高中生物实验设计专题学案.doc

高中生物探究性实验设计专题学案高中生物实验分两种类型，验证性实验和探究性实验（包括研究性课题），由于后者更能体现探究能力、实验设计能力和运用生物学知识和方法分析和解决实际问题能力；更能体现科学态度、科学精神和创新意识，是高考中为高校选拔人才的较好材料，近年来一直被沿用。由于缺乏实验设计的有关理论知识，平时的练习也偏少，因此，遇到这类题型，就会感到茫然。为解决这一问题，现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的类型作一介绍，以期增加理论知识，提高分析问题和解决问题的能力之目的。一、实验设计的基本内容 （一）实验名称或课题（是关于什么内容的实验）； （二）实验目的（要探究或者验证的问题或事实）； （三）实验原理（进行实验所依据的科学道理，隐含着实验假设和预期）；（四）实验材料和条件（进行实验的主要对象，完成该实验必备的仪器、设备、药品等）； （五）实验方法与步骤（实验采用的方法及必需的操作程序）； （六）实验测量或观察与记录（对实验过程及结果应有科学的测量手段、观察指标与准确的记录）； （七）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其原因）；（八）实验结论：对实验结果进行准确的描述并给出科学的结论。 二、实验设计的基本原则 （一）科学性原则。所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都要依据生物学基本知识和基本原理，不能主观臆造。如：酸碱度对酶活性的影响，酶的高效性实验的顺序等。 （二）单一变量原则 1、变量：或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为两类： （1）实验变量与反应变量。实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。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。例如，在“温度对酶活性的影响”的实验中，所给定的低温（冰块）、适温（37）、高温（沸水浴）就是实验变量。而由于低温、适温、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，该实验即在于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。无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量有干扰作用，例如，上述实验中除实验变量（低温、适温、高温）以外，试管洁净程度、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，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量或减少额外变量，以减少误差。 2、单一变量。在实验设计中仅仅改变实验中的某一项变量，其它因子不变，在此条件下，观察、研究该变量对实验材料和实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要做到前后一致。综合研究多变量时，也要求先研究一个变量，再研究另一个变量。 （三）对照性原则。对照是实验控制的重要手段之一，目的还是在于平衡或消除无关变量对实验结果的干扰。通过设置实验进行对照，可排除无关变量的影响，也可增加实验结果的可信度和说服力。 通常，一个实验可为实验组和对照组。实验组：是接受实验变量处理的对象组；对照组：也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组的差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型： 1、空白对照：指不做任何实验处理的对象组。例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。 2、自身对照：指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。 3、条件对照：指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如。