1、第十二单元生物学科思想案例解读第 5 课时 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
2、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。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、预期解释结果或结论。命题视角1 近年来在世界范围内频繁爆发了禽流感疫情。我国政府高度重视，已经设立了专门的防治基金。科技部宣布我国已研制成功人用禽流感疫苗。请分析回答下列问题：在转基因微生物细胞内由抗体基因到合成禽
3、流感抗体要经过两个阶段。当人感染禽流感病毒时，较好的治疗方法是直接注射康复者的血清，因为血清中含有抵抗该病毒的抗体，产生抗体的细胞可以由细胞分化而来。禽流感病毒存在高致病性和低致病性两种类型，某同学想探究低致病性禽流感病毒A是否可以作为高致病性禽流感病毒B的疫苗，请你根据提供的实验材料和用具，写出实验原理，补充第二步及以后的实验步骤，并预期实验结果及结论。典例剖析转录和翻译B细胞和记忆 实验目的：探究低致病性禽流感病毒A是否可以作为高致病性禽流感病毒B的疫苗。实验原理：通过接种低致病性禽流感病毒A，；当入侵时，机体。实验材料和用具：健康家禽若干只、低致病性禽流感病毒A、高致病性禽流感病毒B、不
4、含病毒的特殊培养液、注射器等。(提示：可用特殊培养液配制一定浓度的禽流感病毒，但浓度和剂量不作要求)实验过程：第一步：取健康家禽若干只，均等地分为两组，甲组为实验组，乙组为对照组。可刺激家禽体内产生相应的抗体和记忆细胞高致病性禽流感病毒B 由于有记忆细胞，会更快地产生数量更多的抗体用于抵抗病毒的入侵 第二步：。第三步：一段时间后，。再分别给甲、乙两组注射等量的用 给甲组注射用特殊培养液配制的低致病性禽流感病毒A，给乙组注射等量的特殊培养液特殊培养液配制的高致病性禽流感病毒B，观察两组家禽的生活状况 解析 禽流感抗体是蛋白质，由基因控制合成，要经过转录和翻译两个阶段。产生抗体的细胞是浆细胞，可以
5、由B细胞和记忆细胞分化而来。进行实验的原理是实验操作的道理：通过接种低致病性禽流感病毒A，可刺激家禽体内产生相应的抗体和记忆细胞；当高致病性禽流感病毒B入侵时，机体由于有记忆细胞，会更快地产生数量更多的抗体用于抵抗病毒的入侵。实验过程中要遵循单因子变量原则，所以第二步：给甲组注射用特殊培养液配制的低致病性禽流感病毒A，给乙组注射等量的特殊培养液。第三步：观察实验结果，即一段时间后，再分别给甲、乙两组注射等量的用特殊培养液配制的高致病性禽流感病毒B，观察两组家禽的生活状况。此类试题的突破应该充分挖掘题干已有信息和相关的生物学知识的内在联系，并要抓住科学探究各环节之间的内在联系，对现有实验的方案进
6、行完善和补充。每一环节的补充完善都有一定的技巧，具体如下：课题名称 可直接读取题干领会。实验课题的格式有：“的研究”、“探究”、“的影响”等。实验假设 首先假设的内容是由问题决定的。第二，假设的作出与你的基本预测有很大关系。如果你的基本预测是肯定的，你的假设就是肯定的假设；如果你的基本预测是否定的，你的假设就是否定的假设；如果你的基本预测是中立的，你的假设就是中立的假设。第三，假设在实验之前没有正确和错误之分，只有可检验和不可检验之分，因此要求作出的假设 名师点评是可以检验的。第四，作出假设的基本句式是“如果，那么。”“如果”后面跟的是你的基本预测，“那么”后面跟的是可观察或计量的定义。实验原
