高中生物实验设计专题-知识归纳

HSABNU北京师范大学附属中学总复习-1-高中生物实验设计专题一、2018年高考生物实验考试大纲（1）能独立完成所列生物实验，包括理解实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能，并能将这些实验涉及的方法和技能进行综合运用。（2）具备验证简单生物学事实的能力，并对实验现象和结果进行解释、分析和处理。（3）具备对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。（4）能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订。二、生物实验设计的科学性分析实验能力是“教学大纲”要求学生掌握的一项基本能力。就是能使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并对结果进行解释和分析。此能力要求包括两方面的内容：一是能够设计简单的实验，验证简单的生物学事实；二是能对实验现象、实验结果作出正确的解释和分析。实验能力也是高考“考试说明”要求学生掌握的一项基本能力（设计和完成实验的能力）。此能力要求也包括两方面的内容：一是独立实验的能力（大纲规定学生实验和教师演示实验），即理解实验原理、目的、要求、材料、用具；掌握实验的步骤、控制实验条件、使用有关仪器、安全问题处理；观察现象、分析数据、得出结论；常规实验非常规做法。二是能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题。用理、化、生三科实验中所学的知识去解决实际问题。实验所占比分为30%（基本不变，也可能在25%左右）。实验设计是较高的能力要求，除要具备一定的知识基础外，还需要具有一定的创造能力。所设计的实验是建立在科学的基础上的，还应具有一定的观察和发现问题的能力。要提高这方面的能力，必须改变过去“背实验”的方法，亲自动手做实验，熟悉实验的操作步骤，弄清实验的原理，能运用所学知识对实验现象进行分析，以此来验证或探究某一结论。只有这样，才能促进实验能力的提高，促进科学思维的形成和发展，才能真正对实验的知识、内容进行举一反三。1．实验设计的基本内容1.1实验名称是关于一个什么内容的实验。1.2实验目的要探究或者验证的某一事实。1.3实验原理进行实验依据的科学道理。HSABNU北京师范大学附属中学总复习-2-1.4实验对象进行实验的主要对象。1.5实验条件根据实验原理确定仪器和设备；要细心思考实验的全过程。1.6实验方法与步骤实验采用的方法及必需（最佳）操作程序。每一步骤都必须是科学的；能急时对仪器、步骤进行有效矫正。1.7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。1.8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。1.9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。2．实验设计的基本原则2.1科学性原则所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都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。如：淀粉酶水解淀粉的顺序问题。2.2单一变量原则（1）变量：或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为两类：①实验变量与反应变量实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。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“温度对酶活性的影响”的实验中，所给定的低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水浴）就是实验变量。而由于低温、适温、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，该实验即在于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以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量有干扰作用，例如，上述实验中除实验变量（低温、适温、高温）以外，试管洁净程度、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，实验操作程度，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，HSABNU北京师范大学附属中学总复习-3-则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量或减少额外变量，以减少误差。（2）单一变量原则在实验设计中仅仅改变实验中的某一项变量，其它因子不变，在此条件下，观察、研究该变量对实验材料和实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要做到前后一致。当然还有多变量综合研究的原则，这在高中生物实验设计中涉及的较少。2.3对照性原则对照是实验控制的手段之一，目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比，即可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组：对照组，也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。设置对照组常有4种方法：(1)空白对照，即不给对照组做任何处理；例如，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；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。例如，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。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。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HSABNU北京师范大学附属中学总复习-4-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。再如:在探究温度(或pH)对酶催化活性影响实验中温度(或pH)(0度、50度,100度)为相互对照。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。2.4等量原则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”。具体来说有如下四个方面：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。有时尽管某种处理对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但最好还是要作同样的处理。2.5可重复性原则指的是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。目的在于尽可能消除非处理因素所造成的实验误差，体现实验的科学性。2.6简约性和可行性原则是指实验材料容易获得，实验装置简化，实验药品便宜，实验操作简便，实验效果明显并能在较短时间内完成（用药少/步骤少/时间短）。从实验目的、实验原理到材料用品的选择、实验操作等，都要符合实验者的一般认知水平，满足现有的条件，具有实验和完成实验的可能性。3.实验设计基本思路实验设计往往是解答实验题的难点，但只要理清思路，找准方法和突破口，也能化难为易。实验的设计可遵循以下思路和方法进行。HSABNU北京师范大学附属中学总复习-5-3.1首先确定实验目的，并对其去粗取精，提炼要点,确定是验证性实验还是探究性实验。3.2运用所学知识，找准实验原理，并要做到对原理理解透彻----是实验设计的依据理解实验原理对实验设计的重要作用，每一个生物实验材料的选择、实验装置的确定、实验步骤和实验方法的安排都不是随意的、盲目的，而是有其实验原理作为依据的。实验现象和实验结果的预期也是依据实验原理而作出的。3.3根据实验原理，对照实验目的，通过初步分析，在头脑中搜寻教材上或曾做过的实验模型，初步形成大致方案，实验设计大多与单因子变量和对照实验有关。3.4结合实验所给的条件，选取适当的方法（简便性原则），开始草拟具体步骤方案，设计具体步骤后，要顺藤摸瓜，通过实验结果（现象）的判断，分析综合得出实验结论。3.5回归检验。看看自己设的实验是否存在科学性原则，紧扣实验原理来进行分析；是否有遗漏的地方；是否还有其它可能性存在，即检验实验的严密性、科学性问题。实验设计的检验过程最终应该对照实验原理，回归实验目的。3.6实验设计中反应变量的确定和控制生物实验设计中，反应变量的确定非常重要，因为任何一个科学实验的结论都是从反应变量所表现出的数量、质量或状态的事实中推导或分析出来的。生物实验中很多反应变量就是实验条件。设计实验时，应该根据实验目的和实验原理来确定对实验结果有影响的反应变量。同时，对其他无关变量或非研究变量应进行控制。对变量的控制所要遵循的原则是对照原则，即控制其他因素不变，而只改变其中一个因素（反应变量），观察其对实验结果的影响。通过对照的建立，达到对变量的控制，这是生物实验设计的灵魂。4.实验材料的选择材料选择的依据：4.1科学合理，简便易行，有典型性和代表性。4.2数量足够多（避免量少给实验带来偶然性误差）4.3实验组和对照组应等量①材料等量（种类、数量、生理状况等）②处理方法等量（温度、光照、时间等HSABNU北京师范大学附属中学总复习-6-7.实验步骤的书写———三步曲(1)材料器具的准备：包括分组、编号、非条件处理等………………………②取两套规格相同的器材(或取长势相同的某种生物材料随机平均分成两份)分别标记为A、B，并分别加入等量的……本步骤强调分组的等量性原则(器材的规格、生物材料的长势、分组的数量和随机性等)，编号可以针对实验器具，也可以针对实验材料，有的非条件处理需在条件处理之后，则需写在第二步。(2)设置实验组（有单一变量）和对照组（无）………………………………①在A组中加入适量的……在B组中加入等量的……本步骤强调对照性原则、各对照组条件处理的等量性原则，通过“适量”和“等量”表达出来。在具体的实验设计中，可用具体的量，如“在A组中加入2ml……在B组中加入2ml……”。需要注意的是：一组加入试剂时，如另一组不需加入试剂，则必须加等量的蒸馏水或相应不影响实验结果的溶液；如果用试管做实验，实验中加入试管的各溶液的总量一般不超过10mL。另外，要注意单一变量原则，即本步处理的变量只能有一个。(3)放在适宜的相同的条件下培养，一段时间后观察