教你生物實驗設計技巧 拿足中檔分力爭高分湖南省藍山縣第二中學 朱建標 主講在近幾年的高考中常有實驗設計題出現。有的是設計實驗的全過程，有的是修正實驗設計的不足。如何才能解答好生物實驗設計題，這是在高考中能否拿足高分的關鍵呢!下面為大家提供生物實驗設計題的解題思路和設計技巧，以便進行教學訓練或復習解讀，愿你高考時靈活運用，充分發揮，拿足中檔分，力爭高分。教學目的：通過實例分析，掌握實驗設計的基本原則和實驗設計的基本方法，提高實驗設計的能力。教學重點：實驗步驟的設計教學難點：實驗設計中的實驗變量、實驗條件(無關變量)的控制、測量方法及語言表達。一、實驗設計題型 實驗題型大致分為實驗分析型、實驗糾錯型、驗證實驗型、實驗設計型四大類。而實驗設計題是當前高考的熱點題型，體現了對學生綜合能力的考查(分析、理解、信息處理、語言文字表達、開拓創新等)。根據近年高考的命題，實驗設計可分為開放型(只給出課題，自選材料、試劑、用具等，設計實驗方案)；限制型(給出課題、原理、材料、試劑、用具等，設計實驗方案)；改進型(分析所提供的實驗方案，其中不完善之處提出改進方案)；補充型(要求學生對實驗過程中的個別方面進行科學的補充)等題型。無論哪種題型，在解答實驗設計題時必須遵循實驗設計的原則。二、實驗設計內容 一般一個完整的實驗設計應包括以下項目：實驗原理；藥品儀器；實驗假設；預期實驗結果；設置實驗分組(單組實驗法、等組實驗法、輪組實驗法等)；實驗步驟(可以多種多樣，只要合理即可)；觀察、收集數據；分析結論。實驗設計的內容一般有實驗設計原則、方法步驟和觀測指標三部分，學生掌握了這三部分的內容，就可以設計出具有科學性的實驗。觀察指標(定性、定量)種類：特別顏色、常常反應、有無氣泡、氣味產生、形態結構、生理選擇性、生長發育速度等；要求：對人無害性、易測性、特異性、靈敏性、合理性等。三、實驗設計的基本原則實驗設計原則主要有實驗目的性、科學性和嚴謹性三項。目的性就是設計實驗必須圍繞課題或針對課題目的進行，即不會跑題。科學性就是設計的實驗必須符合生物科學的原則。嚴謹性主要注意實驗設計時要控制變量設置單一變量和設置實驗對照。1、對照性原則 實驗設計時為了排除無關條件的干擾，常常要設置對照實驗，達到“變量 -結論”的必然，舍棄無關條件所產生的非本質特征。如在“唾液淀粉酶促進淀粉水解”實驗設計中，運用與唾液等量的清水作對照，排除了“淀粉本身就可以在水溶液中快速水解”這一非本質的特征。設計實驗對照可以有多種方式，如空白對照(指不做任何實驗處理的對照組)、相互對照(指不加設對照組，而是利用幾個實驗組相互對照)、自身對照(指實驗和對照在同一對象上進行，即不另設對照組)、條件對照等(給實驗組某種處理，給對照組另一條件的處理，給對照組施以部分實驗因素，但不是所要研究的實驗因素)。2、單一變量原則 即單因子變量原則，指控制其它因素不變，而改變其中一個因素，觀察其對實驗結果的影響。如“探索溫度對酶活性的影響”時，只能改變反應的溫度，其它如PH值、酶的嘗試等條件均要求完全一樣。設置單一變量即對照組和實驗組只能有一項條件不同，其他條件都應相同，還應考慮是否有額外變量影響實驗結果。3、平行重復原則 指控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復，這是具有科學性的標志。實驗雖然要求隨機抽取樣本，這能夠在相當大的程度上抵消非處理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影響。平行重復的原則就是為解決這個問題而提出的。