2023届高考生物二轮复习专题7微专题2实验设计、分析与评价学案

微专题2　实验设计、分析与评价

概念线索 网络构建

1．实验中变量的控制

变量之间的关系

一个实验中自变量可能有1个或多个，因变量也可能有1个或多个，无关变量一般有多个。如探究“××”和“×××”对“××××”的影响，涉及2个自变量；如探究“××”对“×××”和“×××”的影响，涉及2个因变量，如教材中探究过氧化氢的分解，自变量有加热、Fe3＋、过氧化氢酶3个。   

(1)自变量的处理方法   

①“加”或“减”：例如验证甲状腺激素的生理作用——“加”即口服或注射该激素；“减”即手术切除甲状腺法。

②“换”：如探究温度对酶活性的影响实验，对自变量温度无法“加”或“减”，就用“换”的方法。   

(2)无关变量的控制方法   

无关变量对实验结果即因变量会产生影响，是需要控制的变量，如探究扦插枝条生根，无关变量涉及植物的种类、生长状态，浸泡的时间、条件等；探究温度对酶活性的影响，首要控制的无关变量是该酶的pH保持一致且处于最适状态。一般控制无关变量的方法有：

①消除法：排除或隔离无关变量对实验结果的影响。例如在“验证生长素能促进果实发育”的实验中，有一组要求无生长素，需在开花前，用纸袋将雌花套住，以隔离外来花粉的干扰。

②恒定法：在整个实验中，尽量使所有的实验条件、实验处理、实验对象等都恒定不变。例如在“探究淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用”实验中，始终将试管处于恒温水浴中，以消除温度这一无关变量对实验的影响。

③平衡法：设立对照组，除自变量以外，无关变量对实验组、对照组的影响都是均等的，从而可不计无关变量的影响，得到实验变量的效果。   

(3)因变量的确定：因变量必须是可测量或可观察的指标，例如某溶液中是否存在淀粉酶，肉眼看不到，通过实验加淀粉，但淀粉含量是否发生变化还是看不到，所以需要通过加碘液或斐林试剂进行颜色方面的鉴定，即是否出现蓝色或砖红色沉淀这些现象指标作为因变量。

2．厘清实验设计的思路

3．描述实验设计步骤的“三步曲”

4．实验结果与结论的分析与归纳

实验结果是指通过观察或测量得到的实验现象，是实验实际出现的情况。实验结论是根据对实验因变量与自变量关系的分析得出的具有普遍意义的理论性结论。结论的得出必须依据实验结果。归纳实验结论的一般思路：

(1)通过实验目的或步骤(根据单一因素不同)找出实验变量，将实验分为多个对照组。

(2)由因找果，分析实验变量与结果间的逻辑关系，先得出正确结论(分结论)。

(3)再根据各对照组中得出的“分结论”，综合为“全面结论(总)”。

(4)在验证性实验中，如果实验目的已知，可直接作为正确结论，但全面性要因对照组而定。

5．“五看法”评价实验设计

——实验设计的思路

1．(2022·河北衡水中学检测)“加法原理”和“减法原理”是实验设计过程中控制自变量的两种原理。与常态比较，人为增加某种影响因素的称为“加法原理”，而人为去除某种影响因素的称为“减法原理”。下列研究应采用“加法原理”的是(　　)

A．研究酸雨对植物的毒害作用

B．研究种子萌发需要的外界条件

C．研究Mg是合成叶绿素的必需矿质元素

D．研究CO2是植物光合作用必不可少的原料

A　[研究酸雨对植物的毒害作用，实验组添加SO2因素处理，属于加法原理，A符合题意；研究种子萌发需要的外界条件，实验组可用不提供H2O等外界因素处理，属于减法原理，B不符合题意；研究Mg是合成叶绿素的必需矿质元素，实验组可用缺Mg的培养液处理，属于减法原理，C不符合题意；研究CO2是植物光合作用必不可少的原料，实验组用不提供CO2处理，属于减法原理，D不符合题意。]