“动物激素饲喂小动物”的实习实验，采用等组实验法，其实验设计方案是： 甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）； 乙组：饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）； 丙组：不饲喂药剂（空白对照组）； 虽然，乙组为条件对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量-甲状腺激素能促进小动物的生长发育。 4、相互对照：指不另设对照组，而是几个实验组相互进行对照，在等组实验法中，大都是运用相互对照，如“植物的向性运动”的等组实验中，5个实验组采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。对照实验设置的正确与否，关键就在于如何尽量去保证“其它条件的完全相等”。具体来说有如下四个方面：所用生物材料要相同 即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面特点要尽量相同或至少大致相同。所用实验器具要相同 即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。所用实验试剂要相同 即试剂的成分、浓度、体积要相同。尤其要注意体积上等量的问题。所用处理方法要相同 如：保温或冷却：光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。有时尽管某种处理对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但最好还是要作同样的处理。（四）可重复性原则。指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。目的在于尽可能消除无关变量所造成的实验误差，体现实验的准确性与科学性。 （五）可操作性原则。指实验材料容易获得，实验装置简化，实验药品便宜，实验操作简便，实验效果明显并能在较短时间内完成。从实验目的、实验原理到材料用品的选择、实验操作等，都要符合实验者的一般认知水平，满足现有的条件，具有实验和完成实验的可能性。 三、实验设计的基本思路 （一）准确把握实验目的：看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果，是探究性实验还是验证性实验。 （二）明确实验原理：要解决题目所给的问题，要用到生物学上什么原理（三）确定实验思路：根据原理对实验作出假设，并充分利用实验材料设计实验思路。 （四）精心设计实验步骤：根据实验目的、原理和思路，设计合理的实验装置和实验操作步骤。并设置好实验组和对照组，遵循实验设计的原则。并将观察到的现象如实进行记录。 （五）准确预期实验结果并分析得出结论：实验步骤一般不连续描述，要分段叙述；试管、烧杯等要给予编号。在叙述实验步骤及预期结果时结论时，语言文字要简明扼要，准确科学。三实验设计的具体方法实验设计往往是解答实验题的难点，但只要理清思路，找准方法和突破口，也能化难为易。实验的设计可遵循以下思路和方法进行。（1）首先确定实验目的，并对其去粗取精，提炼要点,确定是验证性实验还是探究性实验。（2）运用所学知识，找准实验原理，并要做到对原理理解透彻是实验设计的依据理解实验原理对实验设计的重要作用，每一个生物实验材料的选择、实验装置的确定、实验步骤和实验方法的安排都不是随意的、盲目的，而是有其实验原理作为依据的。实验现象和实验结果的预期也是依据实验原理而作出的。（3）根据实验原理，对照实验目的，通过初步分析，在头脑中搜寻教材上或曾做过的实验模型，初步形成大致方案，实验设计大多与单因子变量和对照实验有关。（4）结合实验所给的条件，选取适当的方法（可操作性原则），开始草拟具体步骤方案，设计具体步骤后，要顺藤摸瓜，通过实验结果（现象）的判断，分析综合得出实验结论。（5）回归检验。看看自己设计的实验是否存在科学性原则，紧扣实验原理来进行分析；是否有遗漏的地方；是否还有其它可能性存在，即检验实验的严密性、科学性问题。实验设计的检验过程最终应该对照实验原理，回归实验目的。（6）实验设计中反应变量的确定和控制 生物实验设计中，反应变量的确定非常重要，因为任何一个科学实验的结论都是从反应变量所表现出的数量、质量或状态的事实中推导或分析出来的。生物实验中很多反应变量就是实验条件。设计实验时，应该根据实验目的和实验原理来确定对实验结果有影响的反应变量。 同时，对其他无关变量或非研究变量应进行控制。对变量的控制所要遵循的原则是对照原则，即控制其他因素不变，而只改变其中一个因素（反应变量），观察其对实验结果的影响。通过对照的建立，达到对变量的控制，这是生物实验设计的灵魂。 （一）.实验材料的选择(1)“观察洋葱根尖细胞的有丝分裂实验”和 “质壁分离和复原实验”都用洋葱，两者的取材部位分别是 、 ，可否互换？