生物实验及设计基础1

1、专题十三 生物实验及设计基础1、 网络导学本专题包括必修和选修三本教材上考试大纲规定的17个常规实验及实验设计的原则、方法与解题思路。二、考纲提示（一）实验方法要素及处理要素关系的基本原则 1假设与假设验证原则 实验的第一个要素：“假设”；第一项原则是“假设验证”原则。 第一个要素：假设第一项原则：假设验证原则假设：较概括的假定 预期：较具体的推断 验证：用事实证实或证伪 科学实验遵循的程序准则： 假设预期验证 2变量与单一变量原则 实验的第二个要素：“变量”；第二项原则是“单一变量”原则。 第二个要素：变量第二项原则：单一变量原则实验变量(自变量) 反应变量(因变量) 实验目的在于操纵自变量

2、，获取因变 无关变量(控制变量) 额外变量(干扰变量) 实验关键在于控制无关变量，减少干扰变量 一个实验变量对应观测一个反应变量。 如A实验变量对应观测A反应变量，不可混入B反应变量。单一变量原则，有两层意思：一是确保“单一变量”的实验观测，即不论有几个实验变量，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，即实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。 3控制与平稳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。 第三个要素：控制 第三项原则：平衡控制原则严格操纵控制实验变量与反应变量 力求平衡抵消无关变量与额外变量单组法：对同一对象，既用A法，

3、又用B法 等组法：对象状况相等，甲用A法，乙用B法 轮组法：甲组：A法B法 乙组：B法A法通过实验控制，尽量消除实验误差，以取得较为精确的实验结果。 4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。 第四个要素：对照第四项原则：实验对照原则设置对照，进一步消除无关变量对实验结果的影响，以增加实验结果的可信度空白对照：指明不做任何实验处理的对照组。 自身对照：实验与对照在同一对象上进行。 条件对照：给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。 相互对照：几个实验组相互对照。5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。

4、第五个要素：捕获与解释第五项原则：真实客观原则捕获：捕捉、记录由实验变量而引起的反应变量的变化和结果，即捕获事实。 解释：论证、说明实验变量与反应变量的因果关系，并推出结论，即解释事实。捕获解释事实、现象、数据，一定要实事求是，客观真实，力戒主观臆造（二） 实验设计的基本内容、三个原则、实例和备考策略1.实验设计的基本内容 （1） 实验名称 是关于一个什么内容的实验。 （2） 实验目的 要探究或者验证的某一事实。 （3） 实验原理 进行实验依据的科学道理。 （4） 实验对象 进行实验的主要对象。 （5） 实验条件 根据实验原理确定仪器和设备；要细心思考实验的全过程。 （6） 实验方法与步骤 采

5、用的方法及最佳操作程序。每一步必须是科学的；能及时对仪器、步骤进行有效矫正。 （7） 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。 （8）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。 （9） 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。 2.实验设计的实例分析“验证成熟植物细胞的渗透作用”实验设计实例：实验名称：观察马铃薯条的渗透吸水与渗透失水现象。实验目的：验证成熟植物细胞的渗透作用。 实验原理：当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，植物细胞通过渗透作用失水；反之则吸水。实验对象：新鲜马铃薯条。 实验条件：0.8g/mL的蔗糖溶液、蒸馏水、大

6、试管、有刻度的小烧杯、刀片、镊子等。实验设计的基本原则：对照、等量。实验方法与步骤：(1)制备3条长度、宽度、体积都相同的新鲜马铃薯条。 (2)将其中的2条分别放入盛有等体积的蔗糖溶液与蒸馏水的烧杯中，另1条放入加塞的空试管中。(3)2h以后，通过比较的方法观察薯条的长度变化及蒸馏水、蔗糖溶液体积的变化。实验结果预测分析：可能出现的实验结果是： (1)放入蒸馏水中的薯条长度增加，而放入蔗糖溶液中的薯条长度变小，且蔗糖溶液体积明显大于蒸馏水体积。 (2)放入蒸馏水中的薯条长度增加，而放入蔗糖溶液中的薯条长度不变，且蒸馏水的体积小于蔗糖溶液体积。 (3)放入蒸馏水中的薯条长度不变，而放入蔗糖溶液中

