高中生物高考二轮专题复习实验原理课件全国通用.ppt

实验的基本理论及实验设计的方法 实验专题 生物科学是一门实验科学 因此生物实验一直是生物学高考必出的内容 从近几年的实验题在高考中的题型变化来看 借助实验方法创设新情境 侧重考查学生对实验进行解释和分析的能力已成为命题趋向 其中设计型实验题更是热点 实验 是在人为控制条件下 研究对象的一种科学方法 展开点说 实验是依据假设 在人为控制条件下 对实验变量 或因子 的变化和结果进行捕获解释的科学方法 本文主要讨论实验的方法要素及处理要素关系的基本准则 实验的基本理论 一 假设与假设验证原则 实验的第一个要素是 假设 第一项原则是 假设验证 原则 通常 科学实验肇端于假设 假设 亦称假说 指用来说明某种现象但未经证实的论题 假设一般分为3个步骤 第一步提出假设 即依据发现的事实材料和已知的科学原理 通过创造性思维 提出初步假定 第二步作出预期 或推断 即依据提出的假设 进行推理 得出假定性的结论 第三步验证假设 即依据假设和预期 设计实验方案 进行实验验证 结果 假设或被否定 或被修正 或被证实 如果假设得到证实 预期得以实现 则假设 假说 转化为科学理论 故假设是科学发展的基本形式 假设是科学实验的第一个要素 同理 假设验证是科学实验的必要环节和应遵循的程序准则 故假设验证原则是科学实验的第一项原则 例如 新编高中生物的 动物激素饲喂小动物的实验 其假设是 甲状腺激素对动物的生长发育有影响 其预期则是 用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪 将促使蝌蚪的生长发育加速 并用实验去验证 显然 实验假设是概括性的假定 实验预期是较具体的推断 整个实验的完成要遵循假设验证原则 二 变量与单一变量原则 实验的第二个要素是 变量 第二项原则是 单一变量 原则 变量 亦称因子 指实验操纵控制的特定因素或条件 按性质不同 通常有以下两类4种变量 1实验变量与反应变量 实验变量 亦称自变量 指实验中由实验者所操纵 给定的因素或条件 反应变量 亦称因变量或应变量 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 实验的目的即在于捕获解释这种前因后果 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 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也随之变化 这就是反应变量 该实验即在于捕获解释温度变化 实验变量 与酶的活性 反应变量 的因果关系及其经验事实 2无关变量与额外变量 无关变量 亦称控制变量 指实验中除实验变量以外的影响实验变化和结果的因素或条件 额外变量 亦称干扰变量 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 唾液新鲜程度和稀释浓度 可溶性淀粉溶液浓度 试剂溶液的剂量和浓度 实验操作程序 温度处理的时间长短等等 都属于无关变量 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 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和减少额外变量 单一变量原则 是处理实验中的复杂变量关系的准则之一 它有两层意思 一是确保 单一变量 的实验观测 即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 二是确保 单一变量 的操作规范 即实验实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰 例如 上述实验遵循单一变量原则 第一在观测上要做到 低温处理观测记录低温下的变化和结果 适温处理观测记录适温条件下的变化和结果 高温处理观测记录高温下的变化和结果 反应变量不能混淆 第二在操作上要做到 对3个实验一要在预先的低温 适温 高温条件下做实验处理 常见的错误是先在常温 譬如25 下做处理再放到低温 适温 高温条件中进行观测 这样就混入了 常温 这个无关变量及额外变量 三 控制与平衡控制原则 实验的第三个要素是 控制 第三项原则是 平衡控制 原则 控制 是处理实验中变量关系的又一准则 指实验要严格地操纵实验变量 