高考生物专题材料实验设计试题

高考生物实验设计专题材料高考目标要求:生物科高考说明中对实验考查的目标和要求是“使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并能对实验结果进行解释和分析”。具体的能力考查要求包括两个部分：一方面是考生能够设计简单的生物学实验，另一方面则是能够对实验结果进行解释和分析。考查考生设计实验方案、验证生物学事实的能力，考查考生对实验结果分析、解释和推导结论的能力，以及根据某些实验条件和部分结果，推测下一步实验结果的能力；同时也考查了考生对生物学实验中常以图、表等抽象形式所表达的生物学意义的理解能力，准确描述相关的现象、原理的能力。这种考查目标更适应对学生创新能力的自我展现。这就要求考生能明确掌握生物学实验设计的基本原则和方法，惟其如此，才能设计出一个完整严谨的实验方案，也才能有根有据地分析解释实验结果、推导结论，根据部分实验结果推测、预期后续实验步骤的结果及理解、表述等。由于高考侧重于对实验能力的考查，设计型实验题是近几年高考的一个热点。因此，对实验的复习，应该立足于对基本实验方法、实验技能、实验思维的强化和巩固着手，培养学生的实验分析、实验改错、实验设计等实验能力。所谓设计型实验题——就是要求考生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验现象。包括设计实验方案、设计实验步骤、设计实验改进方法等。主要考查我们是否理解实验原理和会分析实验结果，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情景下迁移知识的能力。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？能提高或学到哪些知识、能力等（从动手能力，观察能力、基本技能、实验设计、显微镜的使用等方面分析）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（科学性、简便性、单一变量、可重复性、控制的体现、控制与与平衡控制等）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“孟德尔分离现象解释验证”的测交实验中，提出的假说是：“FI（Dd）产生配子时，因等位基因分离，使得FI产生含基因D和基因d的两种配子，且其数目相等。”再如“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”，如“孟德尔分离现象验证实验，假如假说成立则有测交的后代应出现Dd与dd为1：1的结果，即高茎与矮茎数量比应为1：1”，而“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“孟德尔分离现象解释实验”中出现的结果为“得到的64株后代中，30株高茎，34株矮茎，两种性状分离比为1：1”而“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1科学性原则实验是人为控制条件下研究事物(对象)的一种科学方法；是依据假设，在人为条件下对实验变量的变化和结果进行捕获、解释的科学方法。科学研究的过程本身就是科学，并不是说研究的结论才是科学方法。因此，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。如绿色植物新陈代谢中的物质代谢有各种细胞的参与，有各种物质在不同方面的变化。分析问题、设计实验的全面性和科学性体现了逻辑思维的严密性。科学性原则：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2000年全国高考考试题第25题，本题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；草酸钙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。2.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。平衡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。由以上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。3.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。由于同一种实验结果可能会被多种不同的实验因素所引起，因此如果没有严格的对照实验，即使出现了某种预想的实验结果，也很难保证该实验结果是由某因素所引起的，这样就使得所设计的实验缺乏应有的说服力。可见只有设置对照实验，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”。具体来说有如下四个方面：①所有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。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；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。课本中涉及到的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。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;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。课本中涉及到将过氧化氢酶加入H202液中说明酶是生物催化剂，则属于自身对照；(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。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)为条件对照。清水(软水)、河水(硬水)对加酶洗衣粉影响中，清水(软水)、河水(硬水)为相互对照。用缺素营养液培养的出现缺素症状的植株加入某元素后恢复正常为自身对照。.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。4.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