高中生物实验设计宝典Word格式.docx

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孟德尔“对分离现象解释的验证的测交”实验的假说是：

F1（Dd）产生配子时，产生含有基因D和含有基因d的两种配子，并且它们的数量相等。

而预期是测交结果的后代中高茎与矮茎之比为1：

1。

3.设计完成实验

实验是完成假设和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物变化的一种方法。

如孟德尔在验证“对分离现象的解释”这一假设时，便巧妙地设计了“测交”实验。

4.分析数据，得出结论

观察、实验的目的在于获取验证性的结果。

所以在实验中要记录实验的事实、现象、数据，捕捉、记录由实验变量带来的反应变量。

据此论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，进而得出实验结论。

①如果所获取的结果与假设相符，则肯定假设；

②如果结果与假设不相符，则否定假设；

③如果结果与假设无关，则无从判断，可另做假设。

实验过程必须客观、真实。

（二）生物实验的基本步骤

一个完整的生物学实验包括以下基本步骤：

1.确定课题，明确目的原理

做什么实验；

解决什么问题；

依据什么原理。

2.提出假设

提出初步假定，并对可见现象提出一种可检测的解释，具体为：

例如，孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验假设是：

“F1（Dd）产生配子时，产生含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”。

3.作出实验预期

在检测实验假设前，先提出实验预期结果（一个假定的结果），若预期结果没有实现，说明假设不成立；

若预期结果实现，则假设成立。

4.设计实验

根据实验目的和提出的假设，确定实验基本思路，确定选材、装置及实验对照等，设计实验的具体方法步骤，并按设计的方案进行操作。

5.观察、记录实验现象和收集数据

客观如实地观察、记录实验现象，得出实验结果，并通过一定方式将实验结果呈现出来。

6.分析作结

对记录的数据（包括现象和结果）进行整理分析，归纳出一般概括性判断，并用文字、表格、绘图等形式作出简明的总结。

7.推论

根据实验事实进行推理得出结论。

8.交流

写出实验报告。

（三）生物实验的变量、原则

生物实验设计应该注意以下几个方面的问题：

1.科学实验应先确定实验变量

在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。

据其在实验中的作用，可分为两类：

（1）实验变量与反应变量

实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。

反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量引起的变化和结果。

通常实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。

实验的目的在于获得和解释这种前因后果。

例如在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温、适温和高温是实验变量，而由于低温、适温和高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即获得和解释温度变化（实验变量）与酶的活性（反应变量）的因果关系。

