高三生物复习指导-第二节 生物实验的研究方法与实验探究-

1、创新方案·高三生物一轮复习指导第二节、生物实验的研究方法与实验探究一. 考点明确 考纲研读 热点提示1.考试大纲历年来未对这部分内容作单独要求,而是渗透到教材的每一章中,与相关内容同时考查2.能独立完成“生物知识内容表”(见第二节所列实验,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,并能将这些实验的方法和技能进行综合的运用3.具备验证简单生物学事实的能力,并能对实验现象和结果进行解释、分析和处理4.具有对一些生物学问题进行初步探究的能力,包括确认变量、作出假设和预期、设计可行的研究方案、处理和解释数据,根据数据作出合理的判断等。能对一些简单的实验方案作出恰当的评价和修

2、改 1.不同情境中应激性、适应性、遗传性的辨析与判断2.病毒的生理特点与人类健康的关系3.关注科技、社会热点问题,如甲型H1N1流感等4生物是一门以实验为基础的科学,近几年高考实验及设计实验几乎是必考内容。 命题特点如下:(1以经典实验及相关技术为主的基本技能的考查;(2以教材内容为素材的实验设计能力的考查; 对实验设计的几个基本原则的灵活应用。能否设计科学、简约的实验程序。全面预测实验的可能结果,正确得出最可能的结论。评价类试题应找出错误,分析出错的可能原因,修正错误,得出正确答案。(3以给出的材料为基础的实验现象及结果分析。二.要点梳理(一考纲规定实验归类分析 实验分类 实验名称高倍显微镜

3、的使用和观察叶绿体观察植物细胞的质壁分离和复原观察细胞的有丝分裂观察类实验 观察细胞质的流动生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定鉴别类实验 DNA 的粗提取与鉴定其他类实验 绿体色素的提取和分离 温度对酶活性的影响比较过氧化氢酶和Fe 3+的催化效率探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用植物向性运动的实验设计与观察设计实验,观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响 设计并制作小生态瓶,观察生态系统的稳定性观察SO 2对植物的影响调查人群中的遗传病种群密度的取样调查探究类实验 调查环境污染对生物的影响(二常规实验的方法、技术及试剂1.常规实验的方法(1显微镜观察法。如观察植物细胞有丝分裂的实验。观察植

4、物细胞的质壁分离与复原实验等。(2示踪原子法。如噬菌体侵染细菌的实验,用18O 2和14CO 2追踪光合作用中氧原子和碳原子转移途径的实验等。(3对照实验法。如小麦淀粉酶催化淀粉的实验,探究影响酶活性的因素等。(4加法创意实验。如用饲喂法研究甲状腺激素的实验,用注射法研究生长激素的实验。(5减法创意实验。如用阉割法、摘除法研究性激素的实验等。(6杂交实验法。如孟德尔发现遗传定律的豌豆杂交、测交的实验,小麦的杂交实验等。(7化学分析法。如番茄和水稻对钙和硅选择吸收的实验,叶绿体中色素的提取和分离实验等。(8成分鉴定法。如蛋白质鉴定,还原糖鉴定,DNA 鉴定等。(9理论分析法。如大、小两种草履虫的

5、竞争实验,植物根向地生长、茎背地生长的实验,植物向光性实验等。上述内容基本上可以包括一般的实验方法,通过复习理解了这些实验方法将有利于认识、分析和设计新的实验。2.实验中常用的一些基本的实验方法及技术熟悉常用的实验方法和技术,理解每种方法和技术的适用情况并熟练掌握其操作技能,以便在设计实验时能进行迁移和利用。主要包括以下几个方面:(1光学显微镜的使用。适用于观察生物的微观结构,如细胞结构,包括光镜下可看到的一些细胞器。要求学生熟练掌握显微镜的使用技术。(2临时装片、切片和涂片的制作。适用于显微观察,凡需在显微镜下观察的生物材料,必须先制成临时装片、切片和涂片,如“观察植物细胞的质壁分离和复原”

6、中要制作洋葱表皮细胞的临时装片,在“生物组织中脂肪的鉴定”中要制作花生种子的切片等等。(3研磨、过滤。适用于从生物组织中提取物质如酶、色素等,要求学生熟练掌握研磨、过 滤的方法,如研磨时要先将生物材料切碎,然后加入磨擦剂(常用二氧化硅、提取液及其他必要物质,充分研磨之后,往往要进行过滤,以除去渣滓,所用过滤器具则根据需要或根据试题中提供的器材加以选用,如可用滤纸、纱布、脱脂棉、尼龙布等等。(4解离技术。用于破坏细胞壁,分散植物细胞,制作临时装片。(5恒温技术。适用于有酶参加的生化反应,一般用水浴或恒温箱。根据题目要求选用。(6纸层析技术。适用于溶液中物质的分离。主要步骤包括制备滤纸条、画滤液细