例如：為了“證明土壤中的微生物能分解農藥”，必須將土壤分為兩等份，裝入兩個大小相同的容器，一個高溫滅菌，一個不做處理，造成一個容器中的土壤中無生活的微生物，一個容器中的土壤中有生活的微生物。然后進行實驗，才能說明問題。這就是設置對照原則。在實驗時，讓兩個容器中的土壤在一切其他條件都相同的情況下進行實驗，惟獨不同的只是一個容器中的土壤中有微生物，一個容器中的土壤中無微生物，有無微生物就成了這一實驗的單因子變量。這就是單因子變量原則。在實驗時，有些情況的出現是有偶然性的，多做幾個對照實驗，出現相同結果，更有說服力，更具科學性。讓這幾組實驗裝置在相同條件下同時進行，這就是平行重復原則。四、 實驗設計的基本方法步驟1、明確實驗目的： 認真審題，找到關鍵詞，搞清實驗要探究什么問題(課題)，即明確實現本實驗目的。一般從題干(課題)中或后面的實驗原理方法步驟中可以弄清楚。2、分析實驗原理：實驗所依據的科學道理、規律。解生物實驗設計題時，一定要認真審題。在審題中最關鍵的是要明確實現本實驗目的的科學原理。例如2000年理綜高考實驗題中“血液中的鈣離子在血液凝固過程中起重要作用，缺乏則血液不能凝固。”這就是本實驗的根本原理。遵循這一原理，設法除去血液中的鈣離子和添加鈣離子，形成有無鈣離子的對照，這樣設計實驗的方向就不會錯。此題中“草酸鉀溶液能與血液中的鈣離子發生反應，形成草酸鈣沉淀，起抗凝作用”。這只是一條除去血液中鈣離子的原理，只是解決實驗中某一問題所需運用輔助性原理。3、確定實驗思路：實驗設計的基本思路是：首先，明確實驗目的、實驗原理及實驗要求等基本條件；其次，精心策劃實驗方法、嚴格設計實驗過程、合理設置對照或變量，并引入科學的觀測方法；最后，能夠做到有效預測實驗結果、科學描述實驗結果，并得出科學的實驗結論。如在明了確探究性生物學實驗要求、目的后，遵循實驗設計“操作方便，程序合理，藥品節約，依據現象推測結論”的原則，設計探究性假設可分為三步驟進行：實驗準備，包括必要的實驗器材及實驗藥品的準備；設計對照實驗。滿足條件X設計一個實驗，觀察事件P能否發生；條件X改變設計一個實驗，觀察事件P能否發生，發生的程度如何？疏理，實驗是否遵循“單因子變量”、“平行重復”原則。4、設計實驗步驟： 在明確了實驗目的和實驗原理，選準實驗材料，遵循實驗原則做出實驗假設后，就應該編制一個嚴密、科學的實驗程序進行實驗。對于編制的實驗程序，須要仔細推敲，形成一個最優化的程序，使實驗科學、簡捷、明了地進行。設計時要求準確運用實驗材料支持實驗。用實驗材料應有所講究，否則將不能支持你的實驗結論。例如想證明“微生物的營養要素必須有氮源”。我們需做一個對照實驗：一個培養基中加入氮素，一個不含氮素。于是為你提供兩種實驗材料，一是NH4NO3、一是人尿。這時你不能認為人尿來的容易，又含有尿素等含氮的有機物，就用人尿作氮源，因為人尿中還含有無機鹽等多種成分，說明不了本實驗的結論。在選定最優程序中有的步驟可同時進行，那就可用統籌法，讓要等待的步驟先做，接著穿插下一步實驗，以節約時間，同時也要盡量減小因時間過長而帶來的不良影響。在設計實驗步驟時，還應注意：題目中給出的實驗試劑和材料一般應充分利用，除非題目條件允許，否則不要隨意增加或更改實驗試劑和材料。5、 實驗結果的預期、分析和討論：要求運用實驗原理和假設，推導分析出實驗的結果或對實驗組與對照組作出預期的分析討論。探究性實驗的設計一般規律(預期結果)是：(1) 若條件X存在事件P能發生，條件X改變事件P不能發生(或發生程度改變)，結論是_。(2) 若條件X存在事件P能發生，條件X改變事件P能發生(或發生程度改變)，結論是_。