7、理 实验原理是指实验操作的依据和实验结果的原因。因此写实验原理一般按照三方面写：一写实验组如何操作；二写出现什么结果；三写操作与结果对应的理论依据。实验材料和用具选择 如果材料是给定的，要考虑每一种材料和用具的作用，要根据实验材料和用具来推断实验步骤。如果材料是自选的，也可以先确定实验方法，根据实验具体操作步骤来推断实验材料和用具。注意选材原则：方便易得；不要少用也不要多用；为使对照实验控制好变量，选材时植物宜选同一枝干的两段或几段、或长势相同的植株，数量宜多不宜少，而且各株原来的生长环境也要相同；动物宜选 物种相同、个体长势相同、重量相等、性别相同、以往生长环境也相同的动物。实验思路 实验设
8、计思路是对自变量如何操纵、无关变量如何控制、因变量如何检测作一个简单的交代。实验步骤 实验步骤一般按以下四步进行：第一步：分组编号，作好实验准备。即将材料用具用1、2、3等进行分组标号；第二步：设置对照，操控实验变量。即在正常基础上对自变量进行“加”、“减”或“改变”；第三步：同条件处理，控制无关变量；第四步：观察比较，检测反应变量。根据反应变量，反应或培养一段时间后，寻找具有可操作性的观察指标(如果反应指标和观察指标不同，还要进一步处理如加入指示剂，借助颜色反应或仪器辅助才能观察)。注意：在操纵实验变量和控制无关变量时要学会用“等量且适量、相同且适宜”。实验结果预期、解释与结论 实验结果也就
9、是一种实验现象，而实验结论是根据实验现象推导出来的，实验解释是分析实验结果出现的原因，三者不能混淆。做题时一定要看清题目要求，问的是实验结果还是结论，二者要分开来答。探究性实验的实验结果预期要对应假设进行分类讨论并得出相应的结论。其基本句式也是“如果，那么。”“如果”后面跟的是预测的现象，“那么”后面跟的是相应的结论。验证性实验的实验结果是已知的，只要根据实验原理确定已知实验结果，并对实验结果进行准确描述，再对实验目的做出肯定的结论。1为了验证某大豆品种的矮化特性与赤霉素的含量有关，请用所给定的实验材料，完成下列实验步骤并回答问题：实验材料：具2片真叶且长势相同的该品种大豆幼苗若干、完全培养液
10、、蒸馏水、适宜浓度的赤霉素溶液、喷壶等。实验步骤：将上述大豆幼苗平均分成A、B两组，A组为对照组，B组为实验组，分别置于等量的完全培养液中培养。用喷壶分别将和喷洒在A、B两组幼苗上。将两组苗置于相同且适宜的温度和光照等条件下培养，一段时间后，测定两组植株的。迁移应用蒸馏水 赤霉素溶液高度 预测实验结果：。上述实验中，如果A、B两组各选用1株幼苗进行实验，是否影响实验结果的可靠性？为什么？。该实验原理是：。赤霉素有促进细胞伸长使植株增高的作 用，且赤霉素处理植株后，可以显著增加植株的高度，据此可 以验证该大豆品种的矮化特性与赤霉素的含量有关 A组(对照组)植株的平均高度小于B组(实验组)植株平均
11、高度有影响。因为每组实验材料的数量过少(或样本数过少)，偶然性误差大 解析 本题为验证性实验，在实验过程中要设置对照实验。对照组喷洒蒸馏水，实验组喷洒等量赤霉素溶液。实验结果可通过测定两组植株的株高来反映。如果在实验过程中每组实验材料的数量过少，代表性差，会影响实验结果的可靠性。赤霉素有促进细胞伸长使植株增高的作用，而赤霉素处理植株后，可以显著增加植株的高度，因此A组植株的平均高度小于B组。实验评价与修订此类试题主要依据已知的实验目的、原理、材料用具评价修订设计好实验方案。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。命题视角2 典例剖析 关于生长素，
12、达尔文、温特等科学家相继进行了 长期的具体研究。某同学 对生长素非常感兴趣，设 计了如下的两个实验。实验一 实验假设：如果胚芽鞘的尖端能产生生长素，则能影响胚芽鞘尖端下面的一段的生长。实验材料：小麦胚芽鞘、刀片、琼脂薄片若干。实验设计：见示意图1。实验结论：上述实验假设成立。有同学认为实验设计示意图1不完善，缺少的是，你的具体改进方法是。实验二 实验假设：如果单侧光引起生长素在小麦胚芽鞘的背光一侧比向光一侧分布多，则小麦胚芽鞘向光弯曲。实验材料：同实验一(小麦胚芽鞘、刀片、琼脂薄片若干，不增加其他材料器具)。实验设计：在上述示 意图1改进(未在示意图2 中画出改进的)后的基础 上进行单侧光照射
