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平行重复原则,即控制某种因素的变化幅度,在同样条件下重复实验,观察其对实验结果影响的程度;
设置对照原则,即实验中设立对照组,使实验结果具有说服力。
四、实验设计的四个原则
1.对照性原则:
在实验设计中,通常设置对照组,通过干预或控制研究对象以消除或减少实验误差,鉴别实验中的处理因素同非处理因素的差异。
实验设计中可采用的对照方法很多,除了有阳性对照、标准对照、自身对照、相互对照之外,通常采用空白对照的原则:
即不给对照组以任何处理因素。
值得强调的是,不给对照组任何处理因素是相对实验组而言的,实际上对对照组还是要做一定的处理,只是不加实验组的处理因素。
2.随机性原则:
实验设计中的随机化原则,是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。
这样做的意义在于:
一是可以消除或减少系统误差,使显著性测验有意义;
二是平衡各种条件,避免实验结果中的偏差。
3.平行重复原则:
平行重复原则,即控制某种因素的变化幅度,在同样条件下重复实验,观察其对实验结果影响的程度。
任何实验都必须能够重复,这是具有科学性的标志。
上述随机性原则虽然要求随机抽取样本,这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差,但不能消除它的全部影响。
平行重复的原则就是为解决这个问题而提出的。
4.单因子变量原则:
单因子变量原则,即控制其他因素不变,只改变其中某一变量,观察其对实验结果的影响。
除了整个实验过程中欲处理的实验因素外,其他实验条件要求做到前后一致。
五、实验设计解题基本思路
1、准确把握实验目的:
看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果,是探究性实验还是验证性实验。
2、明确实验原理:
要解决题目所给的问题,要用到生物学上什么原理。
3、确定实验思路:
根据原理对实验作出假设,并充分利用实验材料设计实验思路。
4、精心设计实验步骤:
根据以上实验目的、原理和思路,设计合理的实验装置和实验步骤操作步骤。
并设置好实验组和对照组,遵循单一变量原则。
并将观察到的现象如实记录下来。
5、准确预期实验结果并分析
注意:
在叙述实验步骤及预期结果时,语言文字要简明。
实验步骤一般不宜连续描述,往往要分段叙说;
试管、烧杯等要给予编号。
六、高考实验题型举例
根据不同的划分标准,可以将实验设计分成不同的类型。
根据实验的目的不同分类我们可以分为验证性实验、探究性实验;
根据对实验过程的要求不同分类,可分为完善实验步骤类、纠错改正类等
(一)、验证性实验
这类实验的特点是:
题目给出实验目的、实验试剂和用品,要求学生据此设计实验步骤加以证实。
它一般是已有明确的结论,用实验来验证结论。
教材中的实验大多属于这种类型。
例如:
生物组织中蛋白质、还原糖、脂肪的鉴定等。
在近几年的高考实验题中也有不少属于此类型的。
【例题1】现有生鸡蛋清、面包、花生油等实验材料及试管、烧杯、温度计、酒精灯、三角架、盐酸、氢氧化钠、蒸馏水、碘酒等实验仪器与药品,请你设计一个实验,验证胃液有消化作用。
提示:
胃液的重要组成成分是一种消化酶和胃酸(盐酸)。
(1)实验方案
第一步:
采集胃液
将一只已对铃声建立了分泌胃液反射的狗,在其胃底部做一个人工胃瘘(胃瘘可由瘘管流到体外),利用铃声刺激空腹的狗,引起狗产生分泌胃酸的条件反射,可获得纯净的胃酸。
第二步:
选择和制备实验材料:
,并冷却。
第三步:
验证胃液的消化作用
①向甲、乙两支试管内各加入2mL已制备的实验材料;
②;
③将甲、乙两支试管同时放入环境中约20~30min.
(2)最可能的实验结果及相应的实验结论:
.
(3)如果要进一步证明在胃液的消化作用中,起消化作用的是消化酶,而不是盐酸(胃酸),可以在上述实验中再加入一支试管.丙试管内应加入的实验材料放药品是 .