(3) 若條件X存在事件P不能發生，條件X改變事件P能發生(或發生程度改變)，結論是_。例如： 現有一種植物的種子，已經知道它的萌發受水分、溫度和氧氣的影響，但不了解其萌發與光是否有關。為探究光的有無對該種子萌發的影響，請你依據所給材料和用品設計實驗的方法步驟，預測可能的實驗結果，并分別得出相應的結論。方法步驟：_；_。可能的結果及相應的結論：_；_；_。解析：根據題目要求可知，“水分、溫度、氧氣”是條件X；“水分、溫度、氧氣、光照”是變化的條件X。因此可作出理論假設：“當水分、溫度、氧氣條件滿足時，種子可能萌發，也可能不萌發；當水分、溫度、氧氣、光照條件滿足時，種子可能萌發，也可能不萌發”。設計如下：取A、B兩組培養皿，倒入適量的水，將等量的種子分別放入兩組培養皿中(實驗準備)；將A組置于黑暗的環境中，B組置于有光環境中，培養過程中使兩組水分、溫度、氧氣的狀況適宜且相同。A組實驗組與B組對照，符合“單因子變量”“平行重復”原則。實驗結果及相應的結論：A組萌發，B組不萌發(或A組發芽率高于B組)，光抑制該植物種子的萌發；A組萌發，B組也萌發(或發芽率差異不顯著)，該植物種子萌發不受光的影響；A組不萌發，B組萌發(或A組發芽率低于B組)，光是該植物種子萌發的必要條件之一。五、實驗設計的表達 在理清實驗方案的內容后，要求用恰當的語言、圖表來表達，這也是非常重要的一個環節。一般對實驗方法步驟的表達應包括下列三個基本環節：設置分組，控制變量；對照處理，排除干擾；觀測指標，結果分析。表達要充分運用生物學的科學術語，同時也可以結合圖表輔助說明，將實驗方案科學、簡潔地表達出來。這樣可通過完美的回答來展示自己的能力。但答題時關鍵要注意在用詞上講究科學、準確。例如“假設牛毛的黑色對棕色是顯性，現有一匹黑色公牛，想在一個繁殖季節中測定出是純種還是雜合子，請設計檢測辦法”。如果同學是這樣回答“在這一繁殖季節，讓這匹黑色公牛與一匹棕色母牛交配，若生出棕牛，則為雜合子；若只生出黑牛，則為純種。”這樣回答大方向是正確的，但關鍵字眼上用詞不當，反映學生思維的不全面或缺乏一些必要的常識。應該改為“讓這匹黑色公牛與多匹棕色母牛交配”。用“多匹”兩字，答題的科學性就躍然紙上。因為黑色公牛與多匹棕色母牛交配，才有較多的機會出現棕牛，牛一般一胎一頭，沒有一定數量的后代，就可能出現不了棕牛，從而導致你做出錯誤的判斷。以上只是解答一般綜合實驗設計題的基本思考方法。在解題過程中，應根據實驗設計題的具體情況和要求，作出正確的回答。希望通過這樣的實驗專題復習，再加上配以適當的習題輔助練習，你在實驗設計及基礎知識掌握方面肯定會有不少的收獲，也會在高考的實驗題考試中取得滿意的效果。六、實例解讀分析例1、酶是生物催化劑，其催化效率受溫度、酸堿度和激活劑等因素的影響，并已知Na+對酶的催化效率無影響。為了驗證氯離子是唾液淀粉酶的一種激活劑，請使用一定的用具和材料設計一個實驗方案。分析與思考：1、明確目的和要求：驗證氯離子是唾液淀粉酶的一種激活劑。2、分析實驗原理：唾液淀粉酶催化淀粉的水解、淀粉遇碘變藍。3、確定實驗思路：實驗材料及用法：淀粉糊、稀釋的唾液、蒸餾水、適當濃度的NaCl溶液、碘液、試管等。測量方法： 實驗開始時滴加碘液，觀察比較淀粉糊褪色的快慢。實驗一段時間后滴加碘液，觀察比較淀粉糊藍色的深淺。（定性？定量？）4、設計實驗步驟：實驗變量：氯離子的有無(對照)無關變量：相同：NaCl溶液和蒸餾水的量、碘液的量、唾液的量、淀粉糊的量等。 適宜：溫度、PH值等條件。實驗步驟：簡便性、可行性、嚴謹性、安全性和精確性。設置對照(控制實驗變量)，嚴格控制實驗條件(無關變量)，編制科學嚴謹的實驗程序。