高三生物实验设计专题.docx

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高三生物实验设计专题

高2013级生物实验设计专题

一.完整实验设计的基本内容

实验名称:

是关于一个什么内容的实验。

（即:

研究或实验的内容）

实验目的:

要探究或者验证的某一事实或者做了该实验后，要解决什么问题？

实验原理:

进行实验依据的科学道理。

（即完成该实验所应用到的理论依据是什么？

）

材料用具：

包括实验材料、仪器或试剂等

实验的操作步骤:

涉及到实验设计思想、器材、药品的使用、实验设计原则（对照、科学性、简便性、单一变量、可重复性、控制与平衡控制等）的体现。

实验测量与记录:

对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确客观的记录。

实验结果预测及分析:

能够预测可能出现的实验结果并分析导致的原因。

实验结论:

对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论。

（注：

有些考题要求考生预测可能的实验结果，并推断相关的结论。

）

注：

关于“假设”“预期”“结果”与“结论”的辨析

（1）假设

“假设”，也称假说或猜测，是指用来说明某种现象但未经证实的论题，也是对所提出的问题作出的参考答案，即依据发现的事实材料或科学原理，通过创造性思维，提出初步假定。

如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验中，提出的假说应为：

当细胞外溶液浓度＞细胞液浓度→细胞失水

当细胞外溶液浓度＜细胞液浓度→细胞吸水

（2）预期

“预期”是在实验设计方案确定以后，实验正式实施之前，根据假说和原理，对实验可能出现的结果的判断，是依据提出的假说进行推理，得出假定性结果或推论，即“假如假设成立，则应有何种结果”，“观察植物细胞质壁分离与复原实验”中，假若假设成立，则应有处于高浓度（30％）蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞因不断失水→质壁分离，而处于清水中的已分离细胞因细胞吸水→质壁分离复原

（3）结果：

结果应为实验实际出现的情况，如“质壁分离复原实验”中处于30％蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞果真发生了质壁分离，而处于清水中的已分离细胞果真发生了复原现象。

（4）结论：

结论的得出须依据实验结果，即若出现的结果与预期结果一致则得出与先前的假说一致的结论或“假说成立”，若实验出现的结果与预期结果不符，则得出的结论应为“假说不成立”。

由此可知，“假设”应对应“结论”，“预期”应对应“结果”，在实验讨论时应注意描述的科学性即“如果出现何种结果，则应有何种结论”，例如用检测呼吸装置的红色液滴检测酵母菌呼吸类型时，应为若液滴向左移动则推出什么结论，若液滴向右移动则推出什么结论，而不能描述为“若为有氧呼吸，则液滴向哪移动”，再如在验证淀粉，碘液能否通过半透膜时应描述为“若袋内外液体均变蓝（结果或现象），则淀粉、碘液均能通过半透膜。

”而不能描述为“若淀粉、碘液均能通过，则袋内外液体均变蓝”。

二、实验设计的主要基本原则

（一）科学性原则

在实验设计中必须有充分的科学依据。

生物学实验中，一种生命现象的发生往往有其复杂的

前因后果，从不同角度全面地分析问题就是科学性的基本原则。

包括实验原理的科学性、实验材料选择的科学性、实验方法的科学性、实验结果处理的科学性。

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,因此它必须是经前人总结或经科学检验得出的科学理论。

如要求学生设计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，若缺少它则血液不能凝固；草酸溶液能与血液中的钙离子发生反应，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，是保证实验达到预期结果的关键因素之一。

如“还原性糖鉴定实验”中以苹果或雪梨细胞组织液为材料，以及“植物细胞质壁分离与复原”实验中以紫色洋葱为实验材料等实验都是一些经典的成功选材的范例。

思考：

还原糖的鉴定、蛋白质的鉴定、植物细胞有丝分裂观察、叶绿体色素提取与分离、

植物细胞的质壁分离与复原、细胞质流动的观察等实验中应选择哪些实验材料才能得到较好的实验效果？

为什么？

③实验方法的科学性

只有科学而严谨的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果。

如鉴定蛋白质的实验中，根据蛋白质分子在碱性环境中与硫酸铜反应形成紫色的反应特点，实验过程中必须先加双缩脲试剂A液（质量浓度为0.1g/ml的氢氧化钠溶液），振荡后再加B液（质量浓度为0.01g/ml的硫酸铜溶液）。

