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理科综合生物实验部分（9）高三生物实验专题复习资料汇编(二)四、实验设计设计和完成实验的能力也是高考“考试说明”要求学生掌握的一项基本能力。1 实验设计的基本内容1.1 实验名称 是关于一个什么内容的实验。1.2 实验目的 要探究或者验证的某一事实。1.3 实验原理 进行实验依据的科学道理。1.4 实验对象 进行实验的主要对象。1.5 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。1.6 实验方法与步骤 实验采用的方法及必需（最佳）操作程序。每一步骤都必须是科学的；能及时对仪器、步骤进行有效矫正。1.7 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。1.8 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。1.9 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。注：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因不断失水质壁分离，而处于清水中的已分离细胞因细胞吸水质壁分离复原 （3）结果： 结果应为实验实际出现的情况，如“孟德尔分离现象解释实验”中出现的结果为“得到的64株后代中，30株高茎，34株矮茎，两种性状分离比为1：1”而“质壁分离复原实验”中处于30蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞果真发生了质壁分离，而处于清水中的已分离细胞果真发生了复原现象。 （4）结论： 结论的得出须依据实验结果，即若出现的结果与预期结果一致则得出与先前的假说一致的结论或“假说成立”，若实验出现的结果与预期结果不符，则得出的结论应为“假说不成立”。 由此可知，“假设”应对应“结论”，“预期”应对应“结果”，在实验讨论时应注意描述的科学性即“如果出现何种结果，则应有何种结论”，例如用检测呼吸装置的红色液滴检测酵母菌呼吸类型时，应为若液滴向左移动则推出什么结论，若液滴向右移动则推出什么结论，而不能描述为“若为有氧呼吸，则液滴向哪移动”，再如在验证淀粉，碘液能否通过半透膜时应描述为“若袋内外液体均变蓝（结果或现象），则淀粉、碘液均能通过半透膜。”而不能描述为“若淀粉、碘液均能通过，则袋内外液体均变蓝”。2 实验设计的三个原则2.1 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，如 2005年春季高考 3题中为研究光对幼苗生长的影响时实验变量应为撤掉光照，因而暗处生长的小麦幼苗应为实验组，而自然状态（即来接受实验变量处理）的小麦幼苗应为对照组，通过对照组能增强实验的信度。按照对照方式的不同可分为4种： 空白对照：即不作任何实验处理的对照组。例如，在还原糖鉴定实验中留一部分样液不加入斐林试剂，以作对照。 相互对照：即不设控制组，只在几个实验组之间相互对比。例如，在植物激素与向性的设计实验中，5个实验组的相互比较。在实验中要找出一个最佳效果点，就要采取相互对照进行实验。 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。例如，动物激素饲喂小动物的实验方案中：饲喂甲状腺激素的为实验组；饲喂甲状腺抑制剂的是条件对照组；不饲喂药剂的是空白对照组。自身对照：即实验与对照在同一对象上进行。例如，将过氧化氢酶加入过氧化氢溶液中证明酶是生物催化剂可催化过氧化氢水解，即自身对照，处理前的对象状况为对照组，处理后的对象变化为实验组。再如: 在探究温度(或pH)对酶催化活性影响实验中温度(或pH)(0度、50度,100度) 为条件对照。清水(软水) 、河水(硬水) 对加酶洗衣粉影响中，清水(软水) 、河水(硬水) 为相互对照。用缺素营养液培养的出现缺素症状的植株加入某元素后恢复正常为自身对照。2.2 等量性原则每次实验所加试剂的量要相等。2.3 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。 【案例剖析】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。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。 3 实验设计的4性3.1 科学性：这是实验方案设计的首要原则（原理、操作、程序、方法正确）。3.2 安全性：尽量避免危险性操作（如果必须使用，要注明，防止环境污染和人身伤害）。3.3 可行性：实验设计应切实可行，所选取药品、仪器、设备在中学现有实验室内能够完成。3.4 简约性：实验方案尽可能简易方便（用药少/步骤少/时间短）。总之，a.原理正确，b.效果明显，c.装置简单，d.操作安全。4 实验设计的基本要求设计一个实验，需要考虑以下几点：4.1：确定实验目的：如验证或探究哪一生物学现象。实验目的就是实验的方向。4.2:实验原理（实验所依据的科学道理）：达到目的所采用的理论依据。4.3:实验对象： 达到目的所采用的生物材料。4.4:实验条件：达到实验目的所必备的条件。4.5:制定实验步骤：要达到实验目的，必然是一个逐步进行实验的过程。需要制定一个计划，第一步做什么，第二步做什么，最后做什么。前一步是后一步的基础，步步相连，最终取得一定的现象和结果。 为了使实验设计清晰明了、富有条理，具体的实验步骤要用“1、2、3”或其它顺序符号表示。实验过程中如果用到了两个以上相同的器材，也应对其进行编号，以防混淆。4.6:实验现象的观察和记录：确定能观察到的实验现象，并进行记录。4.7:实验结果的分析等。5实验设计的基本过程： 5. 1、确认原理、提出假设； 5.2、构思过程选择方法（如是否用对比实验法）； 5.3、设计步骤； 5.4、分析结果、得出结论； 5.5、认定结论。6根据条件设计实验的基本技巧： 6. 1、要充分利用题目所给条件、材料用具及有关提示； 6. 2、过程要完整，且衔接合理； 6.3、要注意各步骤的顺序。有时顺序一乱，就会出现科学性的错误； 6. 4、设计方案要充分联系教材中的有关知识点及相关学科的有关知识点； 6.5、设计过程中涉及到的理、化知识，要按照相应学科的要求完成，如化学反应式的写法等； 6.6、设计完毕，要自己通读并逐步认定，检查有无缺陷。 