以获取反应变量 与此同时 还要严格地均衡无关变量 以消除额外变量 一句话 通过实验控制 尽量消除实验误差 以取得较为精确的实验结果 如果说 单一变量 原则 主要是对实验变量与反应变量的控制而言 而这里的 平衡控制 原则 则主要是对无关变量与额外变量的控制而说的 意思是说 实验中的无关变量的因素条件 很难避免 只有设法平衡和抵消它们的影响 常用的方法有 1单组实验法 对一组 或一个 对象 既用 法 又用 法 顺序随机或轮流循环 这是生物实验常用的实验方法 例如 观察植物细胞的质壁分离与复原 实验 通常是将作好的洋葱紫色鳞片叶表皮细胞装片 先用蔗糖溶液做质壁分离观察 接着又用清水做质壁分离复原观察 这就是单组实验法 由于对象同一 无关变量影响也就被平衡和抵消了 2等组实验法 将状况相等的对象 分成两组或多组 一组用 法 另一组用 法 这也是生物实验常用的实验方法 例如 植物激素与向性 实验 设计了5组实验 其对象 玉米幼苗 要求品种 萌发期 粗细 大小 长势等状况都是相同的 这就是等组实验法 对无关变量的影响起到了平衡和消除作用 3轮组实验法 对两组或两组以上的对象 轮番循环两个或两个以上的实验处理 如甲组 法 法 乙组 法 法等 这样能有效地平衡和抵消无关变量的影响 自然 操作起来要麻烦一些 例如 植物向光性 实验 可随机取2株 组 生长状况并不相等的玉米幼苗 作如下实验处理 甲组 玉米幼苗 先用 不透光 处理 后用 单侧光 处理 乙组 玉米幼苗 先用 单侧光 处理 后用 不透光 处理 实验结果 则是 不透光 和 单侧光 之比较 这就是轮组实验法 这种实验处理的匹配 对平衡 消除无关变量和额外变量就更有说服力了 四 对照与实验对照原则 实验的第四个要素是 对照 第四项原则是 实验对照 原则 对照是实验控制的手段之一 目的仍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 既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 亦称控制组 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 按对照的内容和形式上的不同 通常有以下对照类型 1空白对照 指不做任何实验处理的对象组 例如 在 生物组织中可溶性糖的鉴定 的实验中 向甲试管溶液加入试剂 而乙试管溶液不加试剂 一起进行沸水浴 比较它们的变化 这样 甲为实验组 乙为对照组 且乙为典型的空白对照 空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果 增加了说服力 2自身对照 指实验与对照在同一对象上进行 即不另设对照 单组法和轮组法 一般都包含有自身对照 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 3条件对照 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 例如 动物激素饲喂小动物 实验 采用等组实验法 其实验设计方案是 甲组 饲喂甲状腺激素 实验组 乙组 饲喂甲状腺抑制剂 条件对照组 丙组 不饲喂药剂 空白对照组 显然 乙组为条件对照 该实验既设置了条件对照 又设置了空白对照 通过比较 对照 更能充分说明实验变量 甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育 4相互对照 指不另设对照组 而是几个实验组相互对比对照 在等组实验法中 若不设空白对照 则大都是运用相互对照 如 植物激素与向性实验 的等组实验中 5个实验组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 五 捕获解释与真实客观原则 实验的第五个要素是 捕获 和 解释 第五项原则是 真实客观 原则 观察 实验的实质即在于捕获事实和解释事实 捕获 即捕捉 记录实验中的事实 现象和数据 用术语说 即捕捉 记录由实验变量而带来的反应变量 解释 即论证 说明实验中的事实 现象 数据 用术语说 即论证 说明实验中的自变量与因变量的因果关系 从而得出结论 进行讨论 真实客观原则是科学实验所必须遵循的基本准则 即实验中的捕获解释一定要实事求是 一切从实际出发 使获取的材料 事实 现象 数据 