2025年高考生物专题复习：探究实验及实验设计

高中生物实验设计理论和方法生物学作为一门以实验为基础的自然科学，实验是获取生物学知识的重要手段，是科学研究过程的重要环节，从孟德尔对遗传定律的研究中便不难发现实验的重要性，并且可从中了解科学研究的基本过程。一、生物学常用方法“观察、假说和实验”是最常用的科学研究方法。1．观察：是从自然界获得原始一手材料的方法，也是最基本的生物学研究方法。随着科学技术的发展，观察手段也在不断更新。早期的观察只能依靠人的感觉器官，后来有了放大镜、光学显微镜，并且认识了细胞。随着电子显微镜的发明，人们的观察能力深入到超显微镜领域，进而推动了分子生物学的迅速发展。科学的结论必须能客观地反映所观察的现象，并且具有可重复性。2．假说：实验不仅意味着某种精确的操作，而且是一种积极地思维方法。要进行实验，首先必须对研究对象所表现出来的现象提出某种可能的解释，即提出某种设想或假说，然后围绕“假说”设计实验来验证这个设想或假说。3．实验：对观察到的现象，提出自己的假说后，还需设计实验来验证这一“假说”的正确性。如果实验设计得科学合理、实验过程规范无误，观察到的实验现象与假说相符，那么假说正确，那这个假说就不再是假说，而成为定律或学说了。由此可知，用实验的方法研究客观规律，要求根据已有的事实(来自观察或来自实验)提出假说，再根据假说推导出一个可以用实验加以检验的预测，然后实施这个实验加以验证。观察、发现问题提出假说（假设）设计实验方案预测实验结果实施实验方案获得实验结果(观察、记录现象、数据等)分析实验结果支持假说建立某一理论否定假说则放弃假说否定假说改进实验设计再试验二、回顾科学探究的一般过程三、生物实验的基本步骤1.确定课题，明确目的原理：做什么实验；解决什么问题；依据什么原理。2.提出假设：提出初步假定，并对可见现象提出一种可检测的解释，具体为：例如，孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验假设是：“F1(Dd)产生配子时，产生含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”。3.作出实验预期：在检测实验假设前，先提出实验预期结果(一个假定的结果)，若预期结果没有实现，说明假设不成立；若预期结果实现，则假设成立。4.设计实验：根据实验目的和提出的假设，确定实验基本思路，确定选材、装置及实验对照等，设计实验的具体方法步骤，并按设计的方案进行操作。5.观察、记录实验现象和收集数据：客观如实地观察、记录实验现象，得出实验结果，并通过一定方式将实验结果呈现出来。6.分析作结：对记录的数据(包括现象和结果)进行整理分析，归纳出一般概括性判断，并用文字、表格、绘图等形式作出简明的总结。7.推论：根据实验事实进行推理得出结论。8.交流：写出实验报告。四、实验设计的解题思路1．明确实验目的和原理(验证的生物学事实是什么？所依据的生物学原理是什么？)。2．找出实验变量、反应变量和无关变量。3．构思实验变量的控制方法和实验结果的获得手段。4．明确实验对象和实验条件(实验对象：实验所用的生物学材料；实验条件：完成这一实验必需的理化条件及生物学处理方法)。5．设计实验方法和步骤(四步曲)。四、实验设计的解题思路5．设计实验方法和步骤(四步曲)。(1)材料是否要制取或处理。有些实验中，题干所给予的材料与设计的要求有一定的差距，如果我们直接利用题干中所给予的材料而不加以处理的话，那么不能达到实验目的，这就要求我们对实验材料进行适当的处理。

(2)是否要分组编号。这一步目的明确，就是要使自己的实验结果令人信服，就需要排除一些无关变量造成的影响。因此分组对照是一个在设计实验时，用来抵消非实验因素对实验结果造成影响的常用方法。(3)对不同(或同一)对象施加不同的处理。这是实验设计中的关键一步，基本上所有的实验设计题都要求学生完成这一步工作，只要我们在分析过程中做好了前面的工作，这一步也就是顺理成章的事了。(4)依据实验现象，获得实验结论。要从实验现象中获得结论，而结论往往同实验目的相呼应。如果实验目的不够明朗，那么应加入自己对该实验的理解，尽量利用课本中规范的语言来回答。五、生物实验的变量、原则。1.科学实验应先确定实验变量：在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，可分为两类：(1)实验变量与反应变量(2)无关变量与额外变量A、实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。C、通常实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。(1)实验变量与反应变量B、反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量引起的变化和结果。例如在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温、适温和高温是实验变量，而由于低温、适温和高温条件变化，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A、无关变量也称控制变量，指实验中除实验变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。B、额外变量也称干扰变量，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。显然额外变量会对反应变量起干扰作用。如：上述实验中除实验变量以外，试管的洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等，都属于无关变量。如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。