2．(2021·浙江6月选考改编)下列关于酶的特性及其影响因素相关实验的叙述，正确的是(　　)

A．在“酶的催化效率”实验中，若以煮熟的马铃薯块茎代替生的马铃薯块茎，实验结果相同

B．在“探究pH对过氧化氢酶的影响”实验中，分别加入不同pH的缓冲液后再加入底物

C．在“探究酶的专一性”实验中，设置1、2号试管的目的是检验酶液中是否混有还原糖

D．设计温度对蛋白酶活性影响的实验方案时，可选择斐林试剂检测反应产物

B　[煮熟的马铃薯块茎中酶已经失活，用其代替生的马铃薯块茎，实验结果不相同，A错误；在“探究pH对过氧化氢酶的影响”实验中，不同pH为自变量，在酶溶液中分别加入不同pH的缓冲液后，再与底物混合，以保证反应pH为预设pH，B正确；在“探究酶的专一性”实验中，设置1、2号试管的目的是检验淀粉溶液和蔗糖溶液中是否混有还原糖，C错误；设计温度对蛋白酶活性影响的实验方案时，温度作为自变量，而斐林试剂检验还原糖需要水浴加热，会改变实验温度，影响实验结果，故不能选择斐林试剂检测反应产物，D错误。]

——实验方案的设计

3．(2022·湖南名校联考)研究发现瘦素是与肥胖相关的激素之一。科学家道格科曼所在的实验室发现了A、B两类超级肥胖的小鼠。科学家推测肥胖小鼠可能缺乏某种食欲抑制因子(后来命名为瘦素)或者该因子的受体(瘦素受体)。他们利用A、B肥胖小鼠以及正常小鼠进行实验，通过手术使两种小鼠的血液循环贯通，形成连体小鼠。实验处理和结果如下表所示：

(1)正常情况下，体脂增加使脂肪细胞分泌的瘦素增多，瘦素经________运输，作用于下丘脑对应神经中枢，该信号传递至________，使小鼠产生饱腹的感觉，减少食物的摄入，进而脂肪合成减少，脂肪细胞瘦素含量降低。

(2)根据实验结果推测，A、B两类小鼠肥胖的原因可能是A小鼠________________________________，B小鼠__________________________。

(3)第4组是对照实验，对照实验的目的是______________________。

(4)人们常说预防肥胖减轻体重应“管住嘴，迈开腿”，适当节食并适量运动比单独节食或运动效果更好。为了验证这一说法，并研究适当节食和适量运动对瘦素含量的影响，请用常规饲养(不节食不增加运动)的肥胖模型小鼠为材料，设计实验并写出简要实验思路：____________________________________________

______________________________________________________________________

___________________________________________________________________。

[答案]　(1)体液　大脑皮层　(2)缺乏食欲抑制因子的受体(无瘦素受体)　不能合成食欲抑制因子(无瘦素)　(3)排除连体实验手术对实验结果的影响　(4)将若干常规饲养的肥胖模型小鼠随机分为四组，A组为常规组(不节食不增加运动)，B组适当节食，C组适量运动，D组适当节食加适量运动，一段时间后检测小鼠体重减少量及瘦素含量变化

——实验结果的分析和归纳

4．(2022·广东韶关检测)葡萄籽原花青素提取物(GSPE)是从葡萄籽中分离出的多酚类混合物。为探究GSPE对糖尿病小鼠血糖的影响，某科研小组进行了如下实验：

处理Ⅰ：将60只健康且生理状态相同的小鼠随机分为甲、乙两组。甲组(50只)注射一定浓度的四氧嘧啶(ALX)，以获得糖尿病模型小鼠，乙组(10只)不作处理。

处理Ⅱ：实验过程及实验结果如下表

注：格列本脲为临床使用的降血糖药物。

请回答下列问题：

(1)ALX通过特异性识别并破坏小鼠的________细胞，使胰岛素分泌大量减少，血糖升高，从而获得糖尿病模型小鼠。

(2)上述处理Ⅱ的对照组有________(填字母)。处理Ⅱ中需控制的无关变量有______________________________________________(答两点)。

