生物实验设计

生物实验设计第1页，共53页，2023年，2月20日，星期一

课程简介：本课程是研究中学生物实验的设计原理、设计方法，重点是研究中学生物实验设计整体思路的一门课程。本课程强调在生命科学的形成、发展过程中以生物学实验为基础，在生命科学的学习过程中以生物科学知识和生物实验设计为中心，研究生物学实验的基本理论、新课程高中生物实验、中学生物实验设计导引、实验设计案例研讨与评价等相关内容，培养学生生物科学素养，提高生物实验设计的能力，为将来独立从事中学生物教学工作奠定良好的基础。第2页，共53页，2023年，2月20日，星期一教学内容与要求

专题一：生物学实验的基本理论

教学内容：1、介绍本门课程的进度、内容及考核方式2．生物学实验的产生和发展3、生物学实验的意义4、中学生物实验教学教学要求：通过学习生物学实验的产生和发展、生物学实验意义以及中学生物实验教学的内容，了解生物学实验的基本理论；通过介绍本门课程的进度、内容及考核方式，明确加强生物实验设计能力培养的重要意义。

第3页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题二：生物学实验原理和设计

教学内容：1、生物学实验原理及类型2、生物学实验的设计教学要求：通过教师提供的生物学实验具体实例，分析生物学实验的原理，研究中学生物实验设计的案例，课前搜集一个实验设计课题在课上进行讨论，从而学习分析生物实验设计的方法，培养思维能力和创造能力。第4页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题三：中学生物实验研究教学内容：1．中学生物实验室建设和仪器装备2．中学生物实验室技术3．中学生物实验室安全规范教学要求：要求学生在中学生物实验室中学习并掌握中学生物实验室建设和仪器装备等实验教学的基本要求，参观中学生物实验室，初步学会使用中学生物实验室技术，讨论中学生物实验室安全规范。

第5页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题四：新课程高中生物实验教学内容：1.高中生物新课程的基本理念和目标2.实验教学在新课程实施中的意义和作用3.高中生物实验内容确定的依据4．中学生物实验的分级教学要求：学生自学第一部分，并以小组的形式汇报学习收获；通过实验教学在实施中意义的讨论和实验教学类型的研讨分析，学习高中生物实验内容确定的依据以及中学生物实验的分级。第6页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题五：新课程探究实验分析教学内容：1.《高中生物课程标准》中的实验安排2.新课程探究实验分析教学要求：通过教师提供的新课程探究实验案例，学生课上研讨、交流并分析不同类型的科学探究活动，以小组为单位完成一个探究实验设计，了解生命科学的精髓，掌握基本的生物科学知识和实验技能，发展科学探究能力。第7页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题六：生物实验设计基础研讨教学内容：1、生物学实验的学习目标2．生物学实验的基本要素3．生物学实验的类型4．生物学实验的实施教学要求：通过实验设计基本知识的学习，请同学分析并掌握生物学实验的学习目标、基本要素等，初步学习并体会设计生物学实验的核心内容。第8页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题七：生物学实验设计策略教学内容：1．实验设计的原则、基本程序2．提高实验设计和探究能力的途径与方法3．参与式教学教学要求：通过实验设计策略的学习，请同学分析并掌握实验设计的原则、基本程序和方法，开展参与式教学并学会进行实验设计。第9页，共53页，2023年，2月20日，星期一专题八：实验设计案例研讨与评价教学内容：1．基础实验设计案例研讨与评价2．拓展实验设计案例研讨与评价教学要求：要求学生根据实验设计的原则、基本程序和方法，课前研讨、交流，初步学会使用实验设计方法，写出实验设计案例在课上分析，学生之间互相评价，在此基础上，完成一份完整的实验设计案例。第10页，共53页，2023年，2月20日，星期一作业完成一份中学生物实验设计案例搜集一个实验设计课题在课上讨论提交一份实验设计案例评价记录以小组为单位完成一个探究实验设计第11页，共53页，2023年，2月20日，星期一考核与成绩评定方式总评=平时（30%）+实验设计方案（70%）平时=实验设计案例（10%）+课题讨论与评价记录（10%）+中学生物实验实践情况（10%）第12页，共53页，2023年，2月20日，星期一1.在本课程教学内容中,最关注的专题是什么?2.除教学计划安排的内容之外,你还期待学习或了解什么?3.你希望在组织活动或讨论时,是自由结组,还是由教师指定或随机抽取?请选择一种组建小组的方式.(请注明姓名\班级\学号)第13页，共53页，2023年，2月20日，星期一生物学实验的基本理论生物学实验的基本理论第一章第14页，共53页，2023年，2月20日，星期一一.生物学实验的产生和发展1.早期人类的自然观察和实践活动（1）原始人的刀耕火种（2）古代人的生产实践酿酒、动植物育种……《禽经》《齐民要术》《本草纲目》……火的使用、石器的制造采集、狩猎、种植、驯养2.近代生物学实验的建立哈维关于血液循环的研究青蛙的心脏实验心脏的舒缩与脉搏的实验动脉的结扎实验静脉的结扎实验静脉瓣膜的作用实验（第一次用实验方法证明推论）人体血量的计算（245.16kg/h）由于哈维发现了血液循环，而把生理学确立为科学恩格斯第15页，共53页，2023年，2月20日，星期一3.生物学实验的发展（1）生物学实验从原始的生产实践中分化出来（2）生物学实验成为有目的的对生命的探索（3）建立了生物学实验的方法和手段（4）促进了生物学的发展细胞学说植物生理学动物生理学胚胎学微生物、免疫学……促进生物实验技术与手段的改进4.现代生物学实验的改革与发展第16页，共53页，2023年，2月20日，星期一二.生物学实验概述（一）生物学实验的基本概念