7、的薯条长度变小，且蔗糖溶液体积大于蒸馏水体积。(4)薯条的长度及溶液的体积都没有明显的变化。 实验测量与记录：将放入溶液中的薯条与试管中的薯条比较观察，并比较烧杯中溶液的体积：放入蒸馏水中的薯条变长、放入蔗糖溶液中的薯条变短，且烧杯中蔗糖溶液的体积比蒸馏水的体积大。实验结论：放入蔗糖溶液中的薯条渗透失水，放入蒸馏水中的薯条渗透吸水。3.实验设计题的分类解析 验证性实验的基本内容 （1）实验题目 （2）实验原理 即完成实验所用的理论依据 （3）目的要求 通过实验要解决的问题 （4）材料用具 （5）方法步骤 （为加强说服力，有时往往对实验要设立“实验组”和“对照组”。设计对照实验时切记：只有遵循“

8、单一变量”原则，这样才有对照价值。补充实验步骤时，对每一步有必要先打腹稿然后下笔，并要编号清楚（如，表达清晰。） （6）实验结果（预测实验现象） 验证性实验由于有明确的实验目的，预测的结果是科学的、合理的、惟一的。有实验（题目）中需要记录实验结果，这就要搞清楚记录什么？如何记录？ 用文字描述：略。表格的设计： 要理清设计思路： .首先要读懂题目要求在表格“工作区”记录的内容。（题目中有明确的要求） .其次要明确表格的第一列写什么？第一行写什么？注意在第一列或第一行中肯定要写组别，即实验组和对照组（相互对照中组数可能更多）。 .再绘制表格（切记：表格“工作区”是预留给所设计的实验中记录到的数据，

9、而不是要学生造出数据来填入其中。因此只要设计完成一张空白表格即可。设计表格时，要先在草稿纸上画出表格轮廓，再写入答题纸中。） .表格设计好后，切勿忘记给表格添上题注（即表格名称）。 坐标图的设计：要理清横轴的含义？纵轴的含义？纵横轴的单位？曲线的走势？关键点？ 分析实验结果： 用书本理论分析实验结果。 （7）实验结论 联系实验目的得出结论。结论是合理的、科学的、肯定的。不少结论是在实验要验证的内容中寻找。 （8）讨论对实验操作的理论、具体细节等进行讨论。也可讨论与实验无直接关系但有一定联系的其他知识。注意： 验证性实验中，实验目的、实验（或预测）结果和实验结论三者是一致的。结果是指通过实验所观

10、察到的实验现象或通过实验直接得到的“成果”。 验证性实验中，由于要验证的结论是肯定的，因此无实验假设。 在验证实验中，如果实验记录作为题目条件已出现，那么就可得到肯定的实验结论。 探究性实验的基本内容 （1）实验课题 如试题需要学生写出实验课题，那对课题的文字描述大多渗透在题干的字里行间，仔细阅读便可领会。实验课题的格式有：“×××××××××××研究”“×××××××××××

11、实验”“××××××××××的影响” （2）实验原理 是完成实验所应用到的理论依据。有的是书本学到的理论知识，有的在题目中作为条件出现。 （3）实验目的 大多是写做了该实验后要解决的问题。 （4）材料用具：包括实验材料、仪器、试剂等，有时省略。大多数试题是作为条件提供给学生。 （5）实验假设 指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出问题所作出的参考答案。如果要学生写出来， 请参阅实验课题的名称，但要比实验课题的名称在文字上写得更具体一些。 （6）实验步骤的设计（即实验设计方案或曰实验设

12、计思路） 涉及到：实验设计思想器材药品实验步骤（要体现单一变量对照原则）。为此要设立“实验组”和“对照组”。设立对照组时，只需明确写出单一变量内容，其余条件（无关变量，如培养条件等）用“其他条件与（甲）对照组相同”即可。观察记录（图表、曲线等。表格的设计要求同验证性实验）（7）实验预测及分析 探究性实验是对本不知道，现在需要知道的实验现象或结果进行探究。即使我们能用掌握的理论知识作出科学的、唯一的预测，但由于我们是作理论上的实验设计，因此实验预测应该是开放性的，即要写出所有可能出现的实验现象或结果。探究性实验不象验证性实验能得出一个肯定的结论，往往有几种预测结果，相应的就有几种可能的结论。 （

