代谢实验中的结果成因分析及应对策略

杨一敏

摘要：2017年高考新课标全国I卷第30题，看似只是一个常规的光合呼吸的实验分析题，实验情境也不复杂，但却要求学生能结合已知信息对实验过程中所呈现的具体现象进行成因分析并表述。要求学生在表述时呈现出完整的思维过程和逻辑关系，对学生的理解能力提出了更高的要求。本文将以此题和有关变式引入，给出此类问题的应对策略和审题答题的建议。

关键词：理解能力;光合作用;呼吸作用;结果成因分析;生理活动强度;物质含量;环境条件;平衡;稳态

根据我校2017年高考的数据显示，85以上的高分学生在第30题的扣分均在两分以上。并非这些学生的知识储备不足，相互联系不到位，而是在表述过程中的逻辑关系和思维过程呈现不完整。现在如何使好学生在这类问题上不扣分，使一般的学生能快速确定答题的方向少扣分就是我们所要突破的。

1 考纲相关内容的感悟

与2017相比，2018年的生物考纲在“考试目标和要求”上没有任何变化。也就是说2018年的高考命题依旧会延续2017方式，以中学生物核心知识为基础深度考查学生的理解能力、实验与探究能力、获取信息能力和综合运用能力。相较于16年，17年对每一项能力要求都给出了具体的解释，使要求变得更加具体化，更加具有指导性意义。

各项能力要求均以理解能力为基础，理解能力的缺失将直接影响学生对考题的理解、对关键信息的把握和最后的表述作答。理解是对事件逻辑关系的赞同，是运用过去已有知识经验不断联系形成新的知识经验的过程，需要学生能将新获取的信息与已学过生物学核心知识、概念及过程相互联系并进行整合[1]。《考试说明》的具体解释中最后提出“可能要求考生对某一现象进行解释和分析”[2]，要求学生能在理解的基础上运用知识原理解决具体问题，同时呈现出完整的思维过程和相关事件间的逻辑关系。而生物是一门实验性的学科，常需要学生对实验过程中所呈现出的某种现象或结果做出解释和分析。

细胞代谢即光合作用和呼吸作用，是高中生物的最核心内容，是生命观念中物质与能量观、结构与功能观、生物与环境观的集中体现。光合作用与呼吸作用通过CO2、O2和有机物联系成一个整体，共同维持着生物圈中C、O等元素的平衡。同时，它也是将科学探究与农林生产实践紧密相联的一个模块，通过科学探究指导生产实践，能够很好的体现科学探究和社会责任的生物学核心素养。因此，代谢可以说是高考必考部分，也是“兵家必争之地”。

2 真题及变式解析

2.1真题回放

（17年全国I T30）植物的CO2补偿点是指由于CO2的限制，光合速率与呼吸速率相等时环境中的CO2浓度，已知甲种植物的CO2补偿点大于乙种植物的。回答下列问题：

（1）将正常生长的甲、乙两种植物放置在同一密闭小室中，适宜条件下光照培养。培养后发现两种植物的光合速率都降低，原因是_____________________________________，甲種植物净光合速率为0时，乙种植物净光合速率__________（填“大于0”“等于0”或“小于0”）。

（2）若将甲种植物密闭在无O2，但其他条件适宜的小室中，光照培养一段时间后，发现植物的有氧呼吸增加，原因是_____________________________________________________。

答案：

（1）植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量，使密闭小室中CO2浓度降低，光合速率也随之降低;   大于0

（2）甲种植物在光下光合作用释放的O2使密闭小室中O2增加，而O2与有机物分解产生的NADH发生作用形成水是有氧呼吸的一个环节，所以当O2增多时，有氧呼吸会增加。