为什么？(2)“还原性糖的鉴定实验”对材料的要求是 、 。该实验可否选择小麦、甘蔗等含糖较多的植物组织？(3)某生物学习小组对动物在空腹状态和进食后血液中是否含有葡萄糖进行了实验研究。他们从一健康的成年狗身上采集了以下实验材料：a：空腹时的血液 b：进食一小时后的血液 注：材料a、b 都加入了柠檬酸钠（一种防凝剂）请问:材料a、b必须进行如何处理才能用斐林试剂检验？为什么要进行该项处理？参考答案(1)根尖的分生区细胞、紫色的洋葱鳞片叶 不能互换，因为前者能进行旺盛的有丝分裂，后者是已经分化的细胞，含有大的液泡。(2)白色、无色或接近无色或白色 含有可溶性糖 不能选择，原因小麦、甘蔗内含有蔗糖，不是还原性糖。(3)两者都得离心（或静置24小时），取上清液 血液呈红色，会影响还原性糖与斐林试剂发生反应生成的砖红色沉淀，不便于观察颜色反应。【知识小结】 (1)科学合理 ，简便易行，有典型性和代表性。(2)数量足够多（避免量少给实验带来偶然性误差）(3)实验组和对照组应等量材料等量（种类、数量、生理状况等）处理方法等量（温度、光照、时间等（二）.实验步骤的书写 三步曲(1)材料器具的准备：包括分组、编号、非条件处理等取两套规格相同的器材(或取长势相同的某种生物材料随机平均分成两份)分别标记为A、B，并分别加入等量的本步骤强调分组的等量性原则(器材的规格、生物材料的长势、分组的数量和随机性等)，编号可以针对实验器具，也可以针对实验材料，有的非条件处理需在条件处理之后，则需写在第二步。(2)设置实验组（有单一变量）和对照组（无）在A组中加入适量的在B组中加入等量的本步骤强调对照性原则、各对照组条件处理的等量性原则，通过“适量”和“等量”表达出来。在具体的实验设计中，可用具体的量，如“在A组中加入2 ml在B组中加入2 ml”。需要注意的是：一组加入试剂时，如另一组不需加入试剂，则必须加等量的蒸馏水或相应不影响实验结果的溶液；如果用试管做实验，实验中加入试管的各溶液的总量一般不超过10 mL。另外，要注意单一变量原则，即本步处理的变量只能有一个。(3)放在相同且适宜的条件下培养，一段时间后观察现象和结果 将两套装置放在相同且适宜的环境中培养一段时间(或相应方法处理，如振荡、加热等)。本步骤强调各对照组外界处理的等量性原则，两套装置必须放在相同且适宜的环境中，这样的实验结果才有可比性。培养的时间可根据具体的实验确定，也可以用“一段时间”描述。（注意：a.最佳的书写步骤是；b.规范性语言准确地描述。）（三）.实验结果的获取（1）直接观察法 观察植物细胞质壁分离与复原、观察植物细胞的有丝分裂等（2）化学法、物理法鉴定淀粉的方法： 碘液鉴定可溶性还原糖： 斐林试剂或班氏试剂鉴定脂肪： 苏丹染液或苏丹染液鉴定蛋白质： 双缩脲试剂鉴定DNA： 二苯胺试剂或甲基绿试剂追踪物质运行和变化过程： 同位素标记法（3）生物特性光合速率 单位时间氧气的释放量或二氧化碳的吸收量或淀粉生成量呼吸速率 单位时间二氧化碳的释放量或氧气的吸收量或淀粉减少量生长速率 植物株高 、干重或动物身高、体重动物代谢速率 A.一定时间内耗氧量 B.消耗一定氧气所需的时间某物质对生物的毒性 种子的发芽率或植株染病情况动物寿命、染病情况常用的观测指标1.物理化学特性：颜色反应、有无气泡、沉淀等。2.生物特性：生物形态结构、生理、生长发育等。【知识小结】 1.文字描叙：注意提取题干中对解题有用的关键信息。2.表格：（1）准确找出实验的自变量（反应条件等发生改变的量）和因变量（随着反应条件改变而改变的量）（2）要看清数据的变化规律（上升、下降）；注意特殊数据（最多、最少、平均，总和等，尤其0） 想清道理。3.坐标曲线：（1）注意横、纵坐标的变量及单位；（2）曲线的变化趋势（如升、降）及原因；（3）特殊点的意义：交点、折点、最高点、最低点等。四、生物实验设计题解题策略 （一）生物高考实验设计的三种题型虽然在形式上有一定的差异，但在答题中却有共同点，先要认真研究课题，找出其中的实验变量和反应变量，其次是构思实验变量的控制方法和实验结果的显示方法，最后再选择适宜的实验材料，在注意实验步骤逻辑性的前提下表达实验的方法步骤。在实验方法和步骤设计中最重要的是把握好变量控制。 （二）重视课本实验的复习，掌握书本知识是提高实验设计能力的基础。要熟悉教材，心中有书。题在书外，理在书内。因此要深入理解与灵活应用基础知识。在考试说明中明确提出了，要求“理解所学实验的实验内容，包括实验原理、方法和操作步骤、实验变量的控制、掌握相关的操作技术”。（三）挖掘课本中所蕴含的实验因素，深刻领会教材有关实验的本质与特点是提高实验设计能力的前提。要认真分析教材所涉及的实验，包括学生实验，演示实验，经典实验等。