(3)教材中相关实验的变量实验自变量因变量无关变量比较过氧化氢酶和Fe3＋的催化效率催化剂的种类(过氧化氢酶、Fe3＋)催化效率的高低(以点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度表示或气泡产生速度表示)试管等用具的洁净度、环境温度、相同材料的量、各种试剂的量、反应时间等探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用底物的种类(淀粉、蔗糖)淀粉酶将淀粉水解(处理后加斐林试剂，加热出现砖红色沉淀)，但不能水解蔗糖(处理后加斐林试剂并加热，无砖红色沉淀出现)淀粉与蔗糖溶液的量、水浴的温度与处理时间、斐林试剂的使用量与加热时间、操作程序等植物向性运动的实验设计和观察①是否黑暗、单侧光照、均匀光照)②改变幼苗空间位置以接受重力影响①幼苗弯曲状况②根的弯曲方向①幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理的部位、装置的合理性等②萌发种子的种类及萌发状况、环境温度、培养条件等观察植物细胞的质壁分离和复原外界溶液的浓度即高渗及低渗溶液)质壁分离(液泡失水缩小、颜色变深、原生质层与细胞壁分离)；质壁分离复原(液泡恢复原状、颜色变浅、原生质层恢复原状)溶液的种类及浓度；分离与复原现象的观察；装片的洁净度及临时装片的制作；材料的选择等。温度对酶活性的影响温度(60℃热水、沸水、冰块)加碘液后溶液颜色的变化试管的洁净度、淀粉溶液的量、不同温度的处理时间长度、操作程序、碘液的加入量等研究课题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生长素(或类似物)的不同浓度①扦插枝条的生根状况的差异②果实发育状况的差异③落花落果状况在使用前后的差异实验材料的一致性、激素浓度的准确性、处理时间的一致性等实验自变量因变量无关变量2.实验设计的原则(1)科学性原则所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节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。科学性原则具有两个方面的含义。首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。具体地说，科学性原则体现在以下几个方面：(1)科学性原则(2)平行重复原则(3)单一变量原则(4)控制与平衡控制原则(5)对照原则（6）可行性原则（7）简便性原则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，因此它必须经前人总结或经科学检验得出的科学理论。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，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原实验”选用紫色洋葱作为实验材料都是经典的成功选材的范例。再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；因其含水量多，故能保证细胞质流动的流动速度快，实验现象明显；因其含叶绿体，故能使细胞质的流动速度和流动方向清晰可见；因其叶片薄，故便于制片且能在显微镜下观察。另外，黑藻在一年四季都可以培养，取材方便。有了这样的实验材料，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。③实验方法的科学性只有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果，如证明植物的光合作用过程中释放CO2的实验是这样设计的：通入的空气先经过NaOH溶液除去其中的CO2，再经过Ca（OH）2溶液检验CO2是否完全除尽，最后才通入装有萌发的种子的密封容器中。只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素，证明瓶中的CO2确实来源于种子的呼吸作用。④实验结果的科学性这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。如下面这个实验：用含有各种必需矿质元素的溶液培养大麦，48小时后测定几种离子的浓度占该离子开始浓度的百分比，实验结果如下：实验条件水分消耗(mL)Ca2＋K＋Mg2＋光照109013527179黑暗53410535113上面的结果因为经过了记录和整理，所以使人一目了然。观看这个实验结果，首先要看出该实验中设计了哪些对照组，由上表可知，表中出现三组对照：一组是有光与无光；一组是水分的吸收与矿质元素的吸收；还有一组是不同的矿质元素的吸收情况比较。所以我们分析实验结果时，也应从这三个方面人手，得出如下结论：一是植物对水分和矿质元素的吸收与光有关；二是植物对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程；三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。(2)平行重复原则任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。下面的这道题就是根据平行重复原则设计的实验。在用质壁分离法测定细胞液浓度的实验中，把剪成小块的洋葱表皮分别放人下面各组溶液中，结果如下表：培养皿蔗糖溶液浓度(mol/L)发生质壁分离细胞占观察细胞数目的百分比1O.2无2O.3无30.415％4O.540％5O.680％60.799％7O.8100％(3)、单因子变量原则B、同条件：指实验组与对照组所用器材、试剂、所处环境、处理时间等均相同。具体有四个方面：A、实验设计中，只能进行单因子对比研究，其余因子均需进行不变量控制,主要体现在实验过程的同条件控制。①生物材料要相同：②实验器具要相同：③实验试剂要相同：④处理方法要相同：C、注意点：①会用“适宜条件”一词；②会用“过了一段时间”进行观察（或测量）。即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等要尽量相同；即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的材质、大小、型号要完全一致；即试剂的成分、浓度、体积要相同；如相同的环境条件下培养，相同的处理时间。