备课素材：多变量实验设计题的解法

多变量实验设计题的解法 多变量实验题是各地高考卷中的难点和热点。学生对多变量实验题缺乏分析思路,不会深入分析变量之间的逻辑关系,且这类设问又需学生使用长句进行表达,是学生的短板.将多变量实验进行拆分,转化为多个单一变量的子实验,然后再对各子实验进行综合分析得出结论. 例１．(2021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１所示.回答以下问题. (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. 学情分析:这是一道复杂情境的多变量实验,学生无法从题干中获取关键信息,因找不准变量而不能正确分组;对因变量检测的语言描述不规范;将实验结果(如脱发、变白)当作实验设计思路写出来. 要点拆解:①实验目的是什么?②自变量是什么?③因变量是什么?如何检测因变量? 通过这些问题,引导学生再次梳理题干信息,明确实验目的是验证上述调节机制中长期束缚及肾上腺对黑色小鼠体毛的影响.该例题自变量有两个:“是否长期束缚”和“是否切除肾上腺”.两者相互独立、互不干扰,是一种选择式多变量实验. 在解题时可以直接将实验拆分为独立的单一变量子实验,验证每个自变量与因变量的关系,然后再对各子实验进行综合分析,得出结论.据此将该实验拆分为三个子实验:①验证长期束缚对小鼠体毛的影响;②验证肾上腺对小鼠体毛的影响;③验证长期束缚及肾上腺对黑色小鼠体毛的影响.实验中长期束缚的小鼠为一组,切除肾上腺的小鼠为一组(减法原理控制自变量),长期束缚及切除肾上腺的小鼠为一组,以及不作处理的小鼠为一组(作为对照),共四组.因变量有两个:毛囊细胞数量(数量减少会引起脱发)和黑色素细胞数量(数量减少会引起头发变白),因此因变量的观测指标是体毛数量和颜色变化. 点拨:这类多变量实验是指对实验结果和结论造成影响的自变量存在着多种可能的情况,其中有一种或多种是真正的“因”.这种多变量的实验,除例题的描述句式:探究自变量１和自变量２对因变量的影响,还有一种描述句式:验证影响因变量的原因是自变量１而不是自变量２.这类实验题的特点是各自变量相对独立,互不干扰.作答时,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. 模型构建:探究自变量１和自变量２对因变量的影响见表１(字母模型:A和B→C). 参考答案:实验思路,取生理状况相同的黑色小鼠若干只,随机平均分为甲、乙、丙、丁四组,甲组不作处理,乙组切除肾上腺,丙组束缚,丁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,甲组小鼠的体毛无明显变化;乙组小鼠的体毛增多(生长旺盛)、不变白;丙组小鼠脱毛且体毛变白;丁组小鼠体毛增多(生长旺盛)、变白. 例2.分子靶向药物“格列卫”是治疗慢性粒细胞白血病的有效药物。随着格列卫的应用，临床上出现耐药性,研究者发现耐药性的出现与癌细胞的自有关。细胞自噬就是细胞吃掉自身受损或功能退 化的结构和物质,从而维持细胞内部环境稳定。回答以下问题： (3)为什么使用伊马替尼(IM,格列卫的有效成分)会引发癌细胞的自噬从而表现出耐药性?研究者推测可能与 ATG5基因的表达有关。已知干扰RNA(-种小 RNA 分子,引发与之互补的目标mRNA 不翻译)可以干扰ATG5 基因的表达LC3-Ⅱ是与自噬过程有关的蛋白质,自作用越强,该蛋白质的表达量就越高。请设计实验验证该假设。 学情分析:本题是另外一种多变量实验题，该题对学生提取信息能力进行了重点考查,很多学生不清楚本题的实验目的，也就无法分析实验的自变量和因变量，不能准确地对实验材料分组，要点拆解:①实验目的是什么?②自变量是什么?③因变量是什么?如何检测因变量? 实验目的:验证伊马替尼(IM)通过影响 ATG5因的表达,进而引发癌细胞自噬,从而表现出耐药。 自变量是伊马替尼(IM)，而ATG5 基因的表达及癌细胞自噬都是因变量,但同时 ATG5 基因的表达又是癌细胞自噬的自变量，三者关系如图表示: 围绕这个实验目的将实验拆分:①验证IM对ATG5 基因表达的影响;②验证 ATG5 基因表达对细胞自噬的影响;③验证 IM 对细胞自噬的影响为验证IM对 ATG5 基因表达的影响,要设计添加IM 组,观察 ATG5 基因表达和细胞自的变化;为验证 ATG5 基因表达对细胞自的影响,要设计添加干扰 RNA 组(减法原理控制自变量);为验证IM对细胞自的影响,要设计添加IM 和干扰RNA组,还要设计一组不作处理的实验。共分以下四组:甲组不作处理，乙组加入适量伊马替尼(IM)试剂,丙组加入干扰 RNA,丁组加入等量的伊马替尼(IM)试剂和干扰 RNA。因变量检测指标为各组中 LC3 -Ⅱ 蛋白含量。 本题是一种承接式多变量实验，即前自变量先影响后自变量，后自变量再影响因变量的多变量实验。 常见描述句式:验证自变量1通过自变量2(因变量1)作用于因变量2,字母模型为A→B→C。这类实验特点是B既是A的因变量又是C的自变量。在探究这类问题时，可以将其拆分为“探究 A 与 B的关系”“探究B与℃的关系”和探究 A与℃的关系”3个连锁的子实验,在实验操作中,一般需设计四组实验模型构建:验证自变量1通过自变量2作用于因变量2(表4,字母模型:A→B→C) 参考答案:取相同的细胞分为甲、乙、丙、丁四组。甲组不作处理，乙组加入适量伊马替尼(IM)试剂,丙组加入干扰 RNA,丁组加入等量的伊马替尼(IM)试剂和干扰 RNA。一段时间后检测各组中LC3-Ⅱ 蛋白含量。 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.文中介绍了常见的两种，根据单一变量原则，围绕实验目的，将多变量实验转化为多个单一变量的子实验，再进行综合分析得出结论.但有些实验并不需要设置对照实验，例如必修１中用高倍镜观察多种细胞，检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质，观察叶绿体和细胞质的流动，制作真核细胞的三维结构模型,绿叶中色素的提取和分离等，这些实验是观察类实验、模型制作实验和物质提取类实验，实验本质是对客观事实的再现，或具体化、可视化. 综上,对照实验是有适用范围的，对于不属于原因——结果，变量——影响的实验，没有必要设置对照. 学科网（北京）股份有限公司 $$