7、线、层析分离。(7植物叶片生成淀粉的鉴定。适用于光合作用的有关实验,主要步骤包括饥饿处理、光照、酒精脱色、加碘。另外还有根尖培养、幼小动物的饲养、植物必需元素的鉴定、同位素示踪技术等。3.实验中常用试剂(或器材的作用一般实验设计类题目会提供所需的器材和药品。因此,如果能熟悉这些常用器材和药品的用途和使用方法,往往能从中发现实验设计的思路和方法,甚至具体的实验步骤。现总结如下:(1NaOH:用于吸收CO2或改变溶液的pH。(2Ca(OH2:鉴定CO2。(3HCl:解离或改变溶液的pH。(4NaHCO3:提供CO2。(5NaCl:配制生理盐水及其他不同浓度的盐溶液,可用于测定动物细胞内液浓度或用于

8、提取DNA。(6琼脂:激素或其他物质的载体,用于激素的转移或培养基。(7亚甲基蓝:用于活体染色或检测污水的细菌含量(细菌可使之褪色(8酒精:用于消毒处理、提纯DNA、叶片脱色及配制解离液。(9蔗糖:配制蔗糖溶液,用于测定植物细胞液浓度或观察质壁分离和复原。(10滤纸:过滤或纸层析。(11纱布、尼龙布:过滤。(12碘液:鉴定淀粉。(13斐林试剂:可溶性还原糖的鉴定。(14苏丹、:脂肪的鉴定。(15双缩脲试剂:蛋白质的鉴定。(16龙胆紫溶液或醋酸洋红:碱性染料,用于染色体染色。(17二苯胺试剂:鉴定DNA。(18柠檬酸钠:血液抗凝剂。(三实验设计的基本理论实验是科学研究过程中的一个重要环节,是在人

9、为控制条件下,研究对象的变化,以其结果论证科学结论的一种科学方法。由于研究问题性质的不同,科学研究的方法也有差异,但通常分为以下几步:一、观察观察是科学研究方法的第一步,这里的观察,是在处于自然常态条件下进行或通过实验观察。对事物进行观察时必须周详,并将它们记录下来。而尤为重要的是要保持客观的态度。人们常希望看到人想要看或应该看到的现象,因此而影响观察结果,产生偏差。二、提出问题人们对事物作缜密观察以后,常常由于好奇心或想作进一步的了解而提出问题,虽然任何人都能提出问题,但只有有意义的问题才值得探讨,因此,进行研究时,不仅要提出问题,而且要提出确切的问题。此外,对问题的叙述,也要清楚而正确,例

10、如“豌豆为什么子一代只出现显性性状,子二代却出现性状分离?分离比为什么都接近31呢?”三、假说科学方法的第三步是假说。假说,也称假设或猜测,指用来说明某种现象但未经证实的论题,也就是对所提的问题所作出的参考答案。假说一般为两步骤:第一步,提前假说,即依据发现的事实材料或已知的科学原理,通过创造性思,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:孟德尔一对相对性状的实验,其假说是:控制性状的基因都是成对存在的,在杂合子形成配子时彼此分离,分别进入不同的配子;其预期结果是:“F1与隐性亲本相交后代高茎与矮茎的比例11”。实验预期是较具体的推断。一个问题常

11、有多个可能的答案,但通常只有一个是正确的。因此,假设是对还是错,还需要加以验证,即依据假设或预期,设计实验方案,进行实验验证。四、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变化的一种方法。这是科学方法的最大特色,也是科学方法中最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。在科学实验中,要掌握或贯彻以下几点:(一变量变量,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

12、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

13、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,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。(二单一变量原则单一变量原则是处理实验中的复杂关系的准则之一,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.不论一个实验中有几个实验变量,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的干扰。对照实验

14、设置的正确与否,一个重要的方面是看是否遵循单一变量原则,具体来说有如下四个方面:所用生物材料要相同,所用实验器具要相同,所用实验试剂要相同,所用处理方法要相同。另外,实验设计时除依据实验原理外,对材料选择、实验方法、实验结果的处理还应遵循科学性原则和可行性原则等。(三对照原则该原则既可排除无关变量的干扰,又可增强实验结果的可信度和说服力。对于对照实验,一个实验包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组,对照组(控制组是不接受自变量处理的对象组。常用的对照类型有以下几种:1.空白对照:对照组为不作任何处理的对象组。这里的不作处理,并非什么因素都不给予,而是针对实验所要研究的因素不给予,以