13、8）讨论 讨论的是与实验直接有关的内容，也可能是与该实验内容有关的其他知识。 实验设计题的内容虽然较多，但在实际考试中由于种种原因，如试题考查内容、试卷长度等，内容往往是不完整的，主要由试题设计者来决定，选取其中主要部分对学生进行考查。4.实验设计的三个原则 （1）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。空白对照：即不作任何实验处理的对照组。

14、相互对照：即不设控制组，只在几个实验组之间相互对比。条件对照：即给对象施加某种实验处理，虽不是检验假设需要的，但更能充分说明实验变量的对照。自身对照：即实验与对照在同一对象上进行。（2）等量性原则每次实验所加试剂的量要相等。（3）单因子变量的原则。实验变量剖析 在实验过程中变量是指可被操纵控制的在性质和数量上可以变化的特定因素或条件，具体分析如下 实验变量与反应变量： a实验变量是研究者主动操纵的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量（也称自变量），自变量须以实验目的和假设为依据，应具有可变性和可操作性。 b反应变量（又称因变量），是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，反应变量是研究是否成

15、功的证据，应具可测性和客观性。 c.二者关系：实验变量是原因，反应变量是结果，即具因果关系。 无关变量（控制变量）是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量，实验者应严格控制无关变量，否则实验结果的真实性无法得到认定、我们常在实验过程中强调“选取生长状况相同的幼苗”“数量大小相同的种子”“置于相同并适宜条件下培养”“加入等量的清水”等均是为了控制无关变量对实验结果的干扰。【例题剖析】例如，生物课本内温度对酶活性影响的实验中：实验变量是低温（冰），适温(60），高温（沸水）；酶的活性变化即反应变量；试管的洁净度，淀粉酶的稀释度，可溶性淀粉的浓度，碘液的量和浓度，温度处理时间，操作程序等是无关变量

16、。实验中不论有几个实验变量，都应做到每个自变量对应一个因变量，此外还要做到操作规范。在实验设计、实施的全过程中，应严格操纵实验变量，严格控制无关变量，尽可能消除误差，获取较为精确的反应变量。 5.备考策略归类总结，引导构建实验类型框架高中生物学实验常见类型和分类的依据参考表分类依据生物学实验类型实验的直接目的探索性实验、验证性实验实验的作用对照实验、析因实验、（模拟实验）实验研究的质和量定性实验、定量实验 （1）探索性实验和验证性实验概念特点联系探索性实验是探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系的实验方法。是对研究对象的不了解，或不完全了解，全凭实验者去“尝试”，所以，探索性实验也称

17、“试验”，是一种开创性的研究。解题时，描述实验现象时是未知的，可不描述。实验结果预测是对应假设，分类讨论。无实验结论。两种类型在生物科学研究的过程中往往是不可分割的，在对研究对象的探索过程中，对未知的研究目标，必然要提出假设或猜想，并做出预期，只有通过验证性实验来证明假设的正确与否，才能得出科学的结论验证性实验是验证某一个理论是否正确的实验。当对研究对象有了一定的了解，并形成一定认识或提出某种假设时，就需要用实验来证明其正确与否。解题时，描述实验现象时是已知的，应准确描述。没有实验结果预测和分类讨论。对应实验目的做出肯定结论。 （2）比较实验 比较实验是通过对照或比较来研究和揭示研究对象某种属

18、性或某种原因的一种实验方法。这种实验要设置两个或两个以上的相似组样，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，在两组之间判定实验组是否具有某种性质或影响。概念例对照比较实验对照比较实验是在两个相似组样中进行，其中一个是已经确定其结果的事物，称之为“对照组”，让其自然发展，实验者对之不加干涉；另一组是未知的、需要研究的事物，称其为“实验组”。将实验组中的未知因素同对照组的已知因素进行干预，以确定该因素的影响作用。高中生物平时作的练习大多是对照比较实验。如实验证明甲状腺激素能促进小蝌蚪的发育。对照组A1A2A3An=M注A为研究因素，M为实验结果。A2*为干预因素，M*为干预