尽可能地反映客观事物的本来面目 不能主观臆造 不能凭空胡诌 不能片面武断 所谓事实 有两类性质 一类是 客观事实 它是客观事物的客观存在 具原本性质 一类是 经验事实 它是人们对客观事物的主观反映 具经验性质 实验即在于捕获真实客观的能反映客观事物本来面目的经验事实 并加以合理的解释 生物实验题的类型和解答 实验试题主要包括三种题型 实验分析评价及改进题 实验设计补充题 一 实验分析 评价及改进 实验分析题就是利用已有的生物学知识 从实验取材 药品试剂 步骤及操作 结果及预测等进行分析 从而正确解答有关内容 评价及改进主要分析以下几点 1 实验原理及方法是否正确 2 实验步骤是否科学 3 有没有充分利用实验条件 4 有没有设置对照实验 5 有无更为简单的实验方案 6 实验能否顺利完成 7 实验的安全性如何 1 实验取材分析 评价及改进 选择实验材料是实验成功的关键 因此在实验分析时取材的分析往往是实验试题的内容之一 例如 观察植物细胞有丝分裂实验 植物细胞的质壁分离和复原实验 叶绿体中色素的提取与分离实验 可溶性还原糖和脂肪和蛋白质的鉴定实验 例题1 是否可以用植物的叶肉细胞作为材料鉴定可溶性糖 2 药品与试剂分析 评价及改进 药品与试剂的量 浓度 纯度等都是影响实验正确结果的重要因素 在进行实验分析时要逐一检查 不能忽视 例如 斐林试剂与双缩脲试剂 3 步骤及操作的分析 评价及改进 1 是否漏做某个实验步骤 2 操作步骤是否颠倒 3 操作方法是否正确 例题9 为证明 唾液淀粉酶对淀粉有消化作用 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 取2支试管 编号为a和b 各注入2 l浆糊 用凉开水漱口后 用小烧杯收集唾液 向a试管内加入2 唾液 向2支试管中各滴加2滴碘液 将2支试管振荡后放在37 水中恒温10 同时取出2支试管 观察试管内溶液颜色的变化 4 结论 唾液中含有淀粉酶能将淀粉分解成麦芽糖 该实验的方法和步骤以及结论有没有错误 如果有请指出并改正 答案 实验方法和步骤中的错误 第 步应在b试管中加入2 清水 第 步和第 步应作对调 以排除碘液对淀粉分解的影响 结论错误 本实验只能证明唾液对淀粉的分解作用 但不能证明具体分解后的产物是什么 4 结果 分析 1 根据实验结果提出合理解释 即实验结果的分析 这类题目理论知识一般是以高中生物教材上的有关理论为知识背景 但实验的材料 实验的方法和步骤往往是书本外的 题目的情境设置很新颖 但只要撩开新情境的面纱 抓住实验的基本原理和实验结果 结合所学的理论知识 就不难得出正确的答案 2 根据实验原理和实验过程 推导实验结果 这类题目一般都是以已学过的知识背景作为设计题目的根据 重点考查学生综合运用和知识迁移的能力 解题关键 找到实验中隐藏的因果 逻辑 关系 解题思路 1 在严谨的实验中 因同则果同 因不同则果不同 2 如果出现 因不同而果相同 要具体分析 如果因对立 即实验变量是 有 和 无 则此 因 不是形成果的真正原因 即题中的实验变量对结果无影响 如果因不对立 则两 因 中必有内在联系 即本质相同 目的已知 可直接作为正确结论 但全面性要因对照组而定 二 实验设计题和补充 实验设计是指在正式进行科学实验之前 实验者根据一定的日的和要求 运用有关的科学知识 原理 对实验过程中的材料 手段 方法 步骤等全部方案的制定 一 试验设计的原则 1 科学性原则 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 可行性原则 是指在设计生物学实验时 从实验原理 实验的实施到实验结果的产生 都具有可行性 3 简便性原则 设计实验时 要考虑到实验材料容易获得 实验装置比较简单 实验药品比较便宜 实验操作过程比较简便 实验步骤比较少 实验时间比较短 4 可重复性重复 随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则 多年来为研究者所公认 因此 在实验设计中也必须注意实验的可重复性 任何实验部必须要有足够的实验次数 才能判断结果的可靠性 设计的实验不能只能进行一次 在无法重复的情况下 作为正式结论 这样的结论易被推翻 5 单因子变量原则 是处理实验中的复杂关系的准则之一 它有两层意思 一是确保 单因子变量 的实验观测 