实验设计与分析

实验设计与分析永嘉县罗浮中学 叶文俊近年来的生物学高考中，实验设计与评价题已经成了一种热点题型。实验设计与评价题侧重考查学生的实验能力、思维能力和创新能力等各方面的能力，以及进行科学实验的思想和方法，能较好地体现新课程的教学理念，有利于指导新一轮教育课程改革，以适应现代社会对人才需要的发展。实验设计题的能力要求高，难度大，在平时练习中，一直存在着学生怕做实验设计题，一遇到实验设计便愁眉苦脸,难以下笔的现象。在高考备考中，如何提高学生的生物实验设计与评价能力呢？一、明确高考考试大纲要求：2005年高考生物学科考试大纲能力要求第3条明确指出，理解所学实验、实习的内容，包括实验目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能；具备验证相关生物学事实的能力，并能对实验现象和结果进行解释、分析和处理；能对一些生物学问题进行初步的探究性研究。实验能力要求可分两个层次：（1）会观察、分析和解释实验中产生的现象、数据并得出合理的实验结论，具备验证简单生物学事实的能力。（2）灵活运用已学过的自然科学理论，设计简单的实验方案，理解探索性实验的一般方法。二、了解高考实验试题类型：研究近几年来高考题中的实验题可以发现，实验设计、评价的理解能力、实验条件的控制和对实验结果的归纳、总结能力是现在考察的重点方向。且考察中学生“未证实过的”实验问题材料是命题的主要来源，涉及实验的题型主要是设计探究验证型和分析推理判断型实验题。（1）设计探究验证型依据实验目的，来设计实验过程、预测实验结果的试题。例1：(04年全国新课程卷1)31.（20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”，请以小白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2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，烧杯等。（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1小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液。）（三）实验结果的预测、解释和结论解析：本题是一道典型的常规对照实验设计类试题，虽然开放性很强，但由于给出了实验提示，应该说难度不是很大，只是对学生的文字描述能力和思维的合理性提出要求。不过最后对尿液中葡萄糖的检验是一个对物质鉴定知识的联系，需要学生能够自然而然地联想并设计出来，这对思维的缜密就有了相当高的要求。（2）分析推理判断型依据所提供的实验，分析其中原因或得出正确的实验结论例2：（04北京卷）（15分）一种以地下茎繁殖为主的多年生野菊分别生长在海拔10m、500m、1000m的同一山坡上。在相应生长发育阶段，同一海拔的野菊株高无显著差异，但不同海拔的野菊株高随海拔的增高而显著变矮。为检验环境和遗传因素对野菊株高的影响，请完成以下实验设计。（1）实验处理：春天，将海拔500m、1000m处的野菊幼芽同时移栽于10m处。（2）实验对照：生长于 _ m处的野菊。（3）收集数据：第二年秋天 _ 。（4）预测支持下列假设的实验结果：假设一：野菊株高的变化只受环境因素的影响，实验结果是：移栽至10m处野菊株高 _ 假设二：野菊株高的变化只受遗传因素的影响，实验结果是：移栽至10m处野菊株高 _假设三：野菊株高的变化受遗传和环境因素的共同影响，实验结果是_ 。解析：本题就学生对科学探究基本过程的理解和掌握有一定的要求，包括自变量和因变量的关系，对环境条件的控制等等，另外，通过一系列的假设，让学生作出合理的判断也可以考查学生的逻辑思维能力和推理能力。三、掌握实验设计的基本理论（1）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：1、实验题目的确定 2、提出假说 3、设计实验方法和步骤4、提出实验的预期结果 5、观察现象、结果及数据的搜集及处理方法。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”、“实验对照类”、“实验材料用具”、“实验方法步骤”和“实验结论与讨论”等项目。