高中生物实验设计

高中生物实验设计专题复习中牟一高：孙玉旺【考试大纲解读】（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。1实验设计的一般程序：•1.1明确实验目的；•1.2分析实验原理；•1.3选择材料用具；•1.4设计实验步骤；•1.5预测实验结果；•1.6观察收集数据；•1.7分析推理得出结论。2实验设计遵循的原则•⑴单一变量原则①自变量与因变量实验变量，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.。自变量是实验中由实验者操纵的因素或条件，而因变量是指由实验变量而引起的变化结果，二者之间是前因后果的关系。实验的目的就在于获得和解释前因与后果。⑴单一变量原则•例如：如温度对酶活性的影响实验、光照强度对光合作用的影响中实验变量、反应变量，无关变量分别是：⑴单一变量原则•②无关变量与额外变量•无关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。由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。它们之间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。⑵对照性原则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。①空白对照空白对照是指不做任何实验处理的对象组。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。⑵对照性原则•②条件对照条件对照是指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理作为对照意义的,或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的，或不是所要研究的处理因素。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。⑵对照性原则•③自身对照自身对照是指实验与对照在同一对象上进行,即不另设对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验,则是典型的自身对照。自身对照,方法简便,关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异,实验处理前的对象状况为对照组,实验处理后的对象变化则为实验组。⑵对照性原则•④相互对照相互对照是指不另设对照组,而是几个实验组相互对比对照。如“植物激素与向光性向重力性实验”和“温度对唾液淀粉酶活性的影响的实验”中,所采用的都是相互对照,较好地平衡和抵消了无关变量的影响,使实验结果具有说服力。⑶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除变量以外“其它条件的完全相等”。具体来说有如下四个方面：⑶等量原则•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。⑷科学性原则•原理方法要科学•如对材料的处理和使用3.实验设计的类型•⑴验证性实验：证明已知结论。•⑵探究性实验：不知结论，通过做实验，求证假设是否正确。•例1.构成细胞的生物膜是选择透过性膜。其特点是水分子可以自由通过，被选择的小分子和离子可以通过，不被选择的小分子和离子及大分子物质不能通过。请根据提供的试验材料和用具简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果，以验证活细胞膜的选择透过性功能。•实验材料和用具：①新鲜的红色月季花②烧杯③玻璃铅笔④质量分数为15%的盐酸⑤清水⑥量筒等•实验步骤：•(1)用玻璃铅笔在两只大小相同的烧杯上分别标上A和B；两烧杯中分别加入等量的红色新鲜月季花瓣；•(2)；•(3)。•预期结果：。•结果分析：。⑴验证性实验答案：•实验步骤：(1)用玻璃铅笔在两只大小相同的烧杯上分别标上A和B；两烧杯中分别加入等量的红色新鲜月季花瓣；(2)分别用量筒量取等量清水和盐酸,分别加入到A、B两烧杯中；(3)一段时间后，观察烧杯中花瓣和溶液的颜色变化。•预期结果：清水中的花瓣颜色不变，水呈无色；盐酸中的花瓣颜色逐渐变浅，溶液的颜色逐渐变红。•结果分析：在盐酸溶液中，细胞膜的结构被破坏，选择透过性功能丧失，色素分子从细胞内进入外界溶液。⑵探究性实验•不知道结论，通过做实验，求证假设是否正确⑵探究性实验•例2.探究过了保质期的生长激素的活性。一批生长激素过了保质期，需设计一个实验来检验它是否还有使用价值。现给你一群生长状况完全相同的幼龄小白鼠和饲养它们的必需物品，正常的生长激素、过期的生长激素、生理盐水、注射器、酒精棉等物。请回答下列有关问题：1）在设计实验步骤时，其实验组是；对照组是。