13、，实验 设计及其实验预测结果见图2。对照组把没有接触过胚芽鞘尖端的琼脂小块放在去尖端的胚芽鞘的相同位置上 实验结论：实验假设成立。有同学认为实验设计示意图2中的实验预测结果是错误的，你认为正确的现象应该是，理由是。还有同学认为实验设计示意图2并不能得出实验结论，他画了实验设计示意图3中的一部分，请你将示意图3补充完整：在甲方框中画出与胚芽鞘尖端有关的图，在乙方框中画出实验结果预测图。去尖端的胚芽鞘不向光弯曲生长素不会向背光一侧转移 科学探究通常包括：提出问题，作出假设，制定计划，实施计划，得出结论，表达交流等过程。某同学及其他同学对生长素进行的上述探究过程，与科学探究的一般过程相比，缺少的是。
14、解析 在设置对照实验时要遵循单一变量原则。在第个问题中，缺乏的是对照实验，不足以说明是胚芽鞘尖端的生长素在起作用，也有可能是琼脂在起作用，要排除这个可能性。在第个问题中，由于没有尖端，就不再感受光刺激了，所以不管照不照光都是不起作用的，胚芽鞘的弯曲单纯取决于琼脂块中的生长素。接下来的问题，要求补充出胚芽鞘尖端的设计和放上放置过胚芽鞘尖端的琼脂块后的胚芽鞘的生长情况，我们在甲图中对胚芽鞘进行右侧光照射(也可以是左侧光照射)，则在A琼脂块中生长素的含量高，B琼脂块中生长素的含量低，放到去掉尖端的胚芽鞘上后，含生长素多的琼脂块使去尖端的胚芽鞘向对侧弯曲的程度高。1试题特点与突破策略：此类试题要求学生
15、对实验的原理、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，要求学生要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：漏做或颠倒某个实验步骤；操作方法错误；有没有设置对照，如果有看对照设计是否合理；实验是否遵循了单一变量原则；名师点评实验是否具有偶然性；有无更为简单的实验方案；实验能否顺利完成；实验的安全性如何。第五步：分析实验结果是否正确。2备
16、考建议 重视分析实验程序在实验专题复习过程中，学会分析实验中各步骤的作用、设置意义及内在联系。这样分析有助于从中学习解决问题和研究事物的方法。重视分析实验结果在实验中，既要重视实验结果的观察和记录，更要重视对实验结果的分析；既要重视对实验成功的原因分析，也要重视查找实验失败的原因。这是培养实验能力的重要手段。重视教材实验材料和试剂的选取和使用正确的选用实验材料和试剂才能得到预期的实验现象和结果，因此在复习 过程中，要通过归纳、分类比较等手段记住各常用实验材料的名称、取材部位和时间、试剂的种类和使用方法。2为了确定细胞有氧呼吸第二阶段发生的场所，某校的同学们进行了如下探究：作出假设：有氧呼吸第二
17、阶段只发生在线粒体中，不能在细胞质基质中完成。实验过程：迁移应用 实验结果：1号和2号试管中均检测到CO2。(与预测结果不相符)请回答：分析同学们实验结果与预期不相符合的原因及改进措施。原因：。改进措施：。实验步骤将肝脏组织分散成肝细胞通常用酶。实验步骤必须获得线粒体而不进一步离心获取线粒体基质的原因是，他们认为线粒体必须保持才能完成相应的功能。肝细胞利用保存液中葡萄糖有氧呼吸，线粒体产生 的CO2扩散进入细胞质基质中 用不含葡萄糖的保存液胰蛋白结构的完整性 实验步骤依据的实验原理是：。经同学们的分析及对实验个别步骤作出的恰当修改，重新实验大家都获得了与预期相符合的实验结果。最后，老师又提出一