生物学实验是人对生物体（包括自身）及生命现象的主动认识过程。它是针对一定的研究对象，并根据研究目的，运用一定的手段（包括仪器、设备等），通过控制、干预研究对象，或创造一种典型环境或特殊条件，并在其中进行探索的实践活动。

生物学实验的实质是一种人为控制条件下的生命过程的再现，是生命科学研究的重要方法。第17页，共53页，2023年，2月20日，星期一（二）实验在科学研究中的位置科学研究的方法科学抽象调查实验观察数据的转换数理统计方法测定技术与手段变量分析与条件控制操作技能测量记录关系分析归纳、概括建立模型问题与假说获得事实的方法处理资料的方法得出结论的方法提出问题作出假说第18页，共53页，2023年，2月20日，星期一（三）生物学实验的类型实验的空间和环境实验室实验、自然实验根据不同的依据，可以分为不同的类型实验的直接目的验证性实验、探索性实验实验研究的质和量定性实验、定量实验实验的研究对象动物、植物、遗传、细胞、生态……实验的作用析因实验、模拟实验实验的性质解剖实验、生理实验、生化实验实验类型分类依据第19页，共53页，2023年，2月20日，星期一（四）生物学实验的基本要素（1）研究对象的客观性（2）研究对象的可控性（3）研究对象的主动性与复杂性1.实验者2.实验的研究对象3.实验手段（1）实验手段的类型（2）实验手段的特性②实验者控制和纯化研究对象及环境的重要条件③实验手段是生物学理论的物化①工具、设备类②方法类（物理、化学、数学等）①实验者和研究对象的中介第20页，共53页，2023年，2月20日，星期一生物学实验的意义生物学实验对生物学理论建立的重要作用生物学实验在生物科学研究中的作用生物学实验与科学发展观的树立第21页，共53页，2023年，2月20日，星期一中学生物实验教学中学生物实验教学案例科学实验与生物教学实验生物学实验与生物学教学优化实验教学过程提高生物学实验教学能力第22页，共53页，2023年，2月20日，星期一生物教学实验:根据中学生物学的教学目的、学生的认知水平和教学条件,有目的地安排、设计一些类似科学实验的模式、程序，在规定的较短时间内进行实验操作，以达到实验目的要求的教学实践活动。第23页，共53页，2023年，2月20日，星期一生物实验教学与科学素养科学实验与科学思维的形成科学思维在生物学实验中的作用

1.正确确立生物学实验课题

2.进行生物学实验设计

3.顺利实施生物学实验方案

4.形成科学结论第24页，共53页，2023年，2月20日，星期一考查的能力包括理解能力、实验与探究能力、获取信息的能力和综合运用能力.以对学生实验与探究能力的评价为例:侧重考查学生的实验操作基本技能和实验的关键步骤、重要环节上。第25页，共53页，2023年，2月20日，星期一实验的类型类型实验特点目标要求实例探究性实验

让学生带着疑问，在亲自动手的过程中获取新知识。提高学生对现象的观察、问题的探究、概念的形成、使知识理解、结论的验证、思维的发展融为一体。探究植物细胞的吸水和失水探究酵母菌的呼吸方式验证性实验让学生用实验结论来验证已学过的基本原理和基础知识。帮助学生理解和巩固基础知识，学习和掌握基本技能。观察DNA和RNA在细胞中的分布观察植物细胞的有丝分裂演示实验主要操作者是教师，呈现事实的方法：实验归纳法；演绎法。培养学生观察、思维能力，使学生获取新知识，或验证巩固知识，或指导学生进行实验