解析

在周围各环境条件相对稳定的情况下，生理活动的强度几乎不会有明显改变。只有当这种平衡被打破即某种环境因素发生明显改变时才可能会引起生理活动强度的改变。影响光合速率的主要因素有光照强度、CO2浓度和温度，影响呼吸作用的主要因素有O2浓度和温度。由于当前实验在“密闭装置”中、“适宜条件”下进行，所以在无人为干扰时可被改变的因素仅有装置内的CO2和O2浓度。密闭装置或容器中的CO2和O2浓度受光合速率与呼吸速率的大小关系影响。光合作用消耗CO2生成O2，是CO2的“去路”O2的“来源”，呼吸作用产生CO2消耗O2，是CO2的“来源”O2的“去路”。当光合速率等于呼吸速率时，CO2和O2浓度不变;当光合速率大于呼吸速率时，O2浓度升高CO2浓度降低;当光合作用速率小于呼吸速率时，O2浓度降低CO2浓度升高。实际上在这一个问题中包含了两种不同类型，①生理活动强度变化的原因分析，取决于影响该生理活动的环境因素的改变;②物质含量变化的原因分析，取决于“来源”与“去路”的平衡关系，受相应生理活动的强度大小关系的影响。不管两类问题是否柔和在一起都必须先关注实验的当前环境条件，并分析哪些因素是变化或可能发生变化的。

2.2 变化分析

2.2.1 变式1

甲种植物放置于密闭小室中，光照等条件均适宜。培养后发现甲种植物的光反应速率降低。为什么？

______________________________________________________。

答案：

甲植物在光下光合作用吸收CO2的量大于呼吸作用释放CO2的量，使密闭小室内的CO2浓度下降，致使甲植物的暗反应速率下降，对ATP和[H]消耗量减少，从而使光反应受到一定的抑制。

解析

该变式与2017年全国1卷第30题的问法相似，但最后问题的落脚点并不是光合作用而光反应。光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，两者相对独立又通过ATP、[H]、ADP和Pi紧密相连。不同的影响因素对光合作用的影响不经相同，光照强度直接影响光反应，而CO2浓度直接影响的是暗反应。此情境下，变化因素并不直接影响问题所示生理活动，而是通过影响其他生理活动间接影响问题所示生理活动，必须把握两者间的联系，如ATP、[H]的变化。

2.2.2 变式2

将某高等植物放在密闭透明的容器内，在温度适宜的条件下，容器内CO2浓度的变化如图所示。图中AB段为暗处理，B点开始给予一定强度的光照。请回答下列问题：

在C点时，向容器中注入一定量高浓度的NaHCO3溶液，发现植物的光合作用速率并没有发生变化，其可能的原因是___ ______________________________________________________。

答案：

注入前的CO2浓度已达到饱和，此时限制光合速率的外界因素可能是光照强度

解析

如某因素本身对问题所示的生理活动无影响，自然不会引起其活动强度的改变。但此变式并非如此，向容器中注入一定量高浓度的NaHCO3溶液后会使密闭容器内的CO2浓度升高，而CO2就是光合作用的主要影响因素之一。回顾光合速率随CO2浓度变化的曲线模型（见图1甲），存在一个明显的拐点，将此拐点进一步拆分，对应Y轴上g点表示最大光合速率;对应X轴上c点表示达到最大光合速率所需要的最小CO2浓度，该点也被称为CO2饱和点。c点之后CO2浓度已达到饱和，光合速率不再随CO2浓度的升高而加快。光照强度对光合速率影响的整体趋势与CO2浓度类似（见图1乙）。此情境中变化的环境因素确定为问题所示生理活动的重要影响因素但又不再引起其变化，说明该环境因素已经达到饱和，限制其变化的是其他因素。具体的限制因素最可能是什么，还得先把握当前实验的环境条件。例如本题，由于题干已知“温度适宜”，那限制因素则最有可能为光照强度。

在，

2.2.3 变式3

已知种子萌发过程中由于代谢旺盛，会产生大量的热量。现将若干萌发中的种子放置在密闭装置内，采取一定的措施保证O2浓度相对恒定且适宜，周围的环境温度为最适温度。实验一段时间后测定种子呼吸速率，发现有所减缓，其原因最可能是_____________________。

答案：

萌发种子代谢产热，使密闭装置中的温度升高，又由于实验开始前的温度已经是最适温度，因此随温度上升酶活性下降，呼吸速率减缓

解析

问题所示的呼吸主要指的是有氧呼吸，其影响因素主要是O2浓度和温度。现已知“O2浓度相对恒定”，引起呼吸速率改变的因素则最有可能是温度。由于呼吸本质上属于酶促反应，温度通过影响酶的活性来影响呼吸速率。在最适温度下，酶的活性最高，呼吸速率最快;温度偏高或偏低，酶的活性都会明显降低，呼吸速率下降（见图1丙）[3]。结合题干信息“萌发过程中由于代谢旺盛，会产生大量的热量”，所以在种子萌发过程中装置内的温度会逐渐升高。又由“周围的环境温度为最适温度”可知温度升高将会偏离最适温度，呼吸速率将会下降。光合作用与呼吸作用相似，本质上也属于酶促反应，温度主要通过影响酶的活性来影响光合速率。

