第5讲 科学探究的思想
科学探究思想在生物学科中的应用充分体现了“掌握相关操作技能，验证简单生物学事实，对生物学问题进行初步探究，并对一些简单的实验方案作出恰当的评价和修改”的考纲能力要求。
科学探究在本质上是科学家用来解决自然领域或科学问题的一种思维方式，追求知识的确凿性，用实验证据来证明。与其他形式的思维相比，科学思维具有广阔性、深刻性、独立性和敏捷性等特点；科学探究也是一种过程，有一定的活动程序或阶段，从发现问题到解决问题，一般过程包括提出问题、作出假设、设计实验方案、实施实验、分析实验结果，若支持假设则建立某一理论，若否定假设则改进实验设计再实验或重新假设(可简单地用下图表示)；在探究活动中除了遵循一定的步骤外，还要采用一系列的科学方法。
虽然新课程倡导探究性学习理念，但高考试题要求学生独立完成全程性探究实验的各个方面的可能性较小，而要求学生对探究过程中的个别方面，也就是对某个局部进行科学的补充可能性较大。
命题视角1 补充完善类实验——一般给出了具体的材料及条件，要求对已有的实验设计进行补充和完善。常让考生补充实验假设、实验原理、实验思路、实验步骤、预期实验结果或结论。
典例剖析 研究表明，低浓度的生长素促进细胞的伸长，但生长素浓度增高到一定值时，就会促进细胞中乙烯的合成，而乙烯含量的增高，反过来又抑制了生长素对细胞伸长的促进作用。现以黄花豌豆幼苗切段为实验材料，请设计实验验证乙烯对生长素促进细胞伸长的抑制作用。
实验工具及材料：黄花豌豆幼苗若干、剪刀、刻度尺、培养皿、烧杯、培养液、五种一定浓度梯度的生长素溶液(其中含最适浓度)、一定浓度梯度的乙烯、清水、滤纸等。
实验步骤：
①取生长状况相同的豌豆幼苗，_____________________________________________
________________________________________________________________________；
②取标号为A、B、C、D、E的五只培养皿，分别加入相同的培养液和不同浓度的生长素溶液，将五组豌豆茎切段放入培养皿内，置于相同条件下培养；
③________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
④再取生长状况相同的豌豆幼苗，从豌豆幼苗的同一部位切取等长的茎段若干段，平均分成五组；
⑤取标号为a、b、c、d、e的五只培养皿，分别加入________________________________________，将豌豆茎切段分组放入培养皿内，将各组装置分别置于________________环境中，并在与步骤②相同的条件下培养；3天后，测量茎切段长度，计算每组茎切段长度的平均值。
实验结果：将实验结果绘制成下图所示曲线。
解析 第一个空的填写受众多条件限制：题目要求以“黄花豌豆幼苗切段”为实验材料，因此必须对所提供的生长状况相同的黄花豌豆幼苗进行切段处理。为了排除无关变量对实验结果的影响，切取的部位、长度都要相同。由于步骤②中提到“将五组豌豆茎切段放入培养皿内”，说明分组必须在第一步完成，分组时要遵循实验的等量原则。总体来看前两步，①取材分组→②施加实验条件，并培养，因此可以推断步骤③应该为观察记录，再结合最下面的题图可知，步骤③应该是“3天后，测量茎切段长度”，由于每组有多段茎切段，因此应取其平均值，或者说步骤⑤的处理也是一种“暗示”。在确定出生长素溶液的最适浓度后，再“验证乙烯对生长素促进细胞伸长的抑制作用”，因此，五只培养皿中应先加入相同的培养液和最适浓度的生长素溶液，使茎切段处于最适生长状态，然后再添加不同浓度的乙烯，观察其对生长素促进细胞伸长的抑制作用。
答案 ①从豌豆幼苗的同一部位切取等长的茎段若干段，平均分成五组 ③3天后，测量茎切段长度，计算每组茎切段长度的平均值，对所得数据进行统计分析，找出最适生长素浓度 ⑤相同的培养液和最适浓度的生长素溶液 不同浓度的乙烯
备考指导
解答此类题时要紧扣题意，仔细结合上下文进行补充。其突破方法是：
(1)补充实验原理类：需要深入分析题目中与实验原理有关的内容，如对照组实验、重要实验步骤、重要实验装置、完善实验装置、完善实验所用的实验方法等，在此基础上，联系教材中相关联的原理、知识点进行知识迁移，归纳其原理。解决这类问题的关键是看我们能否对教材中基础实验的原理深刻理解，能否对其融会贯通，举一反三，是否学会了类比迁移。
(2)补充实验步骤类：需根据实验目的确定实验变量，审读所提供的信息中是否准确控 制了实验变量，是否遵循对照原则、单一变量原则等。对此类问题的考查，主要是看 考生是否知道实验变量的控制及实验原则的遵循。