解题分析:
1、分析实验目的
本实验的目的是要验证胃液具有消化作用,属于一个验证性实验。
结合已有的生物学知识,我们知道,胃液中含有胃蛋白酶和胃酸(盐酸),其中胃蛋白酶主要是消化蛋白质。
2、实验材料的选择及处理
本实验所提供的材料有生鸡蛋清、面包、花生油,其中面包主是要含淀粉,花生油属脂肪,只有生鸡蛋清是蛋白质,所以应选择生鸡蛋清作为实验材料。
由题目实验操作第二步中涉及到了“冷却”,这提示了我们,应该对实验材料进行加热或煮沸处理。
由于生鸡蛋清中蛋白质呈透明的胶体状态,这样即使加入胃液使其消化成了氨基酸,我们也看不到变化过程。
为了使于实验观察,我们可以先将生鸡蛋清加水煮沸,使其变性凝固,制成蛋花液,这样在胃液的消化作用下分解,蛋花逐渐消失,我们就能清楚地看到实验的变化过程。
3、实验步骤设计
显然,我们制得蛋花液后,要加入胃液,混合后让其反应,然后观察蛋花有没有消失。
由于这里是进行酶促反应,因此,我们要提供适宜的温度和PH环境。
同时,为了能使实验结果更具说服力,我们还应该设置一个对照组。
作为对照组,与实验组唯一的不同就是不加胃液。
这样一来,整个实验操作过程也就清楚了:
提取新鲜胃液及制备蛋花液——>
验证胃液的消化作用——>
预测可能的实验结果及得出相应的实验结论。
其中,验证胃液的消化作用具体过程为:
①向甲、乙两支试管内各加入2mL已制备的蛋花液;
②向甲试管中加入2mL胃液,向乙试管中加入2mL蒸馏水;
③将两支试管同时放入37℃的温水中保持20~30min。
4、作出预期及结论
由已有的知识可能预测最可能的实验现象是:
加胃液的甲试管中的蛋花逐渐消失,而加蒸馏水的乙试管中的蛋花不消失。
从而可得出结论:
胃液具有消化蛋白质的作用。
思考:
为什么不作用这样的预期:
加胃液的甲试管中的蛋花不消失,而加蒸馏水的乙试管中的蛋花也不消失。
胃液具不具有消化蛋白质的作用。
等等?
【例2】:
鼠妇,也称“潮虫”,属节肢动物门,甲壳纲,潮虫科,体椭圆形,长15mm~20mm,生活于陆上潮湿处,人们常于花园、花坛、山坡或草坪中潮湿的石块或砖头下发现它。
当人们用较强的光束照射它时,它能很快地爬行躲避;
当人们把它放在不利其生活中环境中时,它能通过爬行而避开;
当其周围同时存在对其有利的环境和不利的环境时,它喜欢爬到有利其生活的环境中。
现有鼠妇40只,硬纸盒、干燥的泥土、清水、笔记本、圆珠笔、手电筒、秒表或手表等器材若干,请设计探究水分、光照是否影响鼠妇分布的实验,写出实验假设、实验步骤、预期结果及其分析。
(1)实验假设:
-------------------------------------;
(2)实验步骤:
I:
----------------------------------------------;
II:
(3)预期结果及分析:
---------------------------------------------;
-------------------------------------------。
实验分析:
1、分析实验目的,作出假设
根据题中“请设计探究水分、光照是否影响鼠妇分布的实验”这句话可知,本实验的目的是要弄清水分、光照对鼠妇的分布有影响或无影响。
我们可以大胆作出假设:
水分、光照对鼠妇的分布有影响(或水分、光照对鼠妇的分布无影响)
假设并不等于实验结论,假设是否正确,还有待实验的验证。
如果实验结果与假设一致,则假设成立,否则,假设不成立。
通过题目所介绍的知识可知,鼠妇喜欢阴暗潮湿的环境,因此,我们可以预见到本实验最可能的实验结果是:
水分和光照对鼠妇的分布有影响,鼠妇喜欢生活在阴暗潮湿的环境中.