(3)该实验结果表明：

①GSPE可以降低糖尿病小鼠血糖；

②在一定浓度范围内_____________________________________________

______________________________________________________________；

③__________________________________，具有医学实践上的意义。

(4)根据以上实验推测GSPE的作用机制是__________________________

______________________________________________________________。

[解析]　(1)题中显示，注射一定浓度的四氧嘧啶(ALX)，获得糖尿病模型小鼠，而糖尿病是由胰岛素含量减少引起的，胰岛素是由胰岛B细胞合成并分泌的，据此可推测，ALX通过特异性识别并破坏小鼠的胰岛B细胞，使胰岛素分泌大量减少，血糖升高，从而获得糖尿病模型小鼠。(2)上述处理Ⅱ中的D、E、F均为对照组，其中D组是对糖尿病治疗效果的对照，E组是糖尿病无治疗措施的空白对照，F组是正常小鼠健康指标的对照。处理Ⅱ中灌胃溶液的体积、采血时间和采血量等均属于无关变量，无关变量在实验中的处理要求是相同且适宜。(3)该实验结果表明：①与E组小鼠(无药物处理的糖尿病组)相比，GSPE可以降低糖尿病小鼠血糖；②随着灌胃GSPE浓度的升高，血糖浓度降低效果越明显，说明在一定浓度范围内随着使用浓度的增加，GSPE降血糖效果越好；③A、B、C组的降血糖效果均好于D组，说明适宜浓度的GSPE可作为降血糖药代替格列本脲。(4)实验结果显示，A、B、C组的胰岛素浓度均高于E组，且与格列本脲一样能够使胰岛素含量上升，但均低于F组，而胰岛素是由胰岛B细胞分泌的，据此可推测GSPE之所以能够降血糖可能是通过修复受损胰岛B细胞或增强胰岛B细胞合成并分泌胰岛素的能力实现的，因而胰岛素水平上升，进而起到了治疗糖尿病的作用。

[答案]　(1)胰岛B　(2)D、E、F　灌胃溶液的体积、采血时间和采血量等　(3)②GSPE降低血糖的效果与药物剂量成正相关(或随着灌胃GSPE浓度的升高，血糖浓度降低)　③适宜浓度的GSPE可作为降血糖药代替格列本脲　(4)GSPE降血糖作用机制可能与修复受损胰岛B细胞，提高胰岛素水平有关

——实验方案的评价与修订

5．(2022·成都七中检测)EV71是引发人手足口病的一种肠道病毒(图2)。目前临床上还没有有效的治疗药物，疫苗的研发与接种是控制手足口病流行的重要手段。科研人员用小鼠进行相关实验，请根据下图回答下列问题：

图1

图2

(1)该实验的自变量是________。多次免疫后，分别取上述4组小鼠的血清，测定血清中抗体与相关抗原的结合强度，结果如图1所示。实验表明EV71免疫的小鼠血清抗体________(填“是”或“不是”)单一抗体，判断依据是______________________________________________________________________

___________________________________________________________________。

(2)科学家通过基因工程诱导大肠杆菌表达病毒的衣壳蛋白VP1经纯化，加佐剂SA04吸附后，二者共同被免疫系统识别加工，发挥免疫作用，吸附后制成疫苗用于预防手足口病，与传统灭活疫苗相比，这样的重组疫苗更安全有效，其主要原因是___________________________________________________________

_____________________________________________________________________

__________________________________________________________________。

(3)为评价SA04疫苗佐剂能否提高疫苗的免疫效果，科研人员将VP1、VP1经SA04佐剂吸附后分别注射于小鼠体内，然后分别在第7、14、21、28天测定相应抗体的相对含量。请指出本实验方案存在的缺陷并改进实验方案：____________________________________________________________________