15、体现实验因素的有无对实验结果的影响。如探究“影响酶活性的条件”中,1号试管加1 mL蒸馏水,2号、3号试管分别加等量的NaOH、盐酸溶液。1号试管即为典型的空白对照组。如“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中,1号试管即为空白对照。2.自身对照:实验与对照在同一对象上进行,不另设对照组。如“观察植物细胞的吸水和失水”实验,即是典型的自身对照实验处理前的对象状况为对照组,实验处理后的对象变化为实验组。3.条件对照:给对照组施以某种实验处理,但不是所研究的实验因素,以突出实验实施的处理因素与实验所研究因素的差异,从一个侧面衬托实验因素对实验结果所造成的影响。如证明DNA是遗传物质的肺炎双球菌体外

16、转化实验中,设置了以下几组实验:A.S型细菌的蛋白质+R型活细菌培养基R型菌落;B.S型细菌的荚膜多糖+R型活细菌培养基R型菌落;C.S型细菌的DNA+R型活细菌培养基S型菌落+R型菌落;D.S型细菌的DNA+DNA酶+R型活细菌培养基R型菌落;该实验所研究的实验因素为DNA,故用DNA处理的C组为实验组,而蛋白质或多糖虽然是实验所实施的处理因素,但与实验因素(DNA无关,故A、B、C组之间形成条件对照,A、B 组均为C组的对照组;而C组(实验组和D组(对照组之间形成空白对照。该实验既设置了条件对照,又设置了空白对照,通过对照,更能说明实验因素对实验结果的影响。 4.相互对照:不单设对照组,而

17、是几个实验组相互对照。如探究“影响酶活性的条件”的实验中,探究温度对酶活性的影响时,要用热水、正常温度的水、冰水三个实验组来探究,进行相互对照,以得出相应的实验结论。五、结论观察、实验的价值即在于获得验证性的结果。因此,在实验中要记录实验的事实、现象和数据,即捕捉、记录由实验变量而带来的反应变量。然后,论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系,从而得到实验的结果。(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。最后得出结论。科学实验必须遵循真实、客观的基本准则,即实验中的观察一定要实事求是,一切从实验出发,使获取的材料(事

18、实、现象、数据尽可能的反映客观事物的本来面目,不能凭空胡诌,不能片面武断。以上科学方法是进行实验设计,制定实验方案的理论依据。六、生物学探究实验的一般方法 (四实验设计的思路一、实验设计的含义实验设计是指在正式进行科学实验之前,实验者根据一定的目的和要求,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。二、实验设计的原理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.可行性原则可行性原则是指在设

19、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等都具有可行性。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。任何实验都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.对照原则6.等量原则选取实验材料或试剂时不同组别应保持相同(基本相同或相等,确保实验不会由于实验材料的原因而产生误差干扰

20、实验结果。三、实验设计的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、实验对照类型、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。实验办法类别、实验对照类型则一般隐含在方法步骤里。四、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。我们作出实验假说时,必须在注意假说的预见性的同时

21、,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.反应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。五、实验设计的基本步骤 六、验证性实验和探究性实验1.二者的比较(1验证性实验验证性实验是验证某一个结论是否正确的实验。实验者在实验前已经了解并掌握了相关理论知识,并对实验现象有了一定了解或已形成一定认识或提出了某种假说,而且这种假说是比较确定的,即按照假设成立,应出现何种结果,再通过具体实验来证明相应的生物学现象或事实。通过验证性实验可以对研究对象进行更深入地了解,也能证明某种假设是否

22、正确,从而加深对所学生物学知识的理解和记忆。由于实验者在实验前大多已掌握了实验结果和实验结论,因此实验者对实验结果的预期常常是惟一的。(2探究性实验探究性实验是探究研究对象的未知属性、特性以及与其他因素的关系的实验。实验者在实验前对研究对象不了解或不完全了解,完全由实验者去尝试、探索和研究,它是一种真正意义的科学研究,探究性实验对生物科学的发展起了极大的推动作用。探究性实验是根据一定的实验目的,利用现有的实验条件,通过控制实验变量的改变干扰研究对象,并观察实验结果(现象和推理得出实验结论。由于实验者在实验前提出的假说往往是比较模糊的,也没有掌握最后的实验结果和实验结论,因此对实验结果的预期也是

23、不确定的,只能把各种有可能出现的实验现象都考虑在内,再由各种现象推出相应的实验结论。此类实验一般需经过探究得出实验结论,往往需讨论,即“如果出现结果a 会怎样,如果出现结果b 或c 又会怎样”。 2.举例探究性实验 验证性实验实验名称 鉴定某人是否出现糖尿 验证某糖尿病患者尿液中含葡萄糖实验原理 相同(斐林试剂与可溶性还原糖作用呈现砖红色沉淀实验步骤 相同(取尿液后加斐林试剂水浴加热,观察实验现象实验现象 出现或不出现砖红色沉淀出现砖红色沉淀 预期实验结果 出现或不出现砖红色沉淀出现砖红色沉淀 实验结论 若出现砖红色沉淀,证明此人出现糖尿;若不出现砖红色沉淀,证明此人不出现糖尿糖尿病患者尿液中