參考答案： 取甲、乙兩支試管，分別加入等量的淀粉糊，向甲試管加入適量的0.01mol/LNaCl溶液，向乙試管加入等量的蒸餾水，然后同時向兩支試管加入等量的稀釋唾液。在適宜的溫度條件下，向兩支試管中各加入1滴碘液，觀察比較看哪支試管里藍色較快褪掉。結合上題拓展分析下列實驗方案能否達到實驗目的？方案1、取甲、乙兩支試管，分別加入等量的淀粉糊，向甲試管加入適量的0.01mol/L的HCl溶液，向乙試管加入等量的蒸餾水，然后同時向兩支試管加入等量的稀釋唾液。在適宜的溫度條件下，向兩支試管中各加入1滴碘液，觀察比較看哪支試管里藍色較快褪掉。 不能，因為試管中溶液的PH不同，不能形成對照。方案2、取甲、乙兩支試管，分別加入等量的淀粉糊，向甲試管加入適量的0.01mol/LNaCl溶液，向乙試管加入等量的自來水，然后同時向兩支試管加入等量的稀釋唾液。在適宜的溫度條件下，向兩支試管中各加入1滴碘液，觀察比較看哪支試管里藍色較快褪掉。不能，因為兩試管中都有氯離子，而且兩試管中溶液的PH不同，不能形成對照。5、 預期結果、分析和討論若甲試管比乙試管褪掉藍色快，則說明氯離子是唾液淀粉酶的一種激活劑。若甲乙兩試管同時褪掉藍色，則說明氯離子與唾液淀粉酶的活性無關。若甲試管比乙試管褪掉藍色慢，則說明氯離子抑制唾液淀粉酶的活性。例2、現有相同的玻璃器皿苦干，自然清水，同種同齡的、發育狀態相同的小蝌蚪30只，飼喂蝌蚪的飼料，未經處理的具有生物活性的甲狀腺激素，在50條件下處理10分鐘的甲狀腺激素。若要驗證甲狀腺激素經過50條件下處理后，是否還有生物活性。請根據現有條件，完成以下的實驗設計。(1) 實驗方案：取三個玻璃容器，按下表進行實驗操作。編號實驗處理方法甲組( )+飼料乙組等量清水+10只蝌蚪+飼料+未經處理的甲狀腺激素丙組等量清水+10只蝌蚪+飼料+( )(2) 以上實驗方案中屬于空白對照組的是_組。(3) 實驗結果：預測甲乙丙三組蝌蚪發育成青蛙的速度，并得出相應的結論。_。_。_。參考答案：(1)等量清水+10只蝌蚪 經50處理的甲狀腺激素 (2) 甲(3) 若乙=丙甲，說明經50處理的甲狀腺激素完全有生物活性。 若乙丙甲，說明經50處理的甲狀腺激素有部分生物活性。若乙丙=甲，說明經50處理的甲狀腺激素完全失去生物活性。上題實驗步驟設計的分析與思考 實驗要設置幾組，體現了什么原則？一組 (缺點：不具備對比性，沒有說服力)二組 方案一： 一組加甲狀腺激素，另一組加處理過的甲狀腺激素(缺點：只能確定變，還是不變。不能確定活性是否還具備)方案二： 一組加處理過的甲狀腺激素，另一組不加任何試劑 ( 缺點：只能確定活性是否還具有，不能確定活性變強還是變弱)三組 一組加甲狀腺激素；一組加處理過的甲狀腺激素；一組不加任何試劑(優點：不僅能確定活性是否還具備，還能確定活性變強還是變弱) 體現了對照原則 三組試驗中，除了所加的試劑不同以外，其他條件都相同而且合適，有什么意義？體現了什么原則？分析：這樣能均衡無關因子對實驗結果的干擾，使結果更具說服力。體現了單一變量原則。 蝌蚪的數量為什么不是一只而是數十只，有什么意義？分析：這樣能夠排除偶然因素的干擾。 實驗設計技巧：找目的、作假設、設對照、控條件、析結果、得結論練習：1、在普通飼料中加入添加劑可以加速家禽和家畜的生長和增重，某飼料公司新近開發出兩種新穎飼料添加劑1號和2號，委托某生物學小組試驗這兩種飼料的效果。請為該小組設計一試驗方案，方案中應包括：(1)試驗具體步驟；(2)用直角坐標圖直觀地表示和比較實驗結果；(3)試驗要在5周內結束。實驗室有一批體重5g左右的小白鼠，可按需選用作為試驗動物。