3 应对策略

3.1 生物与环境观，稳态与平衡观

我们的生物圈也类似于一个密闭环境，生物通过光合作用与呼吸作用共同维持着C、O等元素的动态平衡。生物的生长、发育和繁殖离不开适宜的环境条件，当环境条件足够理想时，生物的增长将呈“J”形。但在自然状态下，环境资源和空间都是有限的，生物群体的内部由于各种关系的存在使生物生长、发育和繁殖都受到收到了一定限制。同时生物也通过自身的生命活动影响着周围的环境。例如在森林中树木通过其庞大的根系涵养水源，减少了水的地表径流，通过蒸腾作用降低了周围的环境温度，为地表的阴生植物创造了它所需的阴凉环境;土壤微生物通过自身的分解作用将枯枝落叶、遗体残骸中的有机物分解成无机释放到无机环境中，既保证了C的平衡又增加了土壤的肥力。在生物圈中某一个生物个体对周围环境的影响或许是微乎其微的，但生物这样一个群体总是与无机环境相互影响构成了一个统一的整体。

生命系统是一个开放的系统，内部时刻都在发生着物质的变化和能量的转化，但多数时候又维持着相对的动态的平衡状态[4]。其实世间万物总是处在一个整体的平衡和局部的变化中。例如多细胞生物细胞数目的相对恒定离不开细胞分裂和细胞凋亡两个变化的过程;种群数量的相对稳定离不开新生命的诞生和老年个体的衰老死亡两个变化的过程;生物圈中碳平衡离不开光合作用（及化能合成作用）和呼吸作用（及微生物的分解作用）两方面变化的过程。其实局部的变化是为了更好的保持整体的平衡稳定。

3.2 光合作用与呼吸作用的知识基础

光合作用生成O2，消耗CO2，制造有机物;呼吸作用分解有机物，生成CO2，消耗O2。两者在物质上通过O2、CO2和有机物相互联系。植物体内有机物的含量以及密闭装置中的CO2和O2浓度则由光合作用和呼吸作用共同决定。在物质合成、分解、转化的同时还伴随着能量的输入、传递、转化和散失。光合作用的光反应吸收传递光能，并将光能转变为储存在ATP中的活躍化学能，暗反应经一系列的变化最终将活跃化学能转变成有机物中的稳定化学能。呼吸作用将有机物氧化分解并释放能量，释放的能量大部分以热能的形式散失，少部分用于ATP 的合成，最终用于其他生命活动[3]。

光合作用包括光反应和暗反应两个阶段，两个阶段相对独立又通过ATP、[H]ADP、Pi相互联系，紧密相连。光照强度直接影响光反应，通过影响ATP、[H]的供应间接影响暗反应。CO2浓度直接影响暗反应，通过影响ATP、[H]的消耗或ADP、Pi的供应间接影响光反应。温度主要通过影响酶的活性来影响光合作用。此外，在晴朗夏天的中午由于温度过高，导致植物叶片气孔导度下降（为避免过量的蒸腾失水），使CO2的吸收量减少，从而间接影响光合作用。

3.3 实验条件中的“变”与“不变”

由于在环境条件相对稳定时，生理活动的强度几乎不会有明显变化，在具备了相应的生物学观念和知识基础后还需把握实验条件中的“变”与“不变”。

首先需先理清自变量和无关变量的关系。自变量是人为改变的变量;无关变量是除自变量外，实验过程中可能存在的一些对实验结果造成影响的可变的因素。对于这两种变量的理解区分可以因变量为尺。因变量是实验的结果，自变量和无关变量都是可影响实验结果的因素，其中当前实验所研究的那个影响因素就是自变量，其他对实验结果也有影响但当前实验不予研究的影响因素就是无关变量[3][5]。例如影响光合速率的主要因素有光照强度、CO2浓度和温度。当研究温度对光合作用的影响时，温度就是自变量，光照强度和CO2浓度都是无关变量。由于无关变量也能对实验结果造成影响，所以在实验过程中必须相同且适宜。