2、分析实验设计思路
由于在这里涉及到了两个实验变量——水分和光照,要研究这两种条件水分和光照对鼠妇分布的影响,为了能使实验结论更具有说服力,我们必须将这两个变量分开来单独地研究,单独地观察它们对鼠妇分布的影响(即单一变量原则)。
因此,根据这一思想,我们应该设计两组实验,一组实验只研究水分对鼠妇分布的影响,另一组则只研究光照对鼠妇分布的影响。
3、设计实验
在设计操作步骤的过程前,我们先来看看题目中所提供的一些“信息”。
一般说来,题目中所提供的一些“信息”,包括实验知识背景、实验原理、实验器材、实验药品等既充分也必要,一般不会出现解题条件过多或过少等现象。
如果在实验设计过程中,有些实验器材或药品还没有用上,则说明你的设计思路可能有问题(即充分占有原则)。
生物高考中的实验设计题本身就是难度较大的题型,题目所提供的这些器材、药品、原理、知识背景等往往还能为我们的实验提供设计思路。
比喻说,在这个题目中出现了硬纸盒,估计它的用途是我们要把这些鼠妇装在这里面做实验;
出现了手电筒,可能是用来作为提供光照条件的;
还出现了秒表或手表,在这里看来是用于作为计时工具的,我们可以观察一定的时间如5分钟或10分钟,看看鼠妇的运动情况;
还有笔记本种圆珠笔,看来我们还要记录实验数据或实验现象。
等等……
现在我们来具体设计实验操作步骤。
第一组实验,只研究水分对鼠妇分布的影响。
取硬纸盒甲,于纸盒内两侧放置等量同样干燥的泥土A、B,在B上浇上一些清水,在纸盒中间放20只鼠妇,放鼠妇后开始计时,观察0~5min内纸盒内鼠妇分布的情况,并做好记录。
第二组实验,只研究光照对鼠妇分布的影响。
取硬纸盒乙,于纸盒内两侧放置等量同样潮湿的泥土A、B,在A侧上加盖,在B侧用手电筒垂直照光,在纸盒中间放20只鼠妇,放鼠妇后开始计时,观察0~5min内纸盒内鼠妇分布的情况,并做好记录。
4、作出假设、实验预期及得出结论
结合这题,由于我们通过前面的分析,已大胆作出过假设:
水分、光照对鼠妇的分布有影响(或水分、光照对鼠妇的分布无影响),因此,在这个实验尚未进行之前,我们就可以作出预期(推断):
对于第一组实验:
纸盒甲内A侧鼠妇分布少,B侧鼠妇分布多,从而得出结论——水分影响鼠妇的分布。
对于第二组实验:
纸盒乙内A侧鼠妇分布多,B侧鼠妇分布少,从而得出结论——光照影响鼠妇的分布。
我们可不可以作出如下的预期及结论,为什么?
纸盒甲内A侧鼠妇分布多,B侧鼠妇分布秒,从而得出结论——水分影响鼠妇的分布。
或对于第二组实验:
纸盒乙内A侧鼠妇分布少,B侧鼠妇分布多,从而得出结论——光照影响鼠妇的分布。
因为,在本题中就告诉了我们有关鼠妇生活习性的相关背景知识,可以说本实验是一个验证性的实验,即要求我们来验证:
鼠妇喜欢阴蔽潮湿的环境,水分和光照会影响鼠妇的分布。
因此,我们的实验结果应该是确定的。
【例3】2004年高考理科综合(全国卷)第31题:
胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用。
为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”请以小白鼠为实验对象设计实验步骤,预测和解释实验应出现的结果,并写出实验结论。
(一)实验材料和用具
正常实验小白鼠2只,生理盐水,用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液,班氏糖定性试剂,注射器,试管,烧杯等。
(二)实验步骤
(实验提示:
采用腹腔注射给药,给药剂量不作实验设计要求;
给药1小时后,用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液)
(三)
实验结果的预测、解释和结论。
解析:
从本题的题干中很明显看出是验证性实验。
设计实验步骤时只要遵循实验设计的单一变量、对照等原则就行了。
本题的单一变量就是对一只小白鼠给以胰高血糖素处理作为实验组,另一只给以等量的生理盐水处理作为对照组。
答案:
(二)
(1)确定1只小白鼠为实验鼠,腹腔注射胰高血糖素溶液,另一只为对照鼠,腹腔注射等量的生理盐水。
(2)将两支试管分别编号为1号和2号,各加入等量的班氏糖定性试剂。
(3)给药1小时后,对两只小白鼠采集尿液,实验鼠尿液放入1号试管内,对照组尿液放入2号试管内。
(4)将两支试管摇匀后,放入盛有开水的烧杯内加热煮沸,待冷却后,观察两支试管的颜色变化。
(四)1号试管中应该出现砖红色沉淀,表明实验鼠尿液中有葡萄糖;