(3)预测实验结果类：需认真分析实验目的和相关知识，确定自变量对因变量的影响。一定要辨别实验是属于验证性实验还是探究性实验。验证性实验具有明确的结果；探究性实验的现象和结果是未知的或不确定的，应针对各种可能性分别加以考虑和分析，得到相关结论。无论是哪种情况，文字描述应力求简练、准确、科学。
思想体验
1． 植物的根具有向重力生长的特性，下列是研究根向重力生长机理的两个实验。
实验一：将空白琼脂和含EDTA的琼脂做成帽状，分别套在甲、乙两组玉米胚根的根冠外(示意图如下)。(提示：EDTA的作用是去除与其临接部位的Ca2＋。)
将胚根水平放置培养一定时间后，观察到甲组胚根向重力(下)生长，乙组胚根水平生长。据上述实验结果，得出实验结论：______________________________________
________________________________________________________________________。
实验二：水平放置的胚根弯曲向下生长，与根冠近地侧的Ca2＋浓度明显高于远地侧有关。研究表明，根总是朝着Ca2＋浓度高的方向弯曲生长。为验证这一结论，有人设计了下列实验方案。请根据提供的实验材料和用具，写出第二步及以后的实验步骤和实验结果，并回答问题：
(1)实验材料和用具：胚根等长的萌发玉米种子，含EDTA的琼脂帽，含Ca2＋的琼脂块，空白琼脂块，培养皿等。
(2)实验步骤：
第一步：取若干个培养皿，在每个培养皿中放置适量的萌发玉米种子，按实验一中乙组的方法处理胚根一定时间后，移去根冠外的琼脂帽。
第二步：_________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
第三步：_______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
第四步：_________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)实验结果：____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)科学家进一步证实，根冠中生长素的分布受Ca2＋浓度影响，当胚根水平放置时，重力诱导Ca2＋向根冠下侧移动，导致近地侧的生长素浓度比远地侧高。请分析胚根的生长素分布与向重力生长的关系：_____________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 实验一：胚根向重力(下)生长与(根冠部位的)Ca2＋有关
实验二：(2)第二步：将培养皿均分为两组，编号为A、B
第三步：在A组的胚根上方放一个空白琼脂块，在B组的胚根上方放一个含Ca2＋的琼脂块(如图)
第四步：将胚根水平放置培养一定时间后，观察胚根的生长方向
(3)实验结果：A组胚根水平生长，B组胚根弯曲向上生长
(4)生长素对根生长的作用具有两重性，低浓度生长素促进生长，高浓度则抑制生长。对根来说，生长素的最适浓度较低，近地侧的生长素浓度较高，生长慢；远地侧的生长素浓度较低，生长快。因而，胚根弯曲向下生长
解析 在解答实验一时，要准确提取题干中的有效信息，即EDTA的作用是去除与其临接部位的Ca2＋，答题可就情境作答，答案便一目了然。实验二在设计实验步骤时不能把琼脂块放在胚根的下面，因为对最终的实验结果(B组胚根向下生长)进行解释时，无法区别胚根向下生长是因为受Ca2＋的影响还是受重力的影响。对实验结果的预测，要把握验证性实验的特点，即实验结果不具有开放性，并且和实验目的的形成呼应。
命题视角2 实验评价与修订——此类试题主要依据已知的实验目的、原理、材料用具评价修订实验方案。要求学生依据所掌握的生物学知识，分析评价已知方案的优缺点，并说明原因或进一步修订原方案。
典例剖析 小白鼠是恒温动物，当环境温度明显降低时，其体温仍能保持相对恒定。为了探究调节体温的中枢是否为下丘脑，某校生物兴趣小组制订了以下实验方案：
实验假设：下丘脑是调节体温的中枢。
材料用具：略。
实验步骤：
①取两只健康状况良好且相同的成年小白鼠，并标记为甲、乙。
②用一定的方法破坏甲鼠的下丘脑，乙鼠不做处理作为对照，并分别测量初始体温。
③把甲鼠置于0 ℃环境中，把乙鼠置于25 ℃环境中作为对照，在相对安静的条件下观察24 h，每隔4 h分别测量一次体温，并做好记录。