“变”的条件主要指的是实验过程的自变量，可能以曲线图或柱状图的“横坐标”的方式来呈现，也可能蕴藏在表格项目栏或实验目的中，还可能是直接的文字描述，例如CO2浓度由“1%”降至“0.003%”。除此之外還有一些因素是“可能发生变化”的，在密闭装置内由于生物与环境存在相互影响，装置内的CO2浓度、O2浓度等环境条件可能会随着实验的进行而发生改变。“不变”的条件实际上指的是实验过程中的无关变量，一般会以三种方式呈现在题干中。一是具体的、特定的数值或环境，例如1%的CO2浓度、25℃、黑暗等;二是“适宜的XX”;三是在明确自变量后其他。

4 总结提炼

4.1 思考方向

4.1.1 生理活动的强度变化原因

由问题向前逆推，先明确问题所示的生理活动，并回顾其直接影响因素有哪些。然后确定题干中变化的或可能变化的环境条件是否对其有直接影响。如果没有，则需确定变化的环境条件所直接影响的生理活动以及它与问题所示生理活动之间的物质或其他方面的联系。

4.1.2 物质含量的变化的原因

同样也是由问题向前逆推，先明确问题所示的变化的物质，并回顾该物质“来源”和“去路”所对应的生理过程。然后确定当前实验的环境条件或变化的环境条件对该物质“来源”和“去路”的影响。最后理清该物质“来源”和“去路”所对应的生理活动变化（包括变化的方向和幅度）以及大小关系。

4.1.3 密闭装置中两类问题相互渗透

在由问题向前逆推出可能引起生理活动强度变化的环境条件后，还需进一步验情境下该环境条件变化的原因。实际就是体现了生物与环境的相互影响。

4.2 答题模式

答题表述时一般用陈述句、肯定句，由条件向问题顺推。

1.环境条件的直接影响：环境条件的变化→生理活动的变化。

2.环境条件的间接影响：环境条件的变化→直接影响的生理活动的强度变化→联系两生理活动的物质或其他方面的变化→问题所示生理活动的强度变化。

3.物质含量的变化：特定的环境条件或变化的环境条件+“来源”+“去路”（+该物质含量变化）。“来”“去”必须同时呈现，答题表述的落脚点一定回归问题所示的物质

4.密闭装置中两类问题相互渗透：思考方向和答题模式将两方面相互结合即可。（某物质“来源”与“去路”）相应生理活动→某环境条件（某物质含量）的变化→问题所示生理活动的强度变化。如是间接影响同样需要确定变化的环境条件所直接影响的生理活动及其与问题所示生理活动之间的联系。

4.3特别提醒

1.审题时需重点关注实验情境中的环境条件。

2.环境因素既可以直接影响问题所示的生理活动，也可以通过影响其他生理活动来间接影响问题所示的生理活动，因此需要把握变化因素直接影响的活动和问题所示的活动之间的联系。

3.当环境因素改变而生理活动的强度不发生任何变化时，可能该环境因素对问题所示活动无影响，也可能该环境因素已经达到饱和。

4.在密闭的装置中既有生物生命活动对环境的影响，又有环境因素对生物生命活动的影响。（生物与环境相互作用）

参考文献：

[1]张敏.2015.对高考《考试说明》中“能力要求”的解读.中学生物学，31（4）：43-46

[2]薛金星.2016.《考试说明》全解——生物.北京：现代教育出版社

[3]朱正威，赵占良.2007.生物（必修1）——分子与细胞.北京：人民教育出版社

[4]谭永平.2017.发展学科核心素养——为何及如何建立生命观念.生物学教学，42（10）：7-10

[5]唐晓燕.2016.生物高考试题中实验分析类题目训练策略.黑龙江教育（中学），11：38-40

[6]张祥.2017.例谈高中生物学核心素养中“生命观念”的理解与培育.中学生物学，33（12）：55-56

[7]王朝银.2017.步步高（生物）——大一轮复习讲义.哈尔滨：黑龙江教育出版社