24、含葡萄糖(五实验题解题方法考试大纲中把能力要求的具体内容进行了归类,归纳成理解能力、实验与探究能力、获取信息的能力以及综合运用能力等4个方面。而实验题成了能力测试的首选内容,并且在不断创新,成为高考命题的一大亮点。一、实验题的类型、发展方向及特点1.实验题型出现多样化实验题按能力要求可划分为四大类型:(1实验分析题型根据提供的实验方案,分析其中的步骤、现象、结果,作出解答。(2实验方案的纠错或完善题型对实验方案中的错误或不完善处,进行改正、补充,使实验方案趋于完善。(3实验设计题型(验证性实验、探究性实验根据题目提供的条件,自行设计实验方案。(4综合类题型以实验为背景,主要涉及代谢、遗传和生态

25、等等相关知识。2.实验题的发展方向为了培养创新能力,考查学生科学思维的过程,涉及实验的思路和实验方案设计等内容的开放性实验题将进一步加强。同时要特别注重训练和培养以研究型课题为背景的实验分析题和实验设计的解答能力。3.实验设计“六要素”大纲对探究性研究的具体要求是:“具有对一些生物学问题进行初步探究的能力,包括确认变量、作出假设和预期、设计可行的研究方案、处理和解释数据、根据数据做出合理的判断等”。我们认为所有实验设计的主要问题就是“六要素”,即细心审题、原理分析、材料分析、变量分析、结果分析和正确表达。二、解题策略1.实例分析【例】以下为生物学家格里菲斯在小鼠身上进行的肺炎双球菌转化的几个实

26、验:将无毒性的R型活细菌注射到小鼠体内,小鼠不死亡;将有毒性的S型活细菌注射到小鼠体内,小鼠死亡;将加热杀死的S型细菌注射到小鼠体内,小鼠不死亡;将无毒性的R型活细菌和加热杀死的S型细菌混合注射到小鼠体内,小鼠死亡,并在小鼠体内发现活的S型细菌。分析回答:(1实验说明 对小鼠无毒害作用;实验说明 。(2该实验可以得出这样一个结论:在加热杀死的S型细菌中(由DNA、蛋白质、糖类、脂质等物质构成,很可能含有促成这一转化的遗传物质,但这种物质究竟是什么还不清楚。如果你生活在格里菲斯那个时代,请你在上述实验基础上再设计一个实验方案加以探索(写出实验假设、材料用具、主要步骤、预期结果和结论。2.解题模式

27、通过对2005年-2009年全国各地生物高考卷中的实验题按题型进行分类汇编,并总结了实验设计题“六要素”的解题模式(见表1。熟悉并掌握此模式,对学生学习具有事半功倍的作用。解题模式(表1浏览试题;明确要求;挖掘条件类型分析 验证性实验题 探究性实验题实验目的 试题中已知,用线画出即可把题目中提出的问题变为陈述句审题实验假设 不需要假设对探究问题提出一种可能性原理 分析 实验原理即实验所依据的科学道理,涉及生物学及相关学科中的许多方法和原理。要结合课本所学知识,并充分利用题中给出的实验条件来确定实验原理材料 分析 试题一般会给出材料用具,但完全开放性试题要求根据实验目的,自主选择实验材料和用具(

28、原则:不要少用也不要多用步骤1获取实验中的变量(惟一不同的量,将材料用具用1、2、3进行分组标号步骤2不施加实验变量(自然条件或模拟自然条件,设为对照组;施加实验变量,设为实验组(也可能是相互对照;控制无关变量,即其他条件相同(考虑可操作性原则和重复原则变量 分析步骤3 根据反应变量,反应或培养一段相同时间后,寻找具有可操作性的观察指标(特异颜色变化、沉淀反应;形态结构、生理特征变化、漂浮下沉等,或测定指标(生长发育速度、生化反应速度等、记录数据根据实验原理确定已知实验结果,并对实验结果进行准确描述 对应假设,分类讨论:实验组和对照组无显著差异,实验变量无影响;实验组比对照组好,实验变量有利;实验组比对照组差,实验变量不利(如果是相互对照,也分类讨论结果分析实验结论:对应实验目的做出肯定结论表达 将实验分析的结果用语言、文字、图表曲线予以正确表达 检查 检查实验设计及语言表达有没有科学性错误(1细心审题是关键审题程序 具体内容