而不能反过来，或把A液与B液混合后加入，这样均不能得到预期的实验结果。

思考：

在光合作用强度的检测实验中用绿光灯照射可看成是黑暗条件的依据是什么？

在鉴定光合作用产物实验中，为什么要对植物进行饥饿处理，这样做的科学性体现在哪里？

④实验结果处理的科学性

对于实验过程中得到的一些数据，现象或其它信息，不能简单处理，应首先整理后仔细分析，找出它们所能够透露给我们的最大信息量。

如坐标图、表格等。

（二）.平行复重原则：

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。

任何实验必须有足够实验次数，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，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果的影响程度。

由实验设计的特点来看，采用了平行重复的原则来进行，消除了无关变量与额外变量的干扰，可多次重复该实验，使得实验结果更加客观、科学。

（三）.对照性原则:

科学、合理的设置对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。

实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。

只有设置对照实验，才能有效地排除其它因素干扰结果的可能性，才能使设计显得比较严密，所以大多数实验，尤其是生理类实验往往都要有相应的对照实验。

如何设置对照实验呢？

所谓对照实验是指除所控因素外其它条件与被对照实验完全相等的实验。

对照实验设置的正确与否，关键就在于如何尽量去保证“其它条件的完全相等”。

①所用生物材料要相同：

即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面特点要尽量相同或至少大致相同。

②所用实验器具要相同：

即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。

③所用实验试剂要相同：

即试剂的成分、浓度、体积要相同。

尤其要注意体积上等量的问题。

④所用处理方法要相同：

如：

保温或冷却：

光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。

设置对照组有4种方法：

1、空白对照：

即不给对照组做任何处理；如在“唾液淀粉酶催化淀粉”的实验中，实验组滴加了唾液淀粉酶液，而对照组只加了等量的蒸馏水，起空白对照。

用甲状腺制剂饲喂蝌蚪与正常情况下蝌蚪不作任何处理对照就属于空白对照；在还原糖鉴定实验中留一部分样液不加入斐林试剂，以作对照。

2、条件对照：

即虽给对照组施以部分实验因素，但不是所研究的实验处理因素；这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理，目的是通过得出两种相对立的结论，以验证实验结论的正确性。

如在“动物激素饲喂小动物”的实验中，采用等组实验法，甲组为实验组（饲喂甲状激素），乙组为条件对照（饲喂甲状抑制剂）；不饲喂药剂的是空白对照组;课本中涉及到温度对淀粉酶活性影响的实验中0℃、100℃等温度下的对照则为条件对照；，显然，通过条件对照．实验说服力大大提高。

3、自身对照：

指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不再另外设置对照组；例如“质壁分离与复原”实验，自身对照简便，但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。

将过氧化氢酶加入过氧化氢溶液中证明酶是生物催化剂可催化过氧化氢水解，即自身对照，处理前的对象状况为对照组，处理后的对象变化为实验组。

4、相互对照：

不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。

即实验与对照在同一对象上进行.这种方法常

用于等组实验中。

“植物向光性”实验中，利用若干组燕麦胚芽的不同条件处理的实验组之间的对照，说明了生长素与植物生长弯曲的关系。

证明玉米根的生长方向与地心引力的关系实验中不同方向放置的玉米种子之间则属于相互对照。

在实验中要找出一个最佳效果点，就要采取相互对照进行实验。

“实验组”与“对照组”确认:

一个实验通常分为实验组和对照组（控制组）。

实验组是施加实验变量处理的被试组；对照组是不施加实验变量处理的对象组，两者对无关变量的影响是相等的，两组之间的差别，被认为是来自实验变量的结果，如2005年春季高考题中为研究光对幼苗生长的影响时实验变量应为撤掉光照，因而暗处生长的小麦幼苗应为实验组，而自然状态（即来接受实验变量处理）的小麦幼苗应为对照组，通过对照组能增强实验的信度。

说明:

根据实验目的要求，凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中，一般都需要设计对照组实验。

中学阶段所要求的实验设计一般多采用对照的原则，因为科学、合理的设置对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。

（四）.单因子变量原则和等量性原则

此两个原则都是在设计对照实验时必须坚持的原则。

所谓单因子变量原则，强调的是实验组和对照组相比只能有一个变量，只有这样当实验组和对照组出现不同结果时，才能确定造成这种不同结果的原因肯定是这个变量造成的，从而证明实验组所给实验因素的作用，因此在设计对照组实验时首先要确定变量并加以正确设置，至于将谁作为变量则很容易确定，即要验证（探究）谁则把谁作为变量，也就是要把所要验证的中心条件作为变量。