7 探究性实验与验证性实验的比较7.l、概念 (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。7.2、比较表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验证研究对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系实验假设假设一般采用“如果A，则B” 的形式表述，是根据现有的科学理论、事实对所要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案、解释 因结论是己知的，因此不存在假设问题实验原理因探究内容而异因验证内容而异实验过程应有的实验步骤实际上并未完成，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。一般需讨论“如果出现结果会怎样，如果出现结果或又会怎样” 。但有时也会出现“预测最可能的结果”的问题此种情况应根据已有知识推测最合理的结果。无 实验结论无 对应实验目的做出肯定结论8.实验设计的实例分析高考试卷中实验设计试题有三种类型：全程设计、补充设计、设计改错。近几年高考中，前两种题型出现的次数较多。 8.1全程设计：试题明确给出了实验目的和原理，要求学生通过步骤的设计，验证或探究一个实验目的，得到相应的结果和结论。 8.1.1、验证性实验的全程设计实例 例1 “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：0.3g/mL的蔗糖溶液、蒸馏水、大试管、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，编号。(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。例2：（2004高考理综分）胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用。为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，请以小鼠为实验对象设计实验步骤，预测和解释实验应出现的结果，并写出实验结论。（一） 实验材料和用具：正常实验小白鼠只，生理盐水，用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性试剂，注射器，试管等。（二） 实验步骤：（实验提示：采用腹腔注射给药，给药剂量不作实验设计要求；给药小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液。）（1）确定一只鼠为实验鼠，腹腔注射胰高血糖素溶液；另一只鼠为对照鼠，腹腔注射等量生理盐水 。（2）将两支试管分别编号为1号和2号，各加入等量的班氏糖定性试剂 。（3）给药1小时后，对两只小白鼠采尿液，实验鼠尿液放入1号试管内，对照鼠尿液放入2号试管内 。（4）将两支试管摇匀后，放入盛有开水的烧杯内加热煮沸，待冷却后，观察两支试管溶液颜色的变化。（三）实验结果的预测、解释和结论：1号试管中应该出现砖红沉淀，说明实验鼠尿液中有葡萄糖；2号试管中仍为蓝色溶液，表明对照鼠尿液中无葡萄糖。实验结论：实验鼠血糖升高，超过一定数值而出现糖尿，是胰高血糖素具有升高血糖的生理作用所引起的。例3：(2004年广东39题12分)为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。(1)材料和用具：日龄相同体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。(实验提示：给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定。)(2)方法与步骤：(3)结果预测与分析：答案(12分) (2)方法与步骤： 将两组大白鼠分别标号为甲组和乙组，并分别用给出的仪器，测定与记录耗氧量和活动量。(2分) 每日用灌胃器给予甲组鼠灌胃甲状腺激素溶液，给予乙组鼠灌胃等量的蒸馏水，饲养一定的时期。(3分) 测定与记录甲、乙组鼠的耗氧量和活动量。(2分) (3)结果预测与分析 未给甲状腺激素时，甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量相近。(2分) 给甲组鼠甲状腺激累后，其耗氧量和活动量均大于乙组鼠。结果表明甲状腺激素能促进新陈代谢，加速体内物质的氧化分解，提高神经系统的兴奋性，从而使动物的耗氧量和活动量增加。(3分) 例4：如图为某种反射弧示意图，结合下述实验回答问题：（l）电激（即用电刺激）E，结果A发生运动反应；电激B，结果A反应而E无反应。这表明图中的A是_，E是_，而B和D分别是_和_（2）用有关字母和箭头写出神经冲动在整个反射弧中的传导方向_（3）给你提供必要的实验用具，如电刺激设备、电位测量仪等，请设计试验方案，以验证兴奋在神经纤维上和在相邻两神经元之间的传递特点（是双向的还是单向的），并预期可能的实验结果及结论。a验证冲动在神经纤维上的传导方法步骤：_结果和结论：_b.验证冲动在神经元之间的传送方法步骤：_结果和结论：_(4) 在正常情况下，你认为神经冲动在一个完整反射弧中的传导是_的，决定这一传导特点的主要原因是_。答案（l）效应器 感受器 传出神经纤维 传入神经纤维（2）EDCBA（3）a方法步骤：电激处，观察A的变化，同时测量处的电位有无变化 结果和结论：若A有反应，且处电位改变。说明冲动在神经纤维上的传导是双向的；若A有反应而处无电位变化，则说明冲动在神经纤维上的传导是单向的b方法步骤：先电激处，测量处电位变化。再电激处，测量处的电位变化 结果和结论：若两次试验的检测部位均发生电位变化，说明冲动在神经元间的传递是双向的；若只有一处（如二次观测的处）电位改变，则说明冲动在神经元间的传递是单向的 （4）单向 冲动在突触中的传导是单向的8.1.2、探究性实验的全程设计例1：（广州市2005年一模）绿豆种子萌发初期的生长主要是胚轴的伸长。某研究性学习小组从一个农科所获得了一种复合肥料，他们想探究这种复合肥料溶液在什么浓度范围对绿豆萌发初期的生长促进作用最大。请你利用下列材料，参与他们