2）预测可能的4种实验结果，并得出相应得结论：①；②；③；④。⑵探究性实验•答案：•实验组：对一只小白鼠注射适量的过期的生长激素溶液•对照组：A组：对一只小白鼠注射等量的正常生长激素溶液；B组：对另一只注射等量生理盐水•①若实验组个体和对照A组个体的大小（或体重）相同，则说明过期生长激素还具有完全正常的生物活性，可以使用；②若实验组个体比对照A组个体的小，但比对照B组的大，则说明过期生长激素还具有部分生物活性，可以使用；③若实验组个体和对照B组个体的大小相同，则说明过期生长激素丧失了生物活性，没有使用价值；④若实验组个体在实验过程中出现死亡或不良反应，则过期生长激素不能使用。4．实验设计的具体方法•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。4．实验设计的具体方法•（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。•（2）运用所学知识，找准实验原理，并要做到对原理理解透彻----------------这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）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。4．实验设计的具体方法•（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。•（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。4．实验设计的具体方法•（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。5.实验材料的选择•(1)“观察洋葱根尖细胞的有丝分裂实验”和“质壁分离和复原实验”都用洋葱，两者的取材部位分别是、，可否互换？为什么？根尖的分生区细胞紫色的洋葱鳞片叶不能互换，因为前者能进行旺盛的有丝分裂，后者是已经分化的细胞，含有大的液泡。质壁分离与复原实验选择成熟的活的植物细胞，因为它有大液泡，细胞壁。而紫色洋葱鳞片叶外边皮细胞的大液泡较大，细胞液中有紫色花青素，实验现象明显，注意：细菌也有质壁分离，但现象不明显，动物细胞由于没有细胞壁，不能发生质壁分离。5.实验材料的选择•(2)“还原性糖的鉴定实验”对材料的要求是、。该实验可否选择小麦、甘蔗等含糖较多的植物组织？白色、无色或接近无色或白色含有可溶性还原糖不能选择，原因小麦、甘蔗内含有蔗糖，不是还原性糖。5.实验材料的选择•还有其它的实验都非常注意材料的选择：如叶绿体的观察、细胞质流动的观察、光合作用发生的部位。验证生长激素能促进动物的生长、验证甲状腺激素能够提高动物神经系统兴奋性等6.实验步骤的书写———三步曲•第一步：•材料器具的准备：包括分组、编号、非条件处理等………………………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。6.实验步骤的书写———三步曲•第二步：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6.实验步骤的书写———三步曲•第三步：放在适宜的相同的条件下培养，一段时间后观察现象和结果……………③•将两套装置放在相同且适宜的环境中培养一段时间(或相应方法处理，如振荡、加热等)。•本步骤强调各对照组外界处理的等量性原则，两套装置必须放在相同且适宜的环境中，这样的实验结果才有可比性。培养的时间可根据具体的实验确定，也可以用“一段时间”描述。•（注意：a.最佳的书写步骤是①→②→③；b.规范性语言准确地描述。）7.实验结果的获取•（1）直接观察法观察植物细胞质壁分离与复原、观察植物细胞的有丝分裂等•（2）化学法、物理法①鉴定淀粉的方法：碘液②鉴定可溶性还原糖：斐林试剂或班氏试剂③鉴定脂肪：苏丹Ⅲ染液或苏丹Ⅳ染液④鉴定蛋白质：双缩脲试剂⑤鉴定DNA：二苯胺试剂或甲基绿试剂⑥追踪物质运行和变化过程：同位素标记法7.实验结果的获取•（3）生物特性①光合速率单位时间氧气的释放量或二氧化碳的吸收量或淀粉生成量②呼吸速率单位时间二氧化碳的释放量或氧气的吸收量或淀粉减少量③生长速率植物株高、干重或动物身高、体重④动物代谢速率A.一定时间内耗氧量B.消耗一定氧气所需的时间⑤某物质对生物的毒性①种子的发芽率或植株染病情况②动物寿命、染病情况7.实验结果的获取常用的观测指标①.物理化学特性：颜色反应、有无气泡、沉淀、移动的距离上升下降的高度等。②.生物特性：生物形态结构、生理、生长发育等。8.知识小结•（1）文字描叙：注意提取题干中对解题有用的关键信息。•（2）.表格：①准确找出实验的自变量（反应条件等发生改变的量）和因变量（随着反应条件改变而改变的量）②要看清数据的变化规律（上升、下降）；注意特殊数据（最多、最少、平均，总和等，尤其0）想清道理。•（3）坐标曲线：①注意横、纵坐标的变量及单位；②曲