如要探索PH对淀粉酶活性的影响，则需把PH作为变量；要验证光合作用需要光则应将光作为变量；要验证光合作用需二氧化碳则把二氧化碳作为变量等等。

等量性原则与单因子变量原则是完全统一的。

只不过强调的侧面不同，单因子变量原则强调的是实验变量的单一性，而等量性原则强调的是除了实验变量之外的一切对实验结果有影响的无关变量必须严格控制等量即相同，以平衡和消除无关变量对结果的影响，不论一个实验有几个实验变量，都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中的复杂关系的准则之一。

1实验变量与反应变量：

实验变量是实验中由实验者操纵的因素或条件，是作用于实验对

象的刺激变量（也称自变量），自变量须以实验目的和假设为依据，应具有可变性和可操作性。

反应变量（又称因变量），是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，反应变量是研究是否成功的证据，应具可测性和客观性。

二者关系：

实验变量是原因，反应变量是结果，即具因果关系。

例如：

关于“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，“低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水）就是实验变量，而这些变量引起的实验变化结果就是反应变量。

该实验旨在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（控制变量）是指实验中除实验变量外的影响实验结果与现象的因素或条件。

即是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量。

实验者应严格控制无关变量，否则实验结果的真实性无法得到认定、我们常在实验过程中强调“选取生长状况相同的幼苗”“数量大小相同的种子”“置于相同并适宜条件下培养”“加入等量的清水”等均是为了控制无关变量对实验结果的干扰。

由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。

二者关系：

也是前因后果的关系。

但它们的存在对实验与反应变量的获得起干扰作用。

例如：

“唾液淀粉酶实验”中，除实验变量（温度）外，试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、淀粉浓度、温度处理的时间长短等等就属于无关变量。

如无关变量中的任何一个或几个对三组实验不等同、不均衡，就会产生额外变量，影响实验的真实结果。

实验变量，或称自变量，指实验假设中涉及的给定的研究因素。

反应变量，或称因变量，指实验变量所引起产生的结果或结论。

而其他对反应变量有影响的因素称之为无关变量，观察其对实验结果的影响。

例如，生物课本内温度对酶活性影响的实验中：

实验变量是低温（冰水），适温（60℃），高温（沸

水）；酶的活性变化即反应变量；试管的洁净度，淀粉酶的稀释度，可溶性淀粉的浓度，碘液的

量和浓度，温度处理时间，操作程序等是无关变量。

实验中不论有几个实验变量，都应做到每

个自变量对应一个因变量，此外还要做到操作规范。

在实验设计、实施的全过程中，应严格操

纵实验变量，严格控制无关变量，尽可能消除误差，获取较为精确的反应变量。

三.实验设计的具体方法

无论解哪种类型的设计实验步骤试题，都可以用“三步法”去解。

第一步，取材、分组、编号：

将相关的实验材料、用具等平均分组并编号

第二步，相同处理和不同处理（设置实验组与对照组）：

根据实验变量设置对照

第三步，培养（或饲养）、观察、记录、统计、比较等，如果实验现象是隐蔽的，必须找出具体的检测方法，以显现实验结果，便于观察；如果实验现象是具体的，则观察、记录、统计、比较实验数据和现象。

四、实验设计的类型

探究性实验与验证性实验

探究性实验：

指实验者在不知晓实验结果的前提下，通过自己实验、探索、分析、研究得出结论，从而形成科学概念的一种认知活动。

验证性实验：

指实验者针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果、巩固和加强有关知识内容、培养实验操作能力为目的的重复性实验。

比较表

探究性实验

验证性实验

实验目的

探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系

验证研究对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系

实验假设

假设一般采用“如果A，则B”的形式表述，是根据现有的科学理论、事实．对所要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案、解释

