河北省隆化存瑞中学生物组

1河北省隆化存瑞中学生物组崔万福常规实验及实验设计一实验的概念和分类一、实验的概念：1.人们认识自然的方法：观察和实验是搜集科学事实、获取感性经验的基本途径，是形成、发展和检验自然科学理论的实践基础；因此观察和实验方法是自然科学研究中十分重要的认识方法。2.什么是观察方法？观察是人们对自然现象在自然发生的条件下进行考察的一种方法。“自然发生的条件”是说人们对自然现象不加以控制的情况，正是在这一点上它和实验方法相区别。3.什么是实验方法？实验方法是人们根据研究的目的，利用科学仪器、设备，人为地控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下去研究自然规律。4.实验方法的优点：观察只能在自然发生的条件进行，当然受到自然条件的局限；而实验方法是人为地去干预、控制所研究的对象，是在有意识的变革自然中去认识自然，更有利于发挥人的能动性去揭示隐藏的自然奥秘。5.实验方法在认识过程中的特殊作用：（1）实验方法具有简化和纯化的作用；（2）实验方法可以强化对实验现象的作用，使它处于某种极限状态中，这样有利于揭示新的自然规律；（3）运用实验方法去寻求自然规律和变革自然的手段是比较经济、可靠的。二、实验的分类：1.按实验中量和质的关系划分：①定性实验：用以判定某因素是否存在，某些因素之间是否有关系等。②定量实验：用以测定某对象的数值，或求出某些因素之间的经验公式、定律等。③结构分析实验：用以测定化合物的原子或原子团的空间配置。2.按实验在认识中的作用划分：①析因实验：由已知结果去寻找原因的实验。②对照实验：这种实验有两个或两个以上的相似组群，一个是“对照”组，作为比较的标准，另一个是“实验”组，通过某种实验步骤，以便人们确定它对2实验组的影响。大多数生物实验是对照实验。③中间实验：在工程建设中用以检验设计方案，为生产实践做准备而进行的实验。二科学研究方法的基本步骤1.观察、提出问题观察是科学研究方法的第一步，要求以客观的态度，在自然常态条件下进行。在此基础上提出有意义的值得探讨的问题。2.提出假说假说也称假设或猜测，指用来说明现象但未经证实的论题，也就是对所提出的参考答案。假说一般分为两个步骤：第一步，提出假说，即依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过创造性思维，提出初步假定；第二步，作出预期推断，即依据提出的假说，进行推理，得出假定性的结论。例如孟德尔“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，产生了含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”；而预期是“测交的后代，高茎（Dd）与矮茎（dd）的数量比接近1：1”。3.设计、完成实验实验是验证假说和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物的一种方法。这是科学方法的最大特色，也是科学方法的最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。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、实验的目的在于获得验证性的结果。所以，在实验中要记录实验的事实、现象、数据，即捕捉、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如果所获得的结果与假设相符，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。实验过程必须真实、客观。如前述孟德尔的测交实验结果，不论正交、反交，都与预期一致，说明假设正确，从而可以得出相关结论。三实验设计科学实验设计应注意以下几个方面的问题：1.变量在实验中，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：通过观察提出问题提出假说设计并完成实验分析数据得出结论3存瑞中学2004年高三补习班生物学案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，也称因变量，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“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温（冰块）、适温（370C）、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起干扰作用。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、可溶性淀粉溶液浓度和纯度、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等，都属于无关变量；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，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教材中相关实验中的变量实验自变量因变量无关变量实验五、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、反应时间等实验六、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（处理后加菲林试剂，加热出现砖红色沉淀），但不能水解蔗糖（处理后加菲林试剂并加热，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、菲林试剂的使用量与加热时间、操作程序等实验七、温度对酶活性的影响温度（600C热水、沸水、冰块）加碘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短、操作的程序、碘液的加入量等4存瑞中学2004年高三补习班生物学案实验自变量因变量无关变量实验九、观察植物细胞的质壁分离和复原外界溶液的浓度（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时间、装片的洁净度及临时装片的制作、材料的选择等实验十、植物向性运动的实验设计和观察①是否单侧光照（黑暗、单侧光照、均匀光照）②改变幼苗的空间位置以接受重力影响①幼苗的弯曲状况②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、培养条件等实验十一、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）的不同浓度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实验四、（选修）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、实验植物的生长状况、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2.设计原则（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则，实验结果的预期要有科学依据，实验的各个环节都不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其它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。具体说来，生物学实验设计的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，因此它必须是经前人总结或经科学检验得出的科学理论。如2000年全国高考试题第25题，本题要求学5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；草酸钾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效果的关键因素之一。孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验的材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原”实验选用紫色的洋葱作为实验材料都是一些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，就可以顺利地达到实验目的。③实验方法的科学性巴甫洛夫有这样一句名言：方法掌握着研究的命运。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。如证明植物呼吸作用释放二氧化碳的实验是这样设计的：通入的空气首先经过NaOH溶液除去其中的CO2，再经过Ca（OH）2溶液检验CO2是否除尽，最后才通入装有萌发种子的密封瓶中。只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素（空气中的CO2），才能证明瓶中排出的CO2确实来源于种子。④实验结果处理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，找出它们所能够透露给我们的最大信息量。如下面这个实验：用含有各种必须矿质元素的溶液培养大麦，48h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1090135，27，179黑暗534105，35，113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，首先要分析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，也应从这三方面入手，得出如下实验结论：一是植物对水分和矿质元素的吸收，与光有一定关系；二是植物对水分和矿质元素的吸收是相对独立的两个过程；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。6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。下面的这道题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的渗透能力的实验中，把剪成小块的洋葱表皮细胞（等量）分别依次放入下面各组溶液中，结果记录如下表：培养皿蔗糖溶液浓度（mol.L-1）发生初始质壁分离细胞占观察细胞数目的百分比10.2无20.3无30.415%40.540%50.680%60.799%70.8100%请回答：（1）该洋葱细胞液的等渗浓度范围为。（2）在以上基础上，如何进一步改进实验，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。①需设置的蔗糖溶液浓度分别为。②。③观察。④结果分析。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，都应做到一个实验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值则应控制成相同条件（常量），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：某生物学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，并设计了如下实验：花盆阳光温度水Ⅰ光照200C充足Ⅱ暗室200C不充足在这一实验设计中，应该改正的错误是：7A.两个花盆都应该放在向阳的地方B.两个花盆都应该放在黑暗的地方C.两个花盆的温度不应该一样高D.两个花瓶