在我们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。实验方法、实验对照类型则一般隐含在“方法步骤”里。例3：植物的向光性实验设计方案示例1、实验题目：植物的向光性实验。2、目的要求：观察植物在单侧光照射下的生长情况，验证植物的生长具有向光性。3、材料用具：植物幼苗(玉米、小麦等)、火柴杆、小花盆(或培养皿)、泥土、不透光的纸盒、台灯、剪刀。4、实验假设：依据植物生长的向光性原理，幼苗应朝纸盒开孔的方向生长，也就是向着光源的方向生长。5、实验预期：经过一定时间之后，幼苗将弯向光源生长。6、方法步骤：(1)用剪刀在不透光的纸盒一侧挖一个直径为1cm的孔，待模拟单侧光照射时使用。(2)将几株长势相同但真叶尚未出胚芽鞘的小麦幼苗依次排开，分别栽种在两个花盆中。在幼苗的旁边插一根火柴杆，作为对比的参照物。(3)将制作好的遮光罩扣住花盆(一组用不透光的纸盒，另一组用一侧带小孔的纸盒)，白天将装置置于阳光充足的地方，夜间以台灯代替光源，并使光从小孔中透入纸盒。(4)每天打开纸盒，观察幼苗的生长情况，记录下高度、倾斜角及当日温度、天气等情况，并间断地拍照，保留图片记录。但要注意，打开纸盒观察实验现象的时间应该尽可能地短，并保持透光孔的方向与前次一致。7、实验记录：将观察日期、时间、环境条件(温度、天气)、幼苗生长情况等列表记录。8实验结果和结论：分析实验结果，得出结论。（2）实验设计的原则：1、对照性原则在实验设计中，通常设置对照组，通过干预或控制研究对象以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素同非处理因素的差异。实验设计中可采用的对照方法很多，除了有阳性对照、标准对照、自身对照、相互对照之外，通常采用空白对照的原则：即不给对照组以任何处理因素。值得强调的是，不给对照组任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对对照组还是要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素。2、随机性原则实验设计中的随机性原则，是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。这样做的意义在于：一是可以消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；二是平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。3、平行重复原则平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。上述随机性原则虽然要求随机抽取样本，这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影响。平行重复的原则就是解决这个问题而提出的。4、单因子变量原则单因子变量原则，即控制其他因素不变，而只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响，即除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。学生在解答或实施设计实验时，往往忘却了一些基本原则，其原因很可能是我们平时习惯灌实验的结果。因此，在训练分析中教师多强调设计实验遵循原则的重要性与必要性。 （3）实验设计的一般方法： 实验方法说明了解题目要求题目给出的实验条件、材料用品是什么？要求回答什么？明确实验目的实验的最终目的，要解决什么问题。明确实验探究什么，论证说明，说明什么？分析实验原理即实验依据，为完成实验得出实验结论而应用的科学理论知识（源于学习过的基本概念、原理、规律等）。确定实验思路根据实验目的、原理而进行的思维过程，构建实验设计基本框架，是实验设计的蓝图。设计实验步骤有了思路，具体是怎样操作问题，设计步骤时，要遵循实验设计原则，一定要充分利用题目所给条件，并思考这些条件起什么作用和怎样运用。结果预测、分析结果的预测与分析是实验设计的终结，有画龙点睛的作用。预测要全面，考虑多方面的可能性，分析要科学、实事求是应具说服力。四、强化训练、提高技能生物实验设计训练，是培养学生实验设计能力的必经之路。