2、某生物興趣小組開展“不同濃度生長素類似物對種子萌發和幼苗生長的影響”的課題研究，教師已經為他們準備了一定濃度的生長素類似物溶液和蘿卜種子。假如你是其中一員，請回答：(1) 要測定生長素類似物對種子萌發和幼苗生長的影響，你可以采用的測量指標是_、_等。(2) 做該實驗時，如何設置對照組？_。(3) 設計一張表格，用于實驗時記錄數據。去掉幼葉觀察葉柄脫落情況3、同學甲從一本植物生理學書中查到“細嫩葉片可產生生長素，生長素可阻止葉柄脫落”的結論。于是他設計了如下實驗，想驗證該結論。第一步：取一盆生長狀況良好的植物，去掉嫩的葉片(如圖所示)；第二步：觀察幼葉葉柄的脫落情況。同學乙在仔細研究了甲的實驗設計方案后，向他提出了兩點意見。請你用所學的生物學知識，把同學乙提出的意見補充完整。(1) 在去掉幼葉片的同時，還必須去掉_，因為_。(2) 應增加一個對照組，該對照組設置為：取同一品種、生長狀況相同的植株，然后保留幼葉并作_處理，同時觀察幼葉葉柄脫落的情況。同學丙認為同學乙的補充還不能證明是“幼葉產生的生長素阻止了葉柄的脫落”，還應該再增加實驗組。你若認為同學丙的意見對，請寫出同學丙再增加實驗組的設計方案：_。參考答案：(1)頂芽；頂芽能產生生長素，向下運輸到達葉柄處。(2)去掉頂芽。設計方案：取同一品種、生長狀況相同的植株，然后去掉幼葉葉片，并去掉頂芽，再將含有適宜濃度生長素的瓊脂塊放到葉柄的斷口處，同時觀察幼葉葉柄脫落的情況。附：實驗題型1 實驗分析型實驗分析型題型又有兩種，一是對實驗原理的分析，如：請設計一個實驗，觀察洋蔥表皮細胞質壁分離后的自動復原現象。推薦器材：顯微鏡、載玻片、蓋玻片、紫色洋蔥、吸水紙、滴管、清水、質量分數為30%的蔗糖溶液、質量分數為10%的KCl溶液、質量分數為5%的酒精溶液等。實驗原理：。實驗步驟：（略）日溫（）夜溫（）1117233033.219.92330.724.915.81716.810.9二是對實驗結果的分析，如：將生長狀況相同的同一種樹木的幼苗分成苦干組，分別置于不同日溫和夜溫的組合下生長（其他條件相同），一定時間后測定幼苗的平均高度（cm），結果如下表(注：標“”表示該組未做實驗)。請據表回答下列問題：（1） 幼苗生長最快的溫度組合是：日溫，夜溫。幼苗生長最慢的溫度組合是：日溫，夜溫。（2） 出現上述結果的原因是。2實驗糾錯型實驗糾錯型也分為兩種，一種是糾正實驗操作錯誤，如在做“葉綠體中色素的提取和分離”實驗時，操作情況如下所述，結果實驗失敗，請指出其錯誤所在：（1） 將5g新鮮的菠菜葉片，放入研缽中，加入丙酮、石英砂、CaCO3 以后，迅速研磨。（2） 用毛細管吸取少量的濾液，小心均勻地劃出一條濾液細線，并連續迅速地重復劃23次。（3） 把劃好細線的濾紙條插入層析液中，并不斷搖晃，以求加快色素在濾紙條上擴散。另一種糾正實驗方案錯誤，如為證實“二氧化碳是光合作用合成有機物必需的原料”，某同學制訂了下列實驗方案：（1） 實驗目的（略） (2)實驗材料和用具（略）(3)實驗方法和步驟：用一適當大小的玻璃罩，罩住一株生長正常的盆栽綠色植物和一杯NaIH溶液，密封不漏氣；將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內貯藏的有機物，暗室內裝有紅色安全燈；饑餓一定時間后，從暗室中取出，照光苦干小時，使其充分進行光合作用；取一葉片，放入盛有酒精的燒杯中，水浴加熱，使葉綠素溶解于酒精中；將已脫綠的葉片取出，平鋪在一個小培養皿內，用碘碘化鉀溶液檢測有無葡萄糖的特異顏色反應出現。 該實驗有幾項明顯錯