即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 二是确保 单因子变量 的操作规范 即实验操作中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰 二 实验设计的内容及关键环节 1 内容 一个比较完整的实验设计方案 一般包括以下几方面的内容 实验题目的确定 提出假说 设计实验方法和步骤 提出实验的预期结果 要观察和搜集的数据及方法 书写实验设计方案通常包括 实验课题 实验假说 实验预期 实验目的要求 实验方法类型 实验对照类 实验材料用具 实验方法步骤 和 实验结论与讨论 等项目 而在中学生物课本的实验指导中 实验假说和实验预期大都隐含在 实验原理 中 实验方法类型 实验对照类型则一般隐含在 方法步骤 里 2 实验设计的关键环节 1 实验设计中的假说 在实验设计中 每一个实验目的的确定 都是一个实验假说的形成过程 我们在作出实验假说时 必须在注意假说的预见性的同时 强调客观性和多样性 2 实验材料和实验手段的选择 选择恰当的材料和手段 是所设计的实验能否达到预期结果的重要保证 3 变量的确定和控制 依据实验条件和环境因素充分控制无关变量 使实验具有科学性 结果不受干扰 变量的确定 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 实验变量与反应变量 无关变量与额外变量 变量的控制 控制变量法 是指控制其他因素不变 集中研究其中一个因素的变化 保证实验不受干扰或将干扰因素降低到最低程度 包括严格地操纵实验变量 以获取反应变量 还要严格地均衡无关变量 以消除额外变量干扰 一句话 通过实验控制 尽量消除实验误差 以取得较为精确的实验结果 操纵实验变量的方法 设法给研究对象施加干扰 造成实验对象的变化 从而使研究对象在被干扰状态中反映出某种现象和属性 方法 施加 改变 去除 检测反应变量的方法 根据实验原理和实验条件确定观察和测量的指标和方法 具体 观察特异性颜色变化 沉淀反应 观察形态结构 生理变化 测量生长发育速度 测量生化反应速度 控制无关变量的方法 排除因实验对象的个体差异带来的影响 设法创造稳定的维持不变的相同条件进行对照 以抵消或排除这些因素对实验对象的干扰 设法提供适宜条件 以排除不利环境条件对实验对象的影响 重复实验 排除偶然因素的干扰 减少实验误差 对照的方法 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 通过设置实验对照对比 既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 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 按对照的内容和形式上的不同 通常有以下对照类型 a 空白对照指不做任何实验处理的对象组 b 自身对照指实验与对照在同一对象上进行 即不另设对照组 c 条件对照指虽给对象施以某种实验处理 但这种处理是作为对照意义的 或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的 三 实验设计的基本步骤 1 确定三个变量 实验变量 反应变量 无关变量 2 给实验变量以一定的干扰 3 控制无关变量 实验的步骤中应表述的要点 1 控制变量 a 控制无关变量 实验分组 编号 随机大样本材料分组 验器械分组 设置对照组 其它条件相同适宜条件下进行实验 b 操纵实验变量 2 检测反应变量 四 实验设计的常规解题思路 解题思路 实验目的 实验变量 实验步骤1 明确实验目的 通过实验目的确定实验变量 题中可变的单一因素 2 设计对照实验应遵循 单一因素不同 其他因素相同且最适 解题模式 将相关的实验材料 用具等平均分组并编号 在这里实验材料包含实验中用到的各种动植物 取材时要注意数量和生理及发育状态相同 用具有烧杯 培养皿 饲养动物的容器等等 这些材料用具在试题中都会给出 注意要结合实验的目的 原理合理利用 1 根据实验变量设置对照 注意 单一因素不同 其他因素相同且最适 2 观察并记录实验数据和现象 结合题意找出具体的观察和记录对象 注意事项 1 实验材料在数量上要尽可能多的选取 记录数据时取其平均值以减少实验误差 2 在记录实验数据时 要学会设计数据表格或以坐标图的形式现示实验数据 3 注意吸取物理 