19、后的结果实验组A1A2*A3An=M* 注：可以把对照比较实验模式为 （3）定性和定量实验定性实验 定性实验是判断研究对象具有哪些性质，并判定某种物质的成分、结构或者鉴别某些因素之间是否具有某种关系的一种实验方法。一般来说是解决的是“有与无”和“是与否”的问题。 如植物生长素对植物的促进生长作用的证明。 判断叶绿体中色素的种类和颜色。定量实验 为了对研究对象的性质、组成及影响因素有更深入的认识，就必须探究它们之间的数量关系。 证明生长素的量对植物的影响。PH值与酶的活性的关系，植物的光合作用与环境的温度、CO2、光照强度等的关系，生物体内微量元素对生物代谢的影响，都有其相应的数学表达式或函数曲

20、线图。 （4）验证性实验和探究性实验有关内容的比较目的步骤假设预测结果结论验证性实验验证相同无结果惟一解题前已知有惟一肯定的结论探究性实验探究有结果多种解题前后都未知几种预测就有几种结论 当然，涉及到具体的实验题时，一般不会面面俱到，也就是以上各项实验要求不会在试题中全部出现，即在题中仅出现其中的部分要求，因此解题时需具体情况具体分析。（3） 实验设计题的应试技巧 解答实验设计题的思路 1明确实验目的 弄清该题要验证或探究的是什么样的生物学事实。一般在题干中有“验证”、“证明”、“探究”，其后内容就是实验的目的。 2分析实验原理 就是完成该实验的理论依据是什么？这就需要分析实验中所涉及的生物学

21、及相关学科中的知识、方法，以及所依据的科学科学原理。另外提供的实验仪器的使用方法和原理也是应考虑在内。此过程要求学生利用储备知识独立分析、运用。 3独立设计实验 根据题目给出的材料、用具（一般情况下要用全所给的材料用具），实验设计应从三个方面入手，即实验设计“三步曲”： 编组标号。研究对象、器皿等要编组标号，设立实验组和对照组； 实验处理。分别对实验组和对照组施加单一变量；实验处理要遵循“单一变量，对照原则”。单一变量，就是对实验结果有关键影响的单一因素；对照原则，就是要有正反两个方面的实验。即在实验中设置对照组，与实验组进行比较，以显示实验的效果，增强实验结果的可信度和说服力。常见的对照方法

22、有以下几种：空白对照：不给对照组以任何处理；自身对照：实验组和对照组都在同一实验对象上进行；条件对照：给对照组施以部分实验因素，但不是所要研究的处理因素（如甲状腺激素）；相互对照：不单独设对照组，而是几个实验组相互对照。 在对实验组和对照组进行处理的时候，要注意下图所示的程序： 培养（或饲养）、观察、记录等。观察记录实验现象和实验数据，最后根据实验原理对实验结果进行预测与分析。 4实验结果分析 要弄清题目的目的是“验证型的”还是“探究型的”。如果是“验证型的”实验，则要根据所学知识和原理，分析得出应有的实验结果和推出相应的结论，（此时一般只有一个结果和相应的结论，且结论与实验目的相对应）。若是

23、“探究型的” 实验，则要根据原理、目的，预测出可能的结果和推出相应的结论（此时一般有几个不同结果及相应的结论）。预测结果“三步曲”实验预测验证性实验 如“验证”、“证明”都可预测到与实验目的一致的结果。探究性（预测结果“三步曲”） 实验如“探究”预测的实验结果不惟一，大多有三种可能：“变量促进结果；变量抑制结果；变量与结果无关”，或“全肯定；全否定；一肯定一否定”等。很多实验是化学反应类型，肉眼观察不到，应该考虑加入指示剂，借助颜色变化或仪器辅助观察。实验结果可采用文字描述、表格、坐标曲线等方式描述。 5实验结论 通过现象、结果的分析，概括出规律性的问题，结论一般就是实验的目的。 6讨论 讨论

24、的内容可以是实验中的内容，也可以是跟实验有关的其他问题。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