2号试管中仍为蓝色溶液,表明对照组尿液中无葡萄糖。
实验结论:
实验鼠血糖升高,超过一定数值而出现糖尿,是胰高血糖素具有升高血糖的生理作用所引起的。
(二).探究性实验
这类实验的特点是:
结论通过实验探究而得出的。
它的一般过程是,先进行实验假设,并对实验结果作出预测,设计实验方案,观察并记录实验现象和结果,将实验结果和预期对比得出实验结论。
这类实验在教材中较少,但不少科学发现过程却正是通过该方法获得的,如:
生长素的发现,光合作用的条件、场所和产物的发现过程,孟德尔遗传定律的发现等都是一个探究性的过程。
近几年高考,探究性实验题逐渐加强,主要是通过探究性实验的考查可以考查学生对教材基础知识、原理、生理作用的理解和应用能力,但高考试卷中涉及的主要是其中的“设计实验步骤和对实验结果作出预测和解释”。
【例4】某中学生物兴趣小组,选择“探究青霉素对细菌生长的影响”作为研究性课题,若你是其中一员,请你根据提供的实验材料补充完成实验,并预测可能的实验结果,作出相应的结论。
(1)实验材料:
经过灭菌的培养皿若干,适合细菌生长的固体培养基,大肠杆菌菌种,接种环,无菌青霉素溶液,无菌蒸馏水,酒精灯,恒温培养箱等。
①;
③将培养皿放在恒温箱中培养1d~2d;
④观察并记录细菌菌落生长情况;
⑤可能的实验现象及相应的结论:
A
B
C
⑥在实验操作过程中,自始至终特别注意 。
1、分析实验目的:
从题目所给的信息“探究青霉素对细菌生长的影响”可知,这是一道探究性实验,也就是说,实验的结果不是确定的,需要我们通过可能出现的实验的结果来得出相应的结论。
由题意可知,这个实验的变量是“有无青霉素”,实验要达到的目的是弄清楚青霉素对细菌的生长是有促进作用还是抑制作用,或者是对细菌的生长没有影响。
因此,我们可以在培养基中加入一定浓度的青霉素溶液,将细菌培养一段时间后,观察它们的生长情况。
可以预测,最终的实验结果可能有三种情况:
加入青霉素后,①细菌生长得更好;
②细菌生长得不良好;
③细菌的生长没有受到明显影响。
相应地,也就有三种不同的结论:
①青霉素能促进细菌的生长;
②青霉素能抑制细菌的生长;
③青霉素对细菌的生长没有影响。
当然,在这里我们也可以作出假设:
假设青霉素能抑制细菌的生长(或青霉素能促进细菌的生长)。
然后再通过实验来验证,看假设是否成立,并得出最终的实验结论。
2、分析实验设计思路
通过上面的分析可知,我们需要用含有青霉素的培养基来培养细菌,看细菌在这里面的生长情况。
那么,在加入青霉素后,细菌到底是生长得更好还是生长得不好,如何判断呢?
看来,我们还得有对照。
因此,我们需要设计一个对照组,即用不含青霉素的培养来培养细菌,让细菌在无青霉素的环境中自然生长。
这样,将实验组(在含青霉素的培养基上生长的细菌)与对照组作比较,就能很清楚的判断出实验组细菌的生长情况是否良好了。
根据实验所提供的器材,结合充分占有原则,由于有恒温箱,因此,我们应在恒温箱中培养细菌。
当然,所培养的细菌是大肠杆菌。
由于是涉及到细菌的培养,因此,无菌操作是我们时刻要注意的。
所以,接种用的接种环要在酒精灯上灼烧灭菌,接种时也应有酒精火焰旁进行等。
3、设计实验步骤
根据上面的分析,实验步骤也就基本上出来了,结合题目中所规定的步骤,我们要将主要的操作过程用言简意赅的语言表述出来。
取2个培养皿,编号A、B,并分别加入等量的灭菌的培养基,接上等量的大肠杆菌;
每二步:
向A培养皿中加入一定量的青霉素溶液(实验组),向B培养皿中加入等的蒸馏水(对照组);
每三步:
将这两个培养皿放在恒温箱中培养1d~2d,观察并记录大肠杆菌菌落的生长情况;
第四步:
分析可能的实验现象及得出相应的结论。
4、可能的实验结果及结论
上面我们已经分析知道,本实验可能出现三种实验结果,相应地也就有三种结论:
①若A中菌落较多或生长较好,B中菌落较少或生长较差,说明青霉素能促进细菌的生长;
②若A中菌落较少或生长较差,B中菌落较多或生长较好,说明青霉素能抑制细菌的生长;
③若A中菌落B中菌落数量相当或生长情况相似,说明青霉素对细菌的生长既没有促进作用也没有抑制作用。
【例5】2002年高考生物卷上海卷第43题。
某生物学兴趣小组开展“不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响”的课题研究。
他们已将香烟和蒸馏水按照1︰1的重量比浸泡24小时,过滤后的滤液作为原液。
如果你是其中一员,请回答:
(1)采用何种测定指标来确定香烟浸出液对水蚤有无影响?