（2）无关变量与额外变量

无关变量也称控制变量，指实验中除实验变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。

额外变量也称干扰变量，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。

显然额外变量会对反应变量起干扰作用。

如：

上述实验中除实验变量以外，试管的洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等，都属于无关变量。

如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。

在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。

（3）教材中相关实验的变量

实验

自变量

因变量

无关变量

实验4

比较过氧化氢酶和Fe3＋的催

化效率

催化剂的种类（过氧化氢酶、Fe3＋）

催化效率的高低（以点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度表示或气泡产生速度表示）

试管等用具的洁净度、环境温度、相同材料的量、各种试剂的量、反应时间等

实验5

探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水

解的作用

底物的种类（淀粉、蔗糖）

淀粉酶将淀粉水解（处理后加斐林试剂，加热出现砖红色沉淀），但不能水解蔗糖（处理后加斐林试剂并加热，无砖红色沉淀出现）

淀粉与蔗糖溶液的量、水浴的温度与处理时间、斐林试剂的使用量与加热时间、操作程序等

实验8

植物向性运动的实验设计和

观察

①是否黑暗、单侧光照、均匀光照）

②改变幼苗空间位置以接受重力影响

①幼苗弯曲状况

根的弯曲方向

①幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理的部位、装置的合理性等

②萌发种子的种类及萌发状况、环境温度、培养条件等

实验9

观察植物细胞的质壁分离和

复原

外界溶液

的浓度即高渗及低渗溶液）

质壁分离（液泡失水缩小、颜色变深、原生质层与细胞壁分离）；

质壁分离复原（液泡恢复原状、颜色变浅、原生质层恢复原状）

溶液的种类及浓

度；

分离与复原现象的观察；

装片的洁净度及临时装片的制作；

材料的选择等。

实验12

观察SO2对植物的影响

不同浓度

的SO2

植物体的生长状态的变化

实验装置及器材的一致性、实验植物生长状况、SO2浓度的控制、培养的环境条件、实验操作程序、观察时间的长短等

实验13（选修）、

温度对酶活性的影响

温度（60℃热水、沸水、冰块）

加碘液后溶液颜色的变化

试管的洁净度、淀粉溶液的量、不同温度的处理时间长度、操作程序、碘液的加入量等

研究课题

设计实验观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响

生长素（或类似物）的

①扦插枝条的生根状况的差异

②果实发育状况的差异

③落花落果状况在使用前后的差异

实验材料的一致

性、激素浓度的准确性、处理时间的一致性等

2.实验设计的原则

（1）科学性原则

所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原则。

科学性原则具有两个方面的含义。

首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；

其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。

具体地说，科学性原则体现在以下几个方面：

①实验原理的科学性

实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须经前人总结或经科学检验得出的科学理论。

如2000年全国高考试题中第25题，要求学生通过实验验证“钙离子在血液凝固中的作用”。

题中给出了两个实验原理：

血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，若缺少它则血液不凝固；

草酸钾溶液能与钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，因此具有抗凝血作用。

这两条原理科学而且完整，学生可由此产生明确的设计思路。

②实验材料选择的科学性

根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。

孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原实验”选用紫色洋葱作为实验材料都是经典的成功选材的范例。

再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；

因其含水量多，故能保证细胞质流动的流动速度快，实验现象明显；

因其含叶绿体，故能使细胞质的流动速度和流动方向清晰可见；

因其叶片薄，故便于制片且能在显微镜下观察。

另外，黑藻在一年四季都可以培养，取材方便。

有了这样的实验材料，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。

③实验方法的科学性

只有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果，如证明植物的光合作用过程中释放CO2的实验是这样设计的：

通入的空气先经过NaOH溶液除去其中的CO2，再经过Ca（OH）2溶液检验CO2是否完全除尽，最后才通入装有萌发的种子的密封容器中。

只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素，证明瓶中的CO2确实来源于种子的呼吸作用。

④实验结果的科学性

这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。

如下面这个实验：

用含有各种必需矿质元素的溶液培养大麦，48小时后测定几种离子的浓度占该离子开始浓度的百分比，实验结果如下：

实验条件

水分消耗（mL）

Ca2＋

K＋

Mg2＋

光照

1090

135

27

179

黑暗

534

105

35

113

上面的结果因为经过了记录和整理，所以使人一目了然。

观看这个实验结果，首先要看出该实验中设计了哪些对照组，由上表可知，表中出现三组对照：

一组是有光与无光；

一组是水分的吸收与矿质元素的吸收；

还有一组是不同的矿质元素的吸收情况比较。

所以我们分析实验结果时，也应从这三个方面人手，得出如下结论：

一是植物对水分和矿质元素的吸收与光有关；

二是植物对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程；

三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。

（2）平行重复原则

任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。

平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。

下面的这道题就是根据平行重复原则设计的实验。

在用质壁分离法测定细胞液浓度的实验中，把剪成小块的洋葱表皮分别放人下面各组溶液中，结果如下表：

培养皿

蔗糖溶液浓度

（mol/L）

发生质壁分离细胞占观察细胞数目的百分比

1

O.2

无

2

O.3

3

0.4

15％

4

O.5

40％

5

O.6

80％

6

0.7

99％

7

O.8

100％

请回答：

（1）该洋葱细胞液等渗浓度范围为。

（2）在以上基础如何改进实验，将测定的洋葱表皮细胞的细胞液浓度范围精确到小数点后两位数。

A.需设置的蔗糖溶液浓度分别为。

B.。

C.观察。

D.结果与分析。

实验的第二步需要根据平行重复原则设计实验来得出结论。

（3）单一变量原则

该原则可使实验中的复杂关系简单化，使结果更准确。

其含义是：

①不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个变量对应观测一个反应变量。

②实验中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。

例如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的淀粉和蔗糖是单一变量，而加入的淀粉酶的量、反应温度、pH则应控制成相同条件，否则这些因素的差异将作为无关变量，干扰实验结果及对实验结果的分析。

