和磷浓度（低磷浓度LP和高磷浓度HP）的实验组合进行相关实验，结果如图4所示。（1）图4所示实验的目的是探究不同CO2浓度和磷浓度组合条件下，光照强度对龙须菜净光合速率的影响。思维方法：此题要求考生根据曲线图写出实验目的，考查获取信息和实验探究的能力。规范性地叙写实验目的应该包括实验性质、自变量、实验材料和因变量等四要素。此题关于实验目的四要素，考生一般容易找到，难点在于不理解“不同CO2浓度和磷浓度组合”“光照强度”两个自变量之间的逻辑关系。龙须菜净光合速率是同时受到两个自变量的影响，实验目的要体现不同CO2浓度和磷浓度组合、不同光照强度下净光合速率的差异。参照并列式多变量实验的常见描述句式，即可写出正确答案。3．承接式多变量实验题的审答思维承接式多变量实验是指前自变量依次影响后自变量，后边自变量影响因变量，相继发生后作用于因变量的多变量实验（图5）。常见描述句式为：验证自变量1通过（产生）因变量1（自变量2）作用于因变量2等。例如，验证发育种子会产生生长素促进植物发育。这类实验特点是：因变量1既是自变量1的因变量，又是因变量2自变量。承接式多变量实验实质是由“探究自变量1与因变量1关系”“探究自变量2与因变量2之间关系”和“探究自变量1与因变量2之间关系"3个连锁子实验组成。由此可知，承接式多变量实验应设计23=8组实验组合，但由于一级实验时，可以同时验证二级实验部分实验现象，故实践操作中只需设计4组实验即可，其处理方法如表1。例3．（2021年高考北京卷第21题，节选）近年来发现海藻糖-6-磷酸（T6P）是一种信号分子，在植物生长发育过程中起重要调节作用。研究者以豌豆为材料研究了T6P在种子发育过程中的作用。细胞内T6P的合成与转化途径如下：在进一步探讨T6P对种子发育的调控机制时，发现U-P(导人P酶基因）植株种子中一种生长素合成酶基因R的转录降低，U-S(导人S酶基因)植株种子中R基因转录升高。已知R基因功能缺失突变体的种子皱缩，淀粉含量下降。据此提出假说：T6P通过促进R基因的表达促进种子中淀粉的积累。请从①~③选择合适的基因与豌豆植株，进行转基因实验，为上述假说提供两个新的证据。写出相应组合并预期实验结果。①U-R基因②U-S基因③野生型植株U-P植株③突变体r植株参考答案②③组合，与突变体r植株相比，转基因植株种子的淀粉含量不变，仍皱缩；①④组合，与U-P植株相比，转基因植株种子淀粉含量增加，为圆粒；②④组合，与U-P植株相比，转基因植株种子R基因转录提高，淀粉含量增加，为圆粒。（答出任意两条即可）思维方法：此题要求考生选择相应实验组合完善实验，验证T6P通过促进R基因的表达促进种子中淀粉的积累。考查考生实验设计的基本技能以及对承接式多变量实验的内涵和外延的理解。本实验自变量1是“有无T6P”，自变量2（因变量1)是“基因R的转录量”，因变量2是“种子的形状和淀粉含量”。参照表1，组别1有自变量1（②④组合实验），出现因变量1（R基因转录提高）、因变量2（淀粉含量增加，为圆粒）；组别2是空白对照，不能直接证明或提供证据；组别3有自变量1，无自变量2（②③组合实验），不出现因变量2（转基因植株种子的淀粉含量不变，仍皱缩）；组别4无自变量1,有自变量2（①④组合），会出现因变量2（淀粉含量增加，为圆粒）。4．递进式多变量实验题的审答思维递进式多变量实验是指多个自变量中，其中某个会增强或减弱另一个自变量作用效果（图6）。常见描述句式为：①验证自变量2会增强（或减弱）自变量1的作用效果。例如，验证Mg2+是DNA聚合酶的激活剂；②验证自变量1与自变量2之间相互拮抗（协同）作用。例如，探究细胞分裂素和脱落酸对叶片衰老有拮抗作用。这类实验与承接式多变量的区别是自变量之间不互为因果关系，而是互为干扰。递进式多变量实质是各个自变量单独作用（一级对照）与共同作用（二级对照）的前后对照。例4．（2021年1月浙江卷第30题，节选）1897年德国科学家毕希纳发现，利用无细胞的酵母汁可以进行乙醇发酵；还有研究发现，乙醇发酵的酶发挥催化作用需要小分子和离子辅助。某研究小组为验证上述结论，利用下列材料和试剂进行了实验。材料和试剂：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各类生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各类小分子和离子）、葡萄糖溶液、无菌水。实验共分6组，其中4组的实验处理和结果如表2所示。回答下列问题：（1）除表中4组外，其他2组的实验处理分别是：葡萄糖溶液+酵母汁；葡萄糖溶液+A溶液+B溶液。本实验中，这些起辅助作用的小分子和离子存在于酵母菌、酵母汁和B溶液。思维方法：此题以毕希纳科学史实验为情境，考查实验设计能力，要求根据提供的材料和试剂，完善实验内容，深人考查科学探究能力。由题干信息可知，本实验目的是验证“无细胞的酵母汁可以进行乙醇发酵”及“乙醇发酵的酶发挥催化作用需要小分子和离子辅助”。前一个实验是个单变量实验，题干中组别①②分别是空白对照和阳性对照，增设“葡萄糖溶液