(只要一种指标)
(2)做该实验时必备的实验器材是:
(3)写出实验的主要操作步骤。
(4)设计一张表格用于在实验时记录数据。
研究性试题是随着近几年提倡开展研究性学习后而出现的一类题型,考查的往往只是研究的过程、方法和结果,它的解答和探究性试题有相似之处。
它的结论往往更具有开放性和灵活性。
(1)要求考生写出明确的测定指标(单位时间内的可具度的指标,如每分钟心跳次数,单位时间内的死亡率或相同数量的水蚤全部死亡所需要的时间等)。
(2)根据
(1)写出所需要的主要实验器材,如配置浓度所需要的量度器材、实验用具、计时工具等。
(3)根据
(1)写出主要的实验步骤。
(4)表中要反映出不同浓度梯度、对照组、实验重复次数、单位时间,平均值等。
具体举一例如下:
(1)水蚤每分钟心脏跳动次数
(2)显微镜、秒表(计时工具)、量筒、烧坏、载玻片、盖玻片等
(3)①用蒸馏水稀释烟草浸出液原液,配成3种不同浓度的溶液
②用吸管吸取水蚤,放于载玻片上,盖上盖玻片,调节光线,在显微镜低倍镜下观察:
③用引流法引流,观察和记录一定时间内水蚤在蒸馏水(对照)及不同浓度烟草浸出液中心跳次数,重复三次;
④整理实验资料,算出每分钟心跳的平均次数,做出评价。
(4)
【例5】现有一种植物的种子,已经知道它的萌发受水分、温度和氧气的影响,但不了解其萌发与光是否有关,探究光的有无对该种子萌发的影响,请你依据所给材料和用品设计出实验的方法步骤,作出实验假设及预期,预测可能的实验结果,并分别得出相应的结论。
材料和用品:
数量充足的铺有滤纸的培养皿、无菌水、表面消毒过的种子等
实验假设是:
光照能促进种子的萌发
方法步骤:
①向培养皿中倒入适量的水,将等量的种子分别放入两组培养皿中。
②将一组置于有光照的环境中,另一组置于黑暗环境中,在培养过程中,使两组所处温度、水分、空气状况适宜且相同。
实验预期:
有光组萌发,无光组不萌发(或答有光组发芽率高于无光组,差异显著)
可能的实验结果及相应的结论:
①有光组萌发,无光组也萌发(或答发芽率差异不显著),该种植物的种子萌发不受光的影响。
②有光组萌发,无光组不萌发(或答有光组发芽率高于无光组,差异显著),光是该种植物种子萌发的必要条件之一。
③有光组不萌发,无光组萌发(或答无光组发芽率高于有光组,差异显著),光抑制该种植物种子的萌发。
(三)完善实验步骤
该题型的特点是:
题目已对实验结论或假设作出部分实验步骤,还有部分实验步骤需要学生根据已知的步骤推测完善。
如上【例题1】
(四)纠错改正类
题目已根据实验目的原理写出有关实验步骤,但写出的实验步骤有不正确或不严密的地方,要求指出并加以改正,写出正确的实验步骤。
【例6】:
为验证“二氧化碳是光合作用合成有机物必须的原料”,某同学设计了如下实验方案:
(1)实验目的(略)
(2)实验材料和用具(略)
(3)实验方法和步骤
①用一适当大小的玻璃罩罩住一株生长正常的盆栽绿色植物和一杯氢氧化钠溶液,密闭不漏气。
②将上述植物及装置放在暗室中饥饿,消耗掉叶片内贮藏的有机物,暗色中装有红色安全灯
③饥饿一定时间后,自暗室中取出,照光若干小时,使其充分进行光合作用。
④取一叶片,放入盛有酒精的烧杯中,水浴加热,使叶绿素溶于酒精中。
⑤将已脱色的叶片取出,平铺在一个培养皿内,用碘—碘化钾溶液,检测有无葡萄糖的特异颜色反应出现。
该实验方案有几项明显错误,请指出错误并指正。
该题属于验证性实验,题中已给出实验步骤,但不科学。
根据实验设计的单一变量和对比原则就可以找出不正确之处。
(1)实验步骤②中暗室内用红色安全灯是错误的,应该为绿色安全灯
(2)实验步骤⑤中的“葡萄糖”是错误的,应改为淀粉
(3)未设对照实验,对照的做法是:
a装置同题干中的①步骤,但玻璃罩内用同一种生长状况相同的同种一株植物代替装置中的植物,用一杯清水代替氢氧化钠溶液;
b将上述植物及装置放在暗室中饥饿,消耗掉叶片内贮藏的有机物,暗室内装有绿色安全灯;
c重复题干中步骤③、④;
d重复修改后题干中的步骤⑤。
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