再如：

某兴趣小组为了研究阳光对大豆发芽的影响，而在两个花盆里种了大豆，并设计如下实验：

花盆

阳光

温度

水

I

光照

20℃

充足

Ⅱ

暗室

不充足

在这一实验设计中，应该改正的错误是（）

A.两个花盆应该放在向阳的地方

B.两个花盆都应放在暗处

C.两个花盆的温度不应该一样高

D.两个花盆都应该浇给充足的水

这个实验要研究的是阳光对大豆发芽的影响，因此阳光应该为自变量。

根据单因子变量的原则，其他因素都应相同，两花盆该浇给同样充足的水，这样既保证了单一变量，又使大豆不会因为缺水而影响发芽。

而如果两个花盆都浇水不足，两个花盆中的大豆就会因为缺水而使发芽不良，也会导致实验的失败。

因此，在考虑单因子变量原则时，还应尽量使常量能够满足实验成功的条件。

（4）控制与平衡控制原则

该原则是指要严格地操纵自变量，以获取因变量。

同时，要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。

即尽量消除实验误差，以取得较为精确的结果。

常用的方法有单组、等组及轮组实验法。

①单组实验法

对一组（或一个）对象，既用A法，又用B法，顺序随机或轮流循环，这是生物实验常用的实验方法。

例如，“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验，通常是将做好的紫色洋葱鳞片叶表皮细胞装片，先用蔗糖溶液做质壁分离观察，接着又用清水做质壁分离复原观察，这就是单组实验法。

由于对象同一，无关变量的影响也就被平衡和抵消了。

②等组实验法

将状况相等的对象，分成两组或多组，一组用A法，另一组用B法，这也是生物实验常用的实验方法。

例如，“植物激素与向性”实验，设计了5组实验，其对象是玉米幼苗，要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的，这就是等组实验法，对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。

③轮组实验法

对两组或两组以上的对象，循环进行两个或两个以上的实验处理。

如甲组——A法、B法；

乙组——B法、A法等，这样能有效的平衡和抵消无关变量的影响。

自然，操作起来要麻烦一些。

例如，“植物向光性”实验，可随机取2株（组）生长状况并不相等的玉米幼苗，做如下实验处理：

实验结果则是a＋d（“不透光”）和b＋c（“单侧光”）的比较，这就是轮组实验法。

无论先用单侧光处理，还是先用不透光处理，两株长势不同的玉米均表现向光性，均由单侧光引起，可见这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量更有说服力。

（5）对照原则

对照原则是中学实验中最常用的原则，如有关酶的高效性、专一性和影响酶活性的条件的实验，观察植物细胞质壁分离和复原实验都采用了对照。

通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。

在一个对照实验中，可包括实验组和对照组。

实验组是接受自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量的处理的对象组，一般是随机决定的。

常用的对照组类型有以下几种：

①空白对照

对照组为不作任何处理的对象组。

如“探索影响淀粉酶活性的条件”实验中，1号试管加1mL蒸馏水，2号、3号试管分别加等量的NaOH、HCl溶液，1号试管即为典型的空白对照组；

用小狗做活体材料设计实验，证明动物生长激素的分泌器官及作用时，用不做任何处理的小狗作对照，与切除了脑垂体的小狗进行比较。

②自身对照

实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。

如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既是典型的自身对照——实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。

③条件对照

给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。

如在验证唾液淀粉酶发挥作用的最适温度的实验中的O℃和80℃下的对照。

再如在“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，存在以下实验组和对照组。

甲组：

饲喂甲状腺激素（实验组）

乙组：

饲喂甲状腺激素抑制剂（条件对照组）

丙组：

对蝌蚪不作任何处理（空白对照）

④相互对照

指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。

如验证温度对唾液淀粉酶活性影响的实验中60℃、O℃、37℃之间的对照；

验证pH对唾液淀粉酶活性影响的实验中，不同pH溶液之间的对照。

再如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，2与l对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端，3也可与1对照，4也可与l对照，也可与2对照。