_________________________________________________________________。

[解析]　(1)由图可知，抗原种类是该实验的自变量。由图1可知，EV71免疫的小鼠血清可以结合 EV71、VP1 和 VP2 多种抗原，且抗原－抗体结合强度相对值都较大，可知EV71免疫的小鼠血清抗体不是单一抗体。(2)由于衣壳蛋白VP1无侵染能力，但可刺激机体产生抗体和记忆B细胞，所以衣壳蛋白VP1经纯化，加佐剂SA04吸附后，二者共同被免疫系统识别加工制成疫苗与传统灭活疫苗相比更安全有效。(3)本实验缺乏对照组，改进方案是增加注射SA04佐剂处理和注射生理盐水的对照组，使实验更有说服力。

[答案]　(1)抗原种类　不是　EV71免疫的小鼠血清可以结合EV71、VP1和VP2多种抗原　(2)衣壳蛋白VP1无侵染能力，但可刺激机体产生抗体和记忆B细胞　(3)缺少对照组。增加注射SA04佐剂处理和注射生理盐水的对照组

分析或评价实验方案的常见考查方式

——实验方案的创新设计

6．(2022·日照一模)蛇毒分为神经蛇毒和血液蛇毒。血液蛇毒能破坏血管壁，造成被咬伤处迅速肿胀，皮肤呈紫黑色等。神经蛇毒主要破坏人的神经系统，阻断神经冲动的传播。请分析回答下列问题：

(1)血液蛇毒能导致被咬伤处肿胀的原因是____________________________

________________________________________________________________

______________________________________________________________。

(2)为研究某种神经蛇毒的作用机理，研究人员进行了相关实验(如右图所示)：a和b为小鼠的呼吸中枢发出的支配膈肌收缩的两条传出神经。研究人员将a切断，保留b。然后记录不同实验处理下，位点1处传出神经表面和位点2处膈肌表面的放电频率(单位时间内的兴奋次数)，结果如下表所示。

①不注射蛇毒时，切断a，位点2处仍可记录到放电频率，原因是

_______________________________________________________________

______________________________________________________________。

据表推测，神经蛇毒的作用部位是________。

②进一步用神经蛇毒处理传出神经—膈肌，直至刺激神经膈肌不再收缩，再用乙酰胆碱(一种兴奋性神

经递质)溶液处理膈肌。若膈肌收缩，则神经蛇毒的作用部位可能是_______

_________________________________________________________________

________________________________________________________________。

(3)被毒蛇咬伤后，需要迅速注射抗蛇毒血清进行治疗，其原理是________

________________________________________________________________

______________________________________________________________。

[解析]　(1)血液蛇毒能破坏血管壁，导致血浆蛋白进入组织液，使组织液渗透压升高，所以会产生被咬伤处肿胀的现象。(2)①不注射蛇毒时，切断位点1处，由于b传出神经仍保持完整，呼吸中枢可通过神经b使膈肌兴奋，因此位点2处仍可记录到放电频率；如表中数据，注射蛇毒后位点1处的放电频率不变，而位点2处无放电，推测此种蛇毒主要作用于小鼠神经系统的突触，影响突触传递兴奋。②用神经蛇毒处理传出神经—膈肌，直至刺激神经膈肌不再收缩，再用乙酰胆碱(一种兴奋性神经递质)溶液处理膈肌，若膈肌收缩，说明其未收缩的原因是缺少神经递质，可能是影响突触前膜释放神经递质，或在突触间隙，蛇毒使神经递质失去活性。(3)抗蛇毒血清含有特异性抗体，具有中和相应蛇毒的作用，因此被毒蛇咬伤后，常常迅速注射抗蛇毒血清抗体进行治疗。

[答案]　(1)血液蛇毒能破坏血管壁，导致血浆蛋白进入组织液，使组织液渗透压升高　(2)①b传出神经仍保持完整，呼吸中枢可通过神经b使膈肌兴奋　突触　②突触前膜或突触间隙　(3)抗蛇毒血清含有特异性抗体，具有中和相应蛇毒的作用