预期结果与结论：甲鼠体温发生明显改变，乙鼠体温保持相对恒定，说明下丘脑是调节体温的中枢。
(1)该兴趣小组设计的实验方案有哪些不妥之处？请提出相应的改进意见：①________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)若没有破坏甲鼠的下丘脑，将甲鼠置于0 ℃的环境中，则甲鼠维持体温恒定的调节方式是____________，请写出导致战栗的反射弧：________________________________________________________________________。
(3)寒冷环境下，老年鼠的耗氧量会________，导致这个变化的主要激素是____________。
(4)将乙鼠从25 ℃移入40 ℃的环境中，产生炎热感觉的结构是____________。
解析 一般情况下，用活体做实验时，为避免因个体死亡或个体差异等情况而导致实验不能正常进行，常选取几个相同状况的个体进行研究。除对下丘脑的处理方式不同外，其他的无关变量均应该相同。实验目的为“探究调节体温的中枢是否为下丘脑”，而最后结论的表述并没有“扣题”，而是按验证性实验处理，这是明显的错误。低温环境下，机体可通过神经调节使皮肤血流量减少、骨骼肌产热量增加等，同时还可以引起甲状腺激素和肾上腺素分泌增加，因此，既有神经调节，又有激素调节。所有的感觉都在大脑皮层形成。
答案 (1)①取材不当，应取若干只健康状况良好且相同的成年小白鼠 ②不符合单一变量原则，应将两组小白鼠均置于0 ℃环境中 ③实验结果与结论描述有误，应按探究性实验书写预测实验结果和结论
(2)神经和激素调节 冷觉感受器→传入神经→下丘脑体温调节中枢→传出神经→骨骼肌 (3)增加 甲状腺激素 (4)大脑皮层
备考指导
此类试题要求学生对实验原理、目的要求、材料用具、方法步骤、实验现象、结果或结论等内容熟悉，能找出错误的地方并给予纠正，常以生物学中一些经典实验或学生实验为基础而设计，要求学生拥有扎实的基础知识和基本技能，突出了对“双基”的考查。其一般步骤包括：
第一步：分析取材是否正确。
第二步：分析实验原理及方法是否正确。
第三步：分析药品与试剂的使用是否合理。
第四步：步骤及操作分析，主要有以下情况：①漏做或颠倒某个实验步骤；②操作方法错误；③有没有设置对照，如果有看对照设计是否合理；④实验是否遵循了单一变量原则；⑤实验是否具有偶然性；⑥有无更为简单的实验方案；⑦实验能否顺利完成；⑧实验的安全性如何。
第五步：分析实验结果是否正确。
思想体验
2． 某生物小组的同学为了研究叶绿体色素对不同波长光的吸收情况，设计了一个小实验，具体步骤如下：
(1)室外随意搬取4株天竺葵，制作4个能装下天竺葵的相同规格的黑色硬纸盒，每个纸盒内分别装上不同颜色(红、黄、绿、蓝)，功率相同的彩灯；
(2)将4株天竺葵分别放入4个黑色纸盒中，在相同且适宜的条件下，接通电源，照光4小时；
(3)从4株经光照后的天竺葵上同时各取一片叶片放入培养皿中，滴加等量碘液；
(4)观察并比较各培养皿中叶片的颜色变化。
请你指出以上实验设计中的不足之处，并做出修改。
不足之处一：_________________________________________________________。
修改为：_____________________________________________________________。
不足之处二：_________________________________________________________。
修改为：_____________________________________________________________。
不足之处三：_________________________________________________________。
修改为：______________________________________________________________
答案 不足之处一：没有进行饥饿处理
修改为：将天竺葵放置黑暗处24小时
不足之处二：没有说明天竺葵的生长发育状况是否一致
修改为：选取生长发育状况一致的天竺葵
不足之处三：没有说明叶片选取是否一致
修改为：选取叶龄相同、大小相似的叶片
不足之处四：没有对所有材料进行编号
修改为：将四组实验装置以及培养皿等进行编号
(注：答出三项即可，只要符合实验设计原则，答案合理即可)。