学生在明确了完整的实验设计方案应该包括的内容和必须遵循的重要原则后，只有通过必要的实验设计训练，才能真正掌握实验设计的方法，提高实验设计能力。1、重点训练实验设计的思路实验设计的基本思路：（1）明确实验目的、实验原理及实验要求的基本条件；（2）精心策划实验方法、严格设计实验过程、合理设置对照或变量，并引入科学的测量方法；（3）能够做到有效预测实验结果、科学描述实验结果，并得出科学的实验结论。2、训练的内容：（1）设计实验方案：例4、请设计一个实验方案，证明ATP是直接的能源物质。要求：(1)自选器材试剂(2)写出实验步骤(3)预测实验结果(4)设置对照实验。这种题型要求学生根据题目的要求和给出的条件，确定跟书本相关的知识点涉及的实验原理，构思相关的生物情景，而后再设计便于操作的实验方案。这有利于培养学生想象能力、设计能力和创造能力。（2）设计实验步骤：例5：现提供新鲜柑桔个，塑料桶（篮）数个，松树针叶适量，蒸馏水、清水、无色透明保鲜袋若干，医用APC(保鲜剂)、温湿计、台式天平、量筒、空调机等。请你设计一个实验方案，在室温24的条件下，研究松树针叶是否有保鲜作用。此类题目要求学生根据给定的器材和药品以及实验提出的目的，设计或补全实验步骤。这类题目体现了高考题强调理论与实际结合，学以致用的特点，有利于学生全面掌握实验设计的方法、步骤。（3）设计实验改进方法：此类题目主要检查学生对实验设计的严密性和科学性的把握，并以此为媒介，引导解决问题的思路方法，进一步培养学生的科学素质和实验思维能力。题型如2004年理综天津卷的“种群密度的调查”(题略)。（4）综合实验设计型：例6：某地种、养殖品种及生产的某些因素如表：种植玉米、小麦、棉花、苹果养殖猪、鸡、牛、鸭施肥农家肥、化肥（25千克0亩）虫害玉米螟、粘虫、棉铃虫农药适量请依生态学原理，选择种、养殖生物各两种，设计一个良性循环的生态系统(以物质循环示意图方式展示，如有必要请做简要说明)。这类试题完全为开放性试题，其条件、方法和方案均具有不确定性。要求根据题型要求自行设计。学生通过专题性的实验设计练习，对实验设计的原理有了本质上的理解，训练了思维的独特性和文字表达的准确性，创新能力得到极大的提高，同时使学生对实验设计的情感得到了升华，最终对实验设计的兴趣发生了质的飞跃。五、回归教材、注重分析1、在实验复习教学中要求学生对“考纲”中列举的教材中的18个实验、实习和研究性课题进行全面复习，掌握每个实验的目的、原理、方法、步骤及实验现象、结果的解释与分析，明确实验设计的思路，训练科学思维。学生是否善于对实验现象和结果进行深入的分析，并从中得出正确的结论，是学生实验能力的重点表现。2、通过经典实验分析，阐述科学研究的步骤：教材中蕴含的大量有关实验设计的背景材料内容。如：细胞膜的分子结构、酶的发现、光合作用的发现、生长素的发现、肺炎双球菌的转化实验、艾弗里证明遗传物质是DNA的实验、遗传的基本规律的发现等等。分析科学家们是如何发现问题、提出问题、分析问题，如何选择实验材料、提出假设、设计实验、作出预期、得出结论的，从而激发学生探索生命科学的兴趣，并在轻松愉快的观察过程中既掌握知识、领悟科学的思想观念，又学习了科学工作的方法和技能，为实验设计打下坚实的基础 。例如，教材“基因分离规律”孟德尔一对相对性状的实验，可把这组实验分为4个组成部分，介绍每一部分的知识后，让学生归纳出科学研究的步骤，从而显示出科学研究的大致过程如下：经典实验的四个组成部分科学研究的步骤1、一对相对性状的实验观察实验，发现问题2、对分离现象的解释分析问题，提出假设3、对分离现象的验证设计实验，验证假说4、基因分离规律的实质归纳综合，总结规律再如分析生长素的发现实验，同样归纳出：探究性研究的一般步骤3、通过经典实验分析，掌握科学实验设计的原则：例如，“光合作用”专题复习，以探究的方法回顾光合作用史上的几个经典实验，这些实验无不体现出科学家精巧的构思和严谨的实验设计原则。如复习萨克斯的实验，列出一张表，不仅引导学生讨论实验的过程，还可引导学生分析实验设计的目的和原因：实验材料一张绿色叶片分 析一半另一半设置对照实验前处理放在暗处若干小时消除无关因素干扰实验处理暴光遮光施加实验变量一段时间后，脱色，用碘蒸汽处理控制其他变量现象变蓝不变蓝反应变量结论光合作用需要光表中可以清楚表明，实验设计需要设置对照。并通过分析，发现哪些是实验变量，哪些是反应变量，哪些是无关变量，设置单因子变量，控制无关变量，让学生理解这样设计实验的目的是避免无关因素干扰。5