因结论是己知的，因此不存在假设问题

实验原理

因探究内容而异

因验证内容而异

实验过程

应有的实验步骤实际上并未完成，因探究内容而异

应有的实验步骤，可是曾经做过或尚未做过的，因验证内容而异

实验现象

未知，可以不描述

已知，应准确描述

实验结果

预测

对应假设，分类讨论。

一般需讨论“如果出现结果①会怎样，如果出现结果②或③又会怎样”。

但有时也会出现“预测最可能的结果”的问题．此种情况应根据已有知识推测最合理的结果。

无

实验结论

不同的预测结果有相应的不同结论

对应实验目的做出肯定结论

五、实验设计的实例分析

高考试卷中实验设计试题有三种类型：

全程设计、补充设计、设计改错。

（一）．全程设计：

试题明确给出了实验目的和原理，要求学生通过步骤的设计，验证或探究一个实验目的，得到相应的结果和结论。

1、验证性实验的全程设计实例

例：

为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。

（1）材料和用具：

日龄相同体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。

（实验提示：

给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定。

）

（2）方法与步骤：

（3）结果预测与分析：

2、探究性实验的全程设计

例：

绿豆种子萌发初期的生长主要是胚轴的伸长。

某研究性学习小组从一个农科所获得了一种复合肥料，他们想探究这种复合肥料溶液在什么浓度范围对绿豆萌发初期的生长促进作用最大。

请你利用下列材料，参与他们的实验设计。

材料：

做好标记的大号培养皿若干个、刚萌发出一小段胚轴的绿豆种子若干组（10粒／组）、复合肥料颗粒、蒸馏水、脱脂棉、直尺等

实验步骤：

最后，将实验数据进行比较分析，得出结论。

（二）．补充设计：

试题明确给出了试验目的、原理和部分设计步骤，要求把其他步骤补充完整。

1、验证性实验的补充设计

例：

甘薯和马铃薯都富含淀粉，但甘薯吃起来比马铃薯甜，为探究其原因，某兴趣小组以甘薯和马铃薯块茎为材料，在不同温度、其他条件相同的情况下处理30min后，测定还原糖含量，结果表明马铃薯不含还原糖，甘薯的还原糖含量见下表：

处理温度（℃）

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

甘薯还原糖含量（mg/g）

22.1

23.3

25.8

37.6

40.5

47.4

54.7

68.9

45.3

28.6

（1）由表可见，温度为70℃时甘薯还原糖含量最高，这是因为______________________。

（2）马铃薯不含还原糖的原因是___________________。

（3）为了确认马铃薯不含还原糖的原因，请完成以下实验：

实验原理：

①_______________________________________________________；

②_______________________________________________________。

备选材料与用具：

甘薯提取液（去淀粉和还原糖），马铃薯提取液（去淀粉），二苯胺试剂，斐林试剂，双缩脲试剂，质量分数为3%的淀粉溶液和质量分数为3%的蔗糖溶液等。

实验步骤：

第一步：

取A、B两支试管，在A管中加入甘薯提取液，B管中加入等量的马铃薯提取液。

第二步：

70℃水浴保温5min后，在A、B两支试管中各加入_____________,

第三步：

70℃水浴保温5min后，在A、B两支试管中再各加入___________，

第四步：

_________________________.

实验结果：

_____________________________

（4）马铃薯不含还原糖，但吃起来略带甜味，这是由于_____________的作用，食用马铃薯后消化分解成的葡萄糖，被小肠上皮细胞吸收后发生的代谢变化是_________________________________________________________________________________。

例2.植物开花受开花激素的影响。

下图所示光周期（日照长短）诱导植物开花激素的产生以及影响开花的实验．图中植物去掉了顶端的全部叶子，A、D植株分别接受长日照、短日照;B、C植株方框内为受短日照处理的部位。

（l）、对照实验A、D可说明该植物属于（长日植物、短日植物）。

测试项目

结果分析

感受光周期的部位（叶或顶端）

接受诱导产生开花激素的部位（叶或顶端）

开花激素作用的部位（叶或顶端）

（2）根据B、C实验，填写实验报告表中的有关内容：

　（3）根据以上所有实验得出的结论:

。

（4）借鉴“生长素的发现”的科学实验方法，设计一简单的模拟实验，证明B株产生的开花激素可使A株条件下的同种植物开花：

第一步：

切取一小段B株带叶枝条放置在琼脂块上一段时间；

第二步；。

预期结果：

。

对照实验：

。

预期结果：

。

2、探究性实验的补充设计

例：

生物学家研究发现，癌细胞的无限增殖受某种调控基因的控制，该调控基因能激发所有动物细胞大量增殖，为探究调控基因是存在于细胞质还是细胞核上，科研人员做了如下实验设计：