18、个新问题：“假如该实验时间过长，假如空气中CO2溶入样本中的量足以被检测剂检测出，为了提高实验的科学性，排除干扰因素带来的实验误差，你们如何解决？”改进措施：。分别给1号和2号试管设空白对照组1和2，1和2试管所装物质分别与1号和2号相同，只是下一步不加 入丙酮酸，而加入生理盐水 丙酮酸进一步分解的产 物有CO2，检验是否有CO2产生可判断丙酮酸是否被分解 解析 实验结果与预期不相符是由于肝细胞保存时利用了保存液中的葡萄糖进行有氧呼吸，产生的二氧化碳从线粒体中进入了细胞质基质中。改进的措施是用不含葡萄糖的保存液进行保存。要将肝组织分散成肝细胞用胰蛋白酶。线粒体只有保持结构的完整性才能执行相应的
19、功能。要确定有氧呼吸第二阶段发生的场所，就要看丙酮酸是在哪里分解的，CO2是丙酮酸分解的产物，因此通过检测CO2，就可以确定有氧呼吸第二阶段发生的场所。为了提高实验的科学性排除干扰因素带来的误差，必须给1号和2号试管设计对照实验，在加丙酮酸这一步改加生理盐水。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。命题视角3 分析回答下列问题：孟德尔以黄色圆粒纯种豌豆和绿色皱粒纯种豌豆做亲本，分别设计了纯合亲本的杂交、F1的自交、F1测
20、交三组实验，按照假说演绎法，包括“分析现象作出假设检验假设得出结论”，最后得出了基因的自由组合定律。孟德尔在基因的自由组合定律中提出的解释实验现象的“假说”是。孟德尔三组杂交实验中，在现象分析阶段完成的是；在检验假设阶段完成的实验是。典例剖析F1形成配子时，每对遗传因子彼此分离，不同对的遗传因子自由组合；F1产生4种比例相等的配子纯合的亲本杂交和F1的自交F1的测交 请再举出一个类似孟德尔研究方法在遗传学上运用的实例：。模型主要包括物理模型、数学模型、概念模型等，沃森和克里克所建立的DNA双螺旋结构模型是模型。包含有n个脱氧核苷酸的DNA分子片段，理论上最多可排列出种脱氧核苷酸序列。利用类比推
21、理，萨顿提出基因位于染色体上的假说，提出该假说的理由是。请你运用类比推理的方法，推断基因与DNA长链的关系是。不同的基因也许是DNA长链上不同的片断(说法正确即可)摩尔根所做的果蝇杂交实验证明了基因位于染色体上物理4(n/2)基因与染色体行为存在明显的平行关系 解析 依据假说演绎法，孟德尔在分析杂交和自交实验结果的基础上，提出解释实验现象的假说，合理地解释了自由组合现象的原因：F1形成配子时，每对遗传因子彼此分离，不同对的遗传因子自由组合，F1产生4种比例相等的配子。这也是基因自由组合定律的实质。孟德尔三组实验中，在现象分析阶段完成的实验是亲本杂交和F1自交，在提出假说合理解释分离现象后，演绎
22、推理，并用测交实验检验假说正确与否。在遗传学上运用类似孟德尔研究方法的实例很多，譬如：摩尔根所做的证明基因位于染色体上的果蝇杂交实验；DNA复制方式的提出与证实；整个中心法则的提出与证实；遗传密码的破译等等。沃森和克里克所建立的DNA双螺旋结构模型是物理模型，包含有n个脱氧核苷酸的DNA分子片段，理论上最多可排列出4(n/2)种脱氧核苷酸序列。利用类比推理，萨顿提出基因 位于染色体上的假说，提出该假说的理由是基因与染色体行为存在明显的平行关系，运用类比推理的方法，推断基因与DNA长链的关系是不同的基因也许是DNA长链上不同的片断。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
23、绎推理的逻辑关系。名师点评 2“假说演绎法”非常有利于学生的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”。譬如说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”法的先进行逆向思维分析，然后再进行正向组织答案进行描述。3关于教材中几种推理实例的总结 归纳推理 必修1第8页“实验”中的讨论题“试归纳所观察到的细胞在结构上的共同点，并描述它们之间的差异，分析产生差异的可能原因。”必修1第56页技能训练解释数据“有人质疑这位生物学家，要求他对这么多细胞有核部分的死亡作出符合逻辑的解释。请你尝试为这位生物学家辩护，替他作出解释。”这属于解释原因的推理，可归为广义