(3)单一变量原则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不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个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及额外变量的干扰。(4)控制与平衡控制原则该原则是指要严格地操纵自变量，以获取因变量。同时，要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。即尽量消除实验误差，以取得较为精确的结果。常用的方法有单组、等组及轮组实验法。①单组实验法对一组(或一个)对象，既用A法，又用B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，通常是将做好的紫色洋葱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，无关变量的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A法，另一组用B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，其对象是玉米幼苗，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，循环进行两个或两个以上的实验处理。如甲组——A法、B法；乙组——B法、A法等，这样能有效的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，做如下实验处理：实验结果则是a＋d(“不透光”)和b＋c(“单侧光”)的比较，这就是轮组实验法。无论先用单侧光处理，还是先用不透光处理，两株长势不同的玉米均表现向光性，均由单侧光引起，可见这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量更有说服力。(5)对照原则对照原则是中学实验中最常用的原则，如有关酶的高效性、专一性和影响酶活性的条件的实验，观察植物细胞质壁分离和复原实验都采用了对照。通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。在一个对照实验中，可包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量的处理的对象组，一般是随机决定的。常用的对照组类型有以下几种：①空白对照对照组为不作任何处理的对象组。如“探索影响淀粉酶活性的条件”实验中，1号试管加1mL蒸馏水，2号、3号试管分别加等量的NaOH、HCl溶液，1号试管即为典型的空白对照组；用小狗做活体材料设计实验，证明动物生长激素的分泌器官及作用时，用不做任何处理的小狗作对照，与切除了脑垂体的小狗进行比较。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“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既是典型的自身对照——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条件对照给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。如在验证唾液淀粉酶发挥作用的最适温度的实验中的O℃和80℃下的对照。再如在“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，存在以下实验组和对照组。甲组：饲喂甲状腺激素(实验组)

乙组：饲喂甲状腺激素抑制剂(条件对照组)

丙组：对蝌蚪不作任何处理(空白对照)④相互对照指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。如验证温度对唾液淀粉酶活性影响的实验中60℃、O℃、37℃之间的对照；验证pH对唾液淀粉酶活性影响的实验中，不同pH溶液之间的对照。再如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，2与l对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端，3也可与1对照，4也可与l对照，也可与2对照。（6）可行性原则指在设计生物学实验时，要考虑现有的实验条件，要保证现有条件能够满足实验要求。（7）简便性原则指在设计生物学实验时，要尽量做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，实验操作比较简便，实验步骤比较简洁，实验时间比较短等。六、研究性实验与验证性实验的区别1.探究性实验：指实验者在不知晓实验结果的前提下，通过自己的实验、探索、分析、研究得出结论，从而形成科学概念的一种认知活动。2．验证性实验：指实验者针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果、巩固和加强有关知识内容、培养实验操作能力为目的的重复性实验。探究性实验验证性实验实验目的探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系，实际上就是把试题中提出的问题变为陈述句验证研究对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系，试题中已知实验过程应有的实验步骤实际上尚未被前人完成，因探究内容而异应有的实验步骤，可以是曾经做过或尚未做过的，因验证内容而异实验现象未知，可以不描述已知，应准确描述实验结果预测对应假设，分类讨论：①实验组与对照组无显著差异，实验变量无影响；②实验组比对照组好，实验变量有利；③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)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(实验结果一定要和验证的事实一致，即唯一性)实验结论对应实验的结果做出相应的结论对应实验目的做出肯定结论七、实验设计的应对策略1、.理解实验原理与实验设计的联系。每一个生物实验材料的选择、实验装置的确定、实验步骤的安排和实验方法的设计都不是