发酵现象种子在萌发过程中吸收氧第26页，共53页，2023年，2月20日，星期一课程标准对实验的要求

能够正确使用一般的实验器具，掌握采集和处理实验材料、进行生物学实验的操作、生物绘图等技能。发展科学探究能力，初步学会---设计可行的实验方案，实施实验方案，收集证据---。

实验教学承载着对学生进行认知、情感和操作技能三维目标的培养。而提高学生的实验操作技能是实验教学的主要目标。第27页，共53页，2023年，2月20日，星期一考试说明：实验与探究能力（1）能独立完成“生物知识内容表”所列的生物实验，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的运用。（2）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。（3）具有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。第28页，共53页，2023年，2月20日，星期一实验教学评价对学生实验能力的评价

实验操作步骤和技能的掌握对实验原理的理解设计实验评价和完善实验对实验结果的分析与结论的表述第29页，共53页，2023年，2月20日，星期一实验教学评价——实验操作

学生必须参与实验(课标要求、教材中有的、正常情况能开设的），仔细观察，掌握实验操作技能。基本技能和重要的操作环节第30页，共53页，2023年，2月20日，星期一观察DNA、RNA在细胞中的分布观察线粒体和叶绿体低温诱导染色体加倍这几个实验虽然是教材中的常规实验，但是大多数学校限于条件等并不能正常开设，因此作为实验教学评价目前不十分适合。第31页，共53页，2023年，2月20日，星期一例1：2010年—天津

在“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验时，以下操作和结论正确的是

A.剪取5cm根尖，用酒精和吡罗红混合液解离染色

B.右图是高倍显微镜下调节细准焦螺旋看到视野

C.持续观察，视野中的K细胞将分裂成两个子细胞

D.视野中，N细胞的染色体数目是M细胞的一半第32页，共53页，2023年，2月20日，星期一显微镜的使用——做了才有更深的认识例1-1、某学生在显微镜下观察花生子叶的切片，当转动细准焦螺旋时，有一部分细胞看得清晰，另一部分细胞较模糊，这是由于

A、反光镜未调节好

B、标本切得厚薄不均

C、细调节器未调节好

D、显微镜物镜损坏第33页，共53页，2023年，2月20日，星期一实验的归纳是必要，但做更重要观察方式实验名称观察对象显微镜玻片标本染色剂生物材料原色观察观察叶绿体叶绿体高倍临时装片无菠菜叶植物细胞吸水和失水紫色大液泡低倍临时装片无洋葱表皮染色观察观察有丝分裂染色体高倍临时装片龙胆紫（醋酸洋红）洋葱根尖脂肪的鉴定脂肪高倍切片↓临时装片苏丹Ⅲ或苏丹Ⅳ染液花生种子观察DNA、RNA的分布DNA、RNA高倍临时装片甲基绿和吡罗红人的口腔上皮细胞(或洋葱表皮细胞)观察线粒体线粒体高倍临时装片健那绿人的口腔上皮细胞观察减数分裂染色体高倍固定装片蝗虫精巢固定装片低温诱导染色体加倍染色体高倍临时装片改良苯酚品红溶液洋葱根尖细胞第34页，共53页，2023年，2月20日，星期一

考查学生对生物学基础知识和生物学实验的理解与应用能力。实验教学评价—对实验原理的理解在实验活动中深化理解第35页，共53页，2023年，2月20日，星期一例2：2007——重庆

甘薯和马铃薯都富含淀粉，但甘薯吃起来比马铃薯甜，为探究其原因，某兴趣小组以甘薯和马铃薯块茎为材料，在不同温度、其他条件相同的情况下处理30min后，测定还原糖含量，结果表明马铃薯不含还原糖，甘薯的还原糖含量见下表：（1）由表可见，温度为70℃时甘薯还原糖含量最高，这是因为______________________。（2）马铃薯不含还原糖的原因是___________________。（3）为了确认马铃薯不含还原糖的原因，请完成以下实验：实验原理：①__________________________________________；②_________________________________________。处理温度（℃）

0102030405060708090甘薯还原糖含量（mg/g）

22.123.325.837.640.547.454.768.945.328.6第36页，共53页，2023年，2月20日，星期一

实验设计的基本内容1、实验名称:是一个关于什么内容的实验2、目的:要探究或者验证的某一个事实3、原理:进行实验依据的科学道理4、对象:进行实验的主要对象5、条件:完成实验必备的仪器、设备、药品条件6、方法与步骤:实验采用的方法及必需的操作程序7、观察、测量与记录:对实验过程及结果认真观察和科学的手段测量并准确地记录8、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、结论:对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论实验教学评价—设计实验的能力第37页，共53页，2023年，2月20日，星期一