解析 本实验的目的是探究叶绿体色素对不同波长光的吸收情况。应选择生长发育一致的天竺葵作为实验材料，随机编号为甲、乙、丙、丁，首先进行饥饿处理一段时间，使储存在天竺葵中的有机物消耗完，然后分别用不同波长的彩灯照射，4小时后，分别取叶龄、大小一致的叶片，经脱色后滴加碘液处理，观察叶片的颜色变化。
命题视角3 科学方法——假说—演绎、建立模型与类比推理等都是现代科学研究中常用的一些科学方法。利用假说—演绎法，孟德尔发现了两大遗传定律；利用建立模型法，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构；利用类比推理，萨顿提出基因位于染色体上的假说。
典例剖析 “假说—演绎法”是现代科学研究中常用的一种方法，下列属于孟德尔在发现基因分离定律时的“演绎”过程的是 ( )
A．生物的性状是由遗传因子决定的
B．由F2出现了“3∶1”推测生物体产生配子时成对遗传因子彼此分离
C．若F1产生配子时成对遗传因子分离，则测交后代会出现两种性状比例接近1∶1
D．若F1产生配子时成对遗传因子分离，则F2中三种基因型个体比例接近1∶2∶1
解析 “假说”是通过实验、观察，提出假说并解释；“演绎”是对其解释的验证，其过程就是测交。
答案 C
备考指导
1． “假说—演绎法”是现代科学研究中常用的一种科学方法，以下为假说—演绎推理的逻辑关系。
2． “假说—演绎法”非常有利于学生逆向思维能力的培养和提高，同学们在平时思考问题和解题时多用“假说—演绎法”。譬如，在探究性实验设计中结果和结论的预测分析时，要经常用到“假说—演绎”法先进行逆向思维分析，然后再进行正向组织答案进行描述。
思想体验
3． 玉米短节与长节是一对相对性状，皱缩叶与正常叶是一对相对性状。玉米叶脉的颜色有绿色和褐色两种，茎秆有甜和不甜两种。下面是科学家分别用玉米进行的两个遗传实验。
实验一：纯合的短节皱缩叶植株与纯合的长节正常叶植株杂交，F1全部为长节正常叶植株，F1自交，F2中长节正常叶植株∶长节皱缩叶植株∶短节正常叶植株∶短节皱缩叶植株＝9∶3∶3∶1。
实验二：纯合的绿色叶脉茎秆不甜植株与纯合的褐色叶脉茎秆甜植株杂交，F1全部为绿色叶脉茎秆不甜植株，F1自交，F2中绿色叶脉茎秆不甜植株∶褐色叶脉茎秆甜植株＝3∶1(无突变、致死等现象发生)。
(1)如果控制节长的基因用A和a表示，而控制叶形状的基因用B和b表示，请画出实验一中F1的两对基因在染色体上的位置。(用长线表示染色体，用其上的短线表示基因位置)。
(2)与实验一F2的结果相比，你从实验二F2的结果中发现了什么问题？________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)根据你发现的问题，尝试提出一个合理的假说(要求简单概括)_______________
________________________________________________________________________。
(4)根据你的假说，实验二中F1产生配子的种类有______种，分别是_______________
_________(提示：标出基因在染色体上的位置，控制叶脉颜色的基因用R和r表示，控制茎秆甜度的基因用M和m表示)。
(5)为验证自己的假说是否成立，可采取____________法，预期的实验结果是__________________________________。若实际的实验结果与自己演绎推理的预期结果一致，则说明假说成立，否则假说不成立。
答案 (1)如图所示
(2)实验二中两对相对性状的遗传不遵循自由组合定律，而遵循分离定律
(3)两对基因位于一对同源染色体上，且形成配子时不发生交叉互换现象
(4)2 、
(5)测交 绿色叶脉茎秆不甜植株∶褐色叶脉茎秆甜植株＝1∶1
解析 (1)实验一中，F1全部为长节正常叶植株，F1自交后代F2中出现的性状分离比为9∶3∶3∶1，由此可以确定实验一中控制两对相对性状的基因位于两对同源染色体上。(2)实验二中，F1自交后代F2中只表现出两种性状，比例为3∶1，由此可以确定这两对相对性状的遗传不符合自由组合定律，而符合基因分离定律，可能是因为控制这两对相对性状的基因位于一对同源染色体上，且减数分裂形成配子时未发生交叉互换。如果假说成立，则F1只会产生、两种配子。要验证这个假说，可用双隐性纯合子rrmm与F1进行测交，若后代只表现出绿色叶脉茎秆不甜和褐色叶脉茎秆甜两种植株，且比例为1∶1，则说明假说成立。
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