生物学的每一个知识结论都是在观察、实验的基础上得出的，在平时的复习中要注意多挖掘知识结论中所蕴含的科学思想和方法，深入分析实验的条件、过程、现象、结果和结论的科学性。例：生长素的发现过程中，涉及生长素产生的部位、感光的部位、作用的部位、运输的方向等，这些都可以思考如何设计实验来证明。 （四）学会对已知实验进行变换和转化是提高实验设计能力的有效手段。求变、求异思维的发展有助于提高实验设计能力。善思会变才能应答自如，通过换位思考提高素质，才能将所学知识，技能迁移到新情景中来，才能依据实验目的、原理和材料安排实验步骤等，并作出分析、评价和结论。五、实验设计的基本题型示例 类型一：设计实验方案型。给出实验用具、材料、药品、实验目的，或只给实验目的，实验器材自选，设计实验方案。 例根据下述条件设计一个实验，鉴别两种不同浓度蔗糖溶液，写出实验步骤并分析结果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml烧杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，细线一根，支架l个。(一)实验步骤： (二)结果分析： 解析本实验是考查渗透作用的原理和动手设计实验的能力，解题的关键是如何利用透析袋和两种液体形成一个渗透系统。当将两种液体之一放入透析袋，另一液体放入大烧杯中，然后将盛放液体的透析袋用线扎实(插入刻度玻璃管)并浸浴在烧杯的液体中时，由于两液体具有浓度差，水分子便通过透析袋发生渗透作用，观察刻度玻璃液面数值变化即可将二者区别开来。根据实验设计理论，把所给器材的作用分析清楚，有助实验设计思路的形成。 答案(一)实验步骤：将一瓶中的液体倒入烧杯中；将另一瓶中的液体倒满透析袋，刻度玻璃管插入袋内液体中，用线将袋口和玻璃管扎紧；将插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液体的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管液面刻度；一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面上升还是下降。 (二)结果分析：如液面上升，则透析袋中的溶液为30%蔗糖溶液，烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液。反之，可推测透析袋中是10%蔗糖溶液，烧杯中的液体是30%的蔗糖溶液。 类型二：补充完善型 对已有的实验设计进行补充和完善。 例向你提供的条件仅有健康活泼的家兔一只，75%酒精、无菌干棉球、解剖刀、洁净的载玻片10块(编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、红墨水、秒表，请在上述提供的条件范围内，设计一个测定血液凝固时间的实验。 实验步骤：用酒精棉球消毒兔耳；用消毒解刮刀剖开兔耳边缘的小静脉； 请将实验步骤补充完整： 解析这类题目的题干中已经提供了一定的信息，基本上划定了答题的模式，目的明确，前面的方法步骤等信息已为续答作了铺垫，只要明确题目中的实验变量和反应变量，然后设计对照组，再根据有关原理分析，一般就能比较正确地写出答案。本实验设计方案很巧妙地看出血液是否凝固。 答案把从刀口流出的血液分别在ABCDEFGJIL10块载玻片上滴一滴(第一滴血弃去不用)；取血后对兔耳刀口外进行消毒止血；在L载玻片上滴一滴红墨水(起对照作用)；开始记录时间，过l分钟后将A载玻片竖立，第二分钟后将B载玻片竖立(在它们竖立的同时，都将L载玻片竖立)，其余类推，看血液是否完全凝固(血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改变为凝固)；血液完全凝固，而墨水仍然流动，即为血液凝固时间。类型三：纠错完善型例某同学由温度能影响酶的活性联想到温度能否影响甲状腺激素的活性。为了探索这一问题，他做了一个实验。实验步骤如下： 取三只相同的洁净玻璃缸，编号为l、2、3，分别装上等量的蒸馏水、河水、自来水。取发育状况不同的15只蝌蚪，分成三等份，分别放入1、2、3号玻璃缸中，三只玻璃缸放在相同的适宜外界条件下培养。每天同时向l、2、3号玻璃缸中分别投入普通饲料、常温 (25)下的甲状腺激素制剂拌匀的饲料、用60温水处理1小时的甲状腺激素制剂拌匀的饲料。每隔一段时间测量、记录，并比较蝌蚪的发育状况。(1)在实验步骤的叙述中，存在一些不妥或不严密之处，请指出并加以改正；(2)预测实验现象及结论；(3)通过上述正确修改后的实验，能体现出实验设计应遵循的基本原则之一是 。