设计实验步骤：①材料的预先处理（如材料是要用液体，但题目中给的是固体材料；如溶液的配置和浓度的设置）②实验的前测（如生理实验中需要对实验前的材料进行生理指标的测量等）③对相同的实验器材（或实验材料）编号或分组A、B、C或1、2、3；④确定单一变量的设置（控制无关变量），因变量的观察指标⑤实验结果的描述与记录➅结果的分析（对应验证实验和探究实验）➆以各种方式表述结论实验教学评价—设计实验的能力第38页，共53页，2023年，2月20日，星期一例32010——天津根据下列实验结果回答问题。实验一：选取同品种、同日龄的健康大鼠若干只，实施切除手术，一段时间后随机等分成四组，分别注射激素及生理盐水30天，结果如图1。 （1）该实验的目的是探究

。（2）手术应切除

。每次注射各激素的量应按照

来计算。（3）图1表明胰岛素具有

的作用，胰岛素与生长激素共同作用的效应

（小于/等于/大于）它们单独作用之和。实验二：选取健康大鼠，持续电刺激支配其胰岛的副交感神经，测定血液中胰岛素和胰高血糖素的浓度，结果如图2。 （4）开始刺激后，血糖浓度将

，原因是

。 （5）图2中胰高血糖素浓度下降的原因之一是胰岛素直接抑制胰岛A细胞分泌。若要证实该结论，可在胰岛组织中注射

，通过检测注射前后其周围血液中

的浓度变化来确定。第39页，共53页，2023年，2月20日，星期一主要从以下8方面评价（1）实验原理是否正确（2）药品和试剂的使用是否正确；（3）实验材料的选择是否正确（4）有无对照，如果有看对照设计是否合理（5）实验步骤是否科学（实验是否遵循了单一变量原则；是否漏做某个实验步骤；操作步骤是否颠倒；操作方法是否正确。）（6）是否采取正确的方法进行实验结果的检测和记录（7）对实验结果的预测与分析是否合理（8）实验的安全性如何实验教学评价—评价和完善实验的能力第40页，共53页，2023年，2月20日，星期一例41.某同学进行了温度对酶活性影响的研究，设计了如下实验：

实验原理：温度影响酶的活性，从而影响淀粉的水解，滴加碘液，根据是否出现蓝色及蓝色的深浅来判断酶的活性。

实验步骤：1、取三支试管，分别加入质量分数为3％的可溶性淀粉溶液。另取3支试管，分别注入新鲜α—淀粉酶溶液。2、将装有淀粉溶液和酶溶液的试管分成三组分别放入100℃、37℃的水中和冰块中，维持各自的温度5min。分别将淀粉酶溶液注入相同温度下的淀粉溶液中，两支试管中的pH＝6.8，第三支试管中的pH＝4，摇均后维持各自温度5min。3、在三支试管中各滴一滴碘液，并摇均。观察并记录：（略）结论：温度过高或过低都影响酶的活性。请回答：(1)该实验能否得出上述实验结论？_____________________________________________（2）指出步骤中不正确之处，并在此基础上加以纠正或补充相应的内容___________________。第41页，共53页，2023年，2月20日，星期一【解析】本题是比较典型的实验评价题，先从以下8方面考虑：（1）实验原理是否正确：正确（2）药品和试剂的使用是否正确：步骤1中加入试管中的两种溶液应有量的描述（3）实验材料的选择是否正确：正确（4）有无对照，如果有看对照设计是否合理：设置了3个相互对照试验，但没有最适温度（5）实验步骤是否科学：试管上没有做标记；未遵循单一变量原则（6）是否采取正确的方法进行实验结果的检测和记录：（略）（7）对实验结果的预测与分析是否合理：不能得出实验结论（8）实验的安全性如何：基本安全第42页，共53页，2023年，2月20日，星期一答案（1）按此步骤不能得出以上实验结论。（2）①试管上没有做标记，应用字母或数字进行标记如六支试管上分别标记A、B、C、D、E、F。②步骤1中加入试管中的两种溶液应有量的描述，应补充3％的可溶性淀粉2ml，新鲜淀粉酶溶液1ml。③步骤2中没有设置最适温度，应把37℃改为60℃。④实验组与对照组未遵循单一变量原则。两组中存在酸碱度和温度两个变量，应只有一个温度变量，酸碱度应一致，pH应都为6.8。第43页，共53页，2023年，2月20日，星期一赤霉素广泛存在于高等植物体内，它可以通过提高生长素（吲哚乙酸）含量间接促进植物生长。那么它是如何提高生长素含量的呢?某研究小组开展了探究。生长素在植物体内有一个合成和分解的代谢过程（如图1，IAA氧化酶是一种含铁蛋白）。研究小组据此提出假设：赤霉素通过促进生长素的合成提高生长素含量。例5为验证假设，研究小组设计了实验。材料用具包括燕麦幼苗，完全培养液、缺铁培养液、赤霉素溶液(以上溶液浓度均适宜)，蒸馏水、琼脂块、刀片等。第44页，共53页，2023年，2月20日，星期一例5（1）参考图2，补充完成以下实验步骤：①准备四个配有培养支架的烧杯，分别标记为1—4号。②向l号和2号烧杯中加入等量适量的完全培养液。③________________________________________，分别在1号和2号烧杯中培养一段时间。注：(1号烧杯中的幼苗为1号幼苗，2号烧杯中的幼苗为2号幼苗)④1号幼苗喷洒适量蒸馏水，2号幼苗喷洒等量赤霉素溶液。继续培养一段时间。⑤________________________________________。培养一段时间后，观察胚芽鞘的弯曲情况。⑥向3号和4号烧杯中加入等量适量的缺铁培养液，_______________________________。（2）实验分析：步骤②→⑤的处理结果是去尖胚芽鞘弯向1号，这证明________。步骤⑥可能出现_______________种不同的实验结果。（3）该研究小组只提出了一种假设，请你提出可能存在的其他两个假设。_______________。第45页，共53页，2023年，2月20日，星期一【解析】（1）确定是验证性实验还是探究性实验：