24、的归纳推理的范畴。类比推理 必修1第14页思维拓展题“将学校的组成层次与生命系统的层次相类比”。必修1第43页拓展题“将原生质层看作一层半透膜与窗纱作类比”。必修1第44页问题探讨“将细胞器与工厂的车间或部门作类比”。必修1第61页探究“将原生质层看作一层半透膜类比推理”(同时本探究还蕴含了归 纳推理和演绎推理)。必修1第8890页第2节“将ATP叫做能量通货，与现金等作类比”。必修1第118页想像空间“将细胞分化与现代社会中职业的分类相类比”。必修2第2728页“萨顿通过类比推理得出结论：基因是由染色体携带着从亲代传递给下一代的”。必修2第30页技能训练“请你运用类比推理的方法，推断基因与D
25、NA长链的关系”是对学生的类比推理能力进行训练。必修3第9页实验“生物体维持pH稳定的机制”就是让学生通过实验类比推理出生物体是如何维持pH稳定的。必修3第44页思维拓展题“将人脑与电脑进行类比”。演绎推理 必修1第38页思维拓展题“1969年，人们在坠落澳大利亚启逊镇的陨石中发现了氨基酸，这些氨基酸不是来自地球。由此你可以作出什么推测？”这可以看成是三 段论式的演绎推理。大前提：氨基酸是组成蛋白质的基本单位，蛋白质是生命活动的主要承担者；小前提：陨石(非地球来源)中有氨基酸；结论：陨石中存在生命形式。孟德尔在观察和统计分析的基础上，提出了假说；根据假说对实验现象进行解释。必修3第4649页第
26、1节生长素的发现过程强调了“科学重视实证”，也强调了“逻辑推理过程”，并用技能训练栏目(第49页)对学生的推理能力作了训练。这里所涉及到的严谨的逻辑推理，多数指的是演绎推理。3孔雀鱼是一种常见的观赏鱼，其性别决定方式属于XY型，是非常好的遗传学实验材料。几十年前，德国的一位育种工作者在众多的孔雀鱼幼鱼中发现一条身体后半部为暗色的个体，并以此个体为基础培育出了“礼服”品种。用“礼服”品种的雌鱼作亲本(P)与其他品种的雄鱼杂交，所得子代(F1)个体中，雌雄鱼均表现“礼服”性状；将子代(F1)雌雄个体自由交配，所得子代(F2)个体中，雌鱼均表现“礼服”性状，雄鱼表现为1/2“礼服”性状、1/2无“礼
27、服”性状。请用“假说演绎法”对“礼服”性状的遗传进行研究。“假说演绎法”的一般步骤为：提出问题实验验证得出结论。迁移应用演绎推理 提出假说 在研究“礼服”性状遗传的步骤中，你的具体内容是。在研究“礼服”性状遗传的步骤中，你的具体内容是。在研究“礼服”性状遗传的步骤中，你的具体内容是(并请用遗传图解表示，基因符号 为A、a)。根据你的研究，请预测F2个 体自由交配所得F3的性状表现型之 比为：雌“礼服”雌无“礼服”雄“礼服”雄无“礼服”。雌性无“礼服”性状个体与F1中雄性“礼服”性状的个体交配 7162“礼服”性状的遗传存在性别差异控制“礼服”性状的基因为显性基因，且位于X染色体上如右图 解析
28、假说演绎法的核心是提出解决问题的假说，进行演绎推理，然后对演绎的内容进行验证。实验现象显示，“礼服”性状在不同性别中的表现存在差异，所以提出的问题就是“礼服”性状的遗传与性别相关联。步骤中为解释该现象的假说，是将基因定位在性染色体上。步骤中是按照假说进行的演绎推理，即在进行测交实验之前对测交实验的设计和结果的预测。写遗传图解时应注意相应的字母、文字和符号的正确的使用。按照基因在X染色体上判断，F2个体的基因型为XAXA、XAXa、XAY、XaY，该群体产生的雌配子有3/4XA、1/4Xa，雄配子有1/4XA、1/4Xa、1/2Y，所以自由交配的后代F3的性状表现型之比为：雌“礼服”雌无“礼服”雄“礼服”雄无“礼服”=7162。