（四）生物实验设计的方案内容

（1）实验课题（题目）：

即实验研究的课题名称。

（2）实验目的；

明确要解决什么问题，探索哪方面的生物学规律，预期要取得何种成果。

（3）实验原理：

即实验依据和思路。

（4）实验内容：

根据实验目的确定具体的研究内容。

一般方法是把研究问题分解为许多小课题，分别进行研究，然后再将实验结果加以综合分析。

（5）实验材料：

取材是实验成败的关键因素之一，一定要按科学的要求选好实验对象。

（6）实验方法：

即采用哪些研究方法能获得明显的实验结果。

应尽量地减少人为或偶然的实验误差。

同时应注意：

①根据研究内容确定实验类型和方法。

如野外生物种类考察，主要采用观察实验法；

探明某一生命现象的性质和含量，用定性、定量实验分析法。

②根据实验的类型明确具体的研究方法。

如观察实验要明确是采用解剖观察还是野外观察，要明确观察的项目和标准。

③设置对照，适当增加重复，保证实验的准确性。

④进行田间实验时，应根据实验性质的不同，分为大区实验和小区实验。

田间试验要作合理的田间规划，根据土地条件、作物种类、实验要求和工作方便，规划小区面积、重复次数和田间排列方式；

另外，还要注意设置对照小区和保护行。

⑤设计实验方法应尽量采用先进的实验技术和仪器设备，确保研究结果的准确性。

（7）实验用具和药品：

即实验采用哪些设备和仪器，使用哪些药品，从而实现有计划和有效地观测与分析。

（8）实验程度：

即实验流程，也就是如何运用仪器设备作用于实验对象的程序或步骤，对全部实验过程作出总体设计。

（9）日程安排：

根据整体实验的要求，按日程分阶段实施实验方案。

（五）生物实验的方法技术、试剂、器材

1.常规实验方法

教材中的实验方法可大致归纳为以下10种：

显微观察法。

如观察植物细胞有丝分裂的实验，观察植物细胞的质壁分离与复原实验等。

观色法：

如动物毛色和植物花色的遗传实验。

同位素示踪法。

如噬菌体侵染细菌的实验，用18O2和14CO2追踪光合作用中氧原子和碳原子转移途径的实验等。

等组实验法。

如小麦淀粉酶催化淀粉的实验，发现生长素的燕麦胚芽鞘实验等。

加法创意。

如用饲喂法研究甲状腺激素的实验，用注射法研究生长激素的实验，用移植法研究性激素的实验等。

减法创意。

如用阉割法或摘除法研究性激素、甲状腺激素和生长激素的实验，雌蕊受粉后除去正在发育的种子的实验等。

杂交实验法。

如孟德尔发现遗传定律的豌豆杂交、测交的实验，小麦的杂交实验等。

化学分析法。

如番茄和水稻对钙和硅选择吸收的实验，叶绿体中色素的提取和分离实验等。

理论分析法。

如大、小两种草履虫的竞争实验，植物根向地生长、茎背地生长的实验，植物向光性实验等。

模拟实验法。

如渗透作用的实验装置，分离定律的模拟实验等。

上述内容基本上可以包括一般的实验方法，通过复习理解了这些实验方法将有利于认识、分析和设计新的实验。

此外上述多数的实验方法有一个共同的特点，就是实验结论的得出，都是一个逻辑推理过程，或者说都是一个透过现象看到本质的思维过程。

因此复习中要充分体会和体验这个过程。

可以说构建实验的方法体系，为分析、解决和设计新的实验，以及形成实验能力，奠定了良好的方法基础和思维基础。

2.实验材料的常用处理方法和技术

熟悉常用的实验方法和技术，理解每种方法和技术的适用情况并熟练掌握其操作技能，以便在设计实验时能进行迁移和利用。

主要包括以下几个方面：

光学显微镜观察。

适用于观察生物微观结构，如细胞结构，包括光镜下看到的各种细胞器。

要求学生熟练掌握显微镜的使用技术。

制作临时装片、切片和涂片。

适用于显微观察，凡需在显微镜下观察的生物材料，必须先制成临时装片、切片和涂片。

对于这些材料要求薄而透明，在制作临时装片时要展平放置于水中，不得重叠；

盖盖玻片时从一侧轻轻地斜放上去，防止产生气泡，若不小心产生了气泡，则可以在盖玻片的一侧滴加清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，引走气泡。

如“观察植物细胞的质壁分离和复原”中要制作洋葱表皮细胞的临时装片，“在生物组织中脂肪的鉴定”中要制作花生种子的切片等等。

研磨、过滤。

适用于从生物组织中提取物质，如酶、色素等，要求学生熟练掌握研磨、过滤的方法，如研磨时要先将生物材料切碎，然后加入摩擦剂（常用二氧化硅）、提取液及其必要物质，充分研磨之后，往往要进行过滤，以除去渣滓，所用过滤器具则根据需要或根据试题中提供的器材加以选用，如可用滤纸、纱布、脱脂棉、尼龙布等等。

课本上涉及到研磨和过滤的地方有两处：

一是研磨发芽的小麦，过滤制得淀粉酶；

二是在提取和分离叶绿体色素时，研磨叶片，过滤得到滤液。

概括加快研磨速度的方法，是加入一定量的SiO2，由于过滤只是粗略地去掉渣滓，因此为了提高速度并使实验明显，一般不选用滤纸，而是选用脱脂棉。

解离技术。

用于破坏细胞壁，分散植物细胞，制作临时装片。

恒温技术。

适用于有酶参与的生化反应，以及用热酒精脱去叶片中的色素等。

一般用水浴或恒温箱。

纸层析技术。

纸层析法是利用物质随层析液在滤纸上的扩散速度不同的原理，达到将物质分离的目的。

适用于溶液中物质的分离。

主要步骤包括制备滤纸条，画滤液细线，层析分离。

层