探究性实验（2）确定实验目的、实验原理、实验假设、观察指标实验目的：

探究赤霉素如何提高生长素含量实验原理：

赤霉素通过提高生长素含量间接促进植物生长实验假设：

赤霉素通过促进生长素的合成提高生长素含量观察指标：

胚芽鞘生长情况（3）确定自变量、因变量、无关变量自变量：

赤霉素、蒸馏水因变量：

胚芽鞘生长的情况的差异无关变量：

水分、温度和氧气、胚芽鞘数量等第46页，共53页，2023年，2月20日，星期一例5：答案（1）参考图2，补充完成以下实验步骤：①准备四个配有培养支架的烧杯，分别标记为1—4号。②向l号和2号烧杯中加入等量适量的完全培养液。

选取生长状况相同的燕麦幼苗若干株，平均分为两组③__切下l号和2号幼苗的胚芽鞘尖端，分别用琼脂块收集生长素，并将琼脂块分别放到去尖端胚芽鞘的两侧，分别在1号和2号烧杯中培养一段时间。注：(1号烧杯中的幼苗为1号幼苗，2号烧杯中的幼苗为2号幼苗)④1号幼苗喷洒适量蒸馏水，2号幼苗喷洒等量赤霉素溶液。继续培养一段时间。⑤_重复步骤③～⑤。培养一段时间后，观察胚芽鞘的弯曲情况。⑥向3号和4号烧杯中加入等量适量的缺铁培养液，_赤霉素能提高生长素含量（2）实验分析：步骤②→⑤的处理结果是去尖胚芽鞘弯向1号，这证明。步骤⑥可能出现3种不同的实验结果。（3）该研究小组只提出了一种假设，请你提出可能存在的其他两个假设。__赤霉素可能通过抑制生长素的分解，提高生长素的含量。赤霉素也可能同时通过促进生长素的合成和抑制生长素的分解，提高生长素的含量___。第47页，共53页，2023年，2月20日，星期一实验教学评价—对实验结果的分析与结论的表述(1)下图为某细菌的生长曲线及A、B两种代谢产物积累曲线。请据图回答问题：①A产物合成始于细菌生长曲线的

期，属于

代谢产物。②B产物的积累量在细菌生长曲线的

期最大。(2)绝大多数微生物最适生长温度为25～37℃。为了探究培养温度对谷氨酸棒状杆菌代谢产物(谷氨酸)合成量的影响，设计如下实验。在实验中有4处错误，分别标以①、②、③、④，请依次分析错误原因。第一步：设定培养温度为第二步：将菌种接种到灭菌后的液体培养基中，分别在设业的温度条件下第三步：在定时取样，分别测定谷氨酸合成量，记录结果并绘制曲线。实验结果预测及结论：若在30℃培养条件下，谷氨酸合成量最大，则认为，。①

。②

。③