根据以上思路，请继续完成下列实验设计方案：

A．实验方案：

（实验提示：

癌细胞能传代培养，细胞形态发生明显改变。

如何观察细胞形态不作实验设计要求．）

①用胰蛋白酶分别处理宫颈癌细胞和小鼠肝脏使之分散成单个细胞。

②分别使单个癌细胞和单个肝脏细胞核质分离。

③。

④取2只培养瓶编号甲、乙，各加入等量的培养液。

⑤。

⑥。

B．预期实验结果及结论：

①。

②。

③。

（三）．设计改错：

例1：

为证实“甲状腺激素及甲状腺抑制剂对蝌蚪生长发育的影响”，某同学制定了下列实验方案：

①取两个玻璃缸分别编号：

1号、2号；

②在两个玻璃缸中分别加入等量且适量的水和新鲜水草，然后在每个玻璃缸中分别放入10条发育状态不同的蝌蚪；

③向1号缸内投放含甲状腺制剂的饲料，2号缸内投放含甲状腺抑制剂的饲料；

④每天分别向各缸投放一些这样的饲料；

⑤每隔一定时间观察一次，观察时用小网将蝌蚪捞出放在培养皿中，再将培养皿放在坐标纸上（1mmx1mm），观察并测量蝌蚪的体长变化（前肢和后肢的生长情况、尾的变化等）。

上述实验设计方案中，有一些明显的设计缺陷或不妥，请你修改完善该设计方案：

①；

②

③

④和⑤原方案

实验现象预测；

例2为证实“二氧化碳是光合作用合成有机物必需的原料”，某同学制订了下列实验方案：

（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NaOH溶液，密封不漏气。

②将上述植物及装置放在暗室中饥饿，消耗掉叶片内贮藏有机物。

暗室内装有红色安全灯。

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，放人盛有酒精的烧杯中，水浴加热，使叶绿素溶于酒精中。

⑤将已脱绿的叶片取出，平铺在一个培养皿中，用碘液，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，请指出错误并改正。

◆实验评价题应对策略：

★看有无对照实验，如果有看对照设计是否合理。

★看实验是否遵循了单一变量原则。

★看实验步骤的顺序是否合理，步骤是否完整。

★看实验仪器、药剂的使用的是否合理。

药剂的配备、使用及用量的大小。

★看实验结果的验证是否合理。

试题明确给出了试验目的、原理和设计步骤，要求把步骤中的错误之处指出来并加以改正。

六、提高生物实验设计水平的几点见解

1.掌握书本知识是提高能力的基础

2.深刻领会教材有关实验的本质与特点是提高实验设计能力的前提

3.学会对已知实验进行变换与转化设计是提高实验设计能力的有效手段

4.模拟教材经典实验进行重复性实验设计

七、生物实验设计题型题例分析

1、已知唾液中含有淀粉酶，淀粉酶可以催化淀粉的水解；又知鸡蛋被加热到65℃后会变熟，但不知唾液淀粉酶被加热到65℃后是否影响其生物活性。

为探究此问题，请您依据所给材料和用品设计相应的实验方案，并预测可能的实验结果及可获得的相应结论。

材料用品：

经过稀释的唾液、经过稀释并煮熟的淀粉糊两份（一份保持在37℃环境中，另一份保持在65℃环境中）、碘酒、酒精灯或其他的加热设备、试管若干、量筒、滴管、大烧杯、温度计。

实验方案：

（1）。

（2）将甲、丙试管放入37℃左右的温水中，将乙试管放人65℃温水中。

3支试管均保温5min后取出。

（3）。

实验结果：

。

实验结论：

2.请利用所给的实验材料和用具设计一个实验，了解胚和胚乳细胞膜的活性是否相同。

（1）实验材料：

10粒玉米种子、烧杯、刀片、酒精灯、石棉网、培养皿、标签、红墨水、玻片、放大镜。

（2）实验步骤：

（3）实验结果：

3、下图为某个学生根据体细胞杂交技术设计的生产破伤风杆菌抗体的方案。

据图回答：

（1）该方案的目的是。

（2）该方案能达到预期效果吗？

如果不能，请设计出可行的方案。

4、某生物科技小组为了证明镁和钾都是植物生活所必需的元素，他们设计了如下实验：

（1）配制溶液：

①配制完全营养液甲。

②配制无镁、钾的营养液乙。

（2）培养植株：

将长势相似、数量相同的两组玉米幼苗分别种植在两个盛有沙土的容器内，分别浇灌甲和乙营养液。

（3）观察记录：

定期观察记录幼苗生长状况。

（4）结果结论：

①一定时间后，发现浇甲营养液的玉米生长旺盛，浇乙营养液的玉米弱小瘦黄。

②镁、钾元素是植物生活必需的矿质元素。

请分析该实验方案有无纰漏？

若有请指出纰漏，再写出你的设计思路。

5、下图是一位学生设计的实验，用来证