化学中的相关实验原理 如 物理 多次测量取平均值 化学 实验前检查装置气密性等 五 实验设计题的类型 就是根据实验原理和所要验证的生物学事实设计实验步骤 这类题目的知识背景 可以是来源于高中生物教材上的内容 也可以是书本外的知识 要验证的生物学事实是由题目提供的材料告知的 需要仔细阅读材料 弄清问题的来龙去脉 再通过分析 推理 设计出严密的实验方案 确定实验的操作步骤 设计和补充实验目的 原理 假设 步骤 预测 求实验目的 解题思路 直接读取题干 间接 实验步骤 实验变量 实验目的 预测实验结果 解题思路 验证性实验 根据相关原理解题 结果唯一 探究性实验 遵循完整性原则 将所有的可能性排列出来 并排除不符合实际的情况 写出实验原理 利用题目中提供的试剂或生物材料的特性 使生物体内 隐藏 的物质或反应 显现为可见的现象 实验假设 对实验结果最可能的预测和解释 2 给出实验用具 材料 药品 实验的目的 要求根据所给器材设计实验方案 例题14 空气中的含菌量是衡量空气质量的指标之一 为了检测学校生物实验室 教室 校长室5 小树林四个地方空气中的含菌情况 请利用所提供条件设计一个简单实验 1 请用100毫升量筒 四副培养皿 煮沸过的洗碗水设计取样的实验步骤 2 请用4支试管 滴管 0 01 亚甲基蓝溶液设计检测的实验步骤 3 实验结果的预测及分析 4 你所设计的实验检测到的是细菌的相对数量 解析 该题考查学生根据实验目的 实验原理和实验思路设计合理的实验装置或实验步骤的能力 解答这类题型时要注意三个方面 一是思考题目中实验材料 试剂 和实验装置的作用 二是不能随意增加实验材料 试剂 三是要充分考虑环境 如温度 因素对实验效果的影响 答案 1 用量筒量取等量的煮沸过的洗碗水分别倒入4副培养皿中 分别将以上4副培养皿暴露放置于4个场所 静置1 3天后 同时加盖取回 2 分别取等量放置过的洗碗水放入4支试管中 在每支试管内滴加5 10滴0 01 亚甲基蓝溶液置于温暖处 3 根据4支试管内洗碗水在相同时间内褪色的程度来判定空气中的含菌量 褪色程度最大的空气中的含菌量相对最高 褪色程度最小的 空气中含菌量最低 4 好氧性 3 给出实验目的 实验器材自选 实验方案自己设计 4 课题研究探索设计型 例题六 某研究性学习小组在进行 调查环境污染对生物的影响 课题研究时 确定了对 家庭煤炉对植物生长的影响 的子课题研究 并制定了研究方案 请回答下列问题 1 你认为该研究方案应包括哪些内容 2 简述该课题研究的两点主要意义 3 你对该课题研究作出的假设是 预期是 研究目的 研究方法 结果预测 结论 完成时间 报告形式等 学会调查研究环境污染对植物影响的基本方法 一般方法 了解大气污染对植物生长的不利影响 煤球燃烧产生的二氧化硫会影响植物的生长 一段时间后 在煤炉旁生长的植物会出现一些明显的症状 4 该小组开展研究的过程和结果如下 取两盆生长状况相似的葱 一盆 编号1 置于阳台 一盆 编号2 置于厨房煤炉旁 白天给予同样的护理 并进行同样的光照 经过一个月的观察 结果如下 该课题采用的研究方法是 你得出的初步结论是 5 如果让你完成该课题的研究报告 你的报告中应含有的主要内容是 实验法 观察法 家庭煤炉燃烧产生的气体影响植物的生长 前言 包括课题研究背景 目的 原理 意义等 材料与方法 结果 结论与讨论 参考文献等 实验评价题型解题技巧 1 首先看有无对照实验 如果无添加对照组 如果有 步骤2 2 再看是否单一变量 在实验中除要设计的变量外 其他条件都必须一致 特别注意实验过程中是否会因添加试剂 或进行某个操作而引起控制条件的不一致性 例如研究温度对酶活性影响 则温度为变量 除单一变量外 其他条件应完全一样 实验对象的一致性 等量性原则 每次实验所加试剂的量要相等 实验控制时间的一致性 实验条件的一致性 解实验题的基本思路 3 如果是单一变量 则看实验原理 实验操作 语言叙述等是否有错误 1 了解题目要求 解题首先要明确题意以及题目中实验工具和实验试剂的用法 只有明确题意才能方向明确 少走弯路 看清题意是要求设计实验方案 步骤还是分析实验结果 2 从题目 干 中找出实验变量 自变量 这是解实验题或做实验假设题最关键的一步 3 找出自变量之后 根据自变量提出实验假设 再根据实验假设作出相应的实验预期 也就是自变量导致的因变量 若题目要求 4 找出自变量 下一步就要考虑如何操作自变量 根据单一变