實驗設計與分析講座第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日近年來的生物學高考中，實驗設計與評價題已經成了一種熱點題型。實驗設計與評價題側重考查學生的實驗能力、思維能力和創新能力等各方面的能力，以及進行科學實驗的思想和方法，能較好地體現新課程的教學理念，有利于指導新一輪教育課程改革，以適應現代社會對人才需要的發展。實驗設計題的能力要求高，難度大，在平時練習中，一直存在著學生怕做實驗設計題，一遇到實驗設計便愁眉苦臉,難以下筆的現象。在高考備考中，如何提高學生的生物實驗設計與評價能力呢？第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日一、明確高考考試大綱要求：2005年高考生物學科考試大綱能力要求第3條明確指出，理解所學實驗、實習的內容，包括實驗目的、原理、方法和操作步驟，掌握相關的操作技能；具備驗證相關生物學事實的能力，并能對實驗現象和結果進行解釋、分析和處理；能對一些生物學問題進行初步的探究性研究。第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日實驗能力要求可分兩個層次：（1）會觀察、分析和解釋實驗中產生的現象、數據并得出合理的實驗結論，具備驗證簡單生物學事實的能力。（2）靈活運用已學過的自然科學理論，設計簡單的實驗方案，理解探索性實驗的一般方法。第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日二、了解高考實驗試題類型：

研究近幾年來高考題中的實驗題可以發現，實驗設計、評價的理解能力、實驗條件的控制和對實驗結果的歸納、總結能力是現在考察的重點方向。且考察中學生“未證實過的”實驗問題材料是命題的主要來源，涉及實驗的題型主要是設計探究驗證型和分析推理判斷型實驗題。第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日（1）設計探究驗證型依據實驗目的，來設計實驗過程、預測實驗結果的試題。例1：(04年全國新課程卷1)31.（20分）胰高血糖素對小白鼠和人具有相同的生理作用。為了驗證“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，請以小白鼠為實驗對象設計實驗步驟，預測和解釋實驗應出現的結果，并寫出實驗結論。第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日（一）實驗材料和用具：正常實驗小白鼠2只，生理鹽水，用生理鹽水配制的適宜濃度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性試劑，注射器，試管，燒杯等。（二）實驗步驟：（實驗提示：采用腹腔注射給藥，給藥劑量不作實驗設計要求；給藥1小時后，用注射器在小鼠膀胱處穿刺取尿液。）第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日（三）實驗結果的預測、解釋和結論解析：本題是一道典型的常規對照實驗設計類試題，雖然開放性很強，但由于給出了實驗提示，應該說難度不是很大，只是對學生的文字描述能力和思維的合理性提出要求。不過最后對尿液中葡萄糖的檢驗是一個對物質鑒定知識的聯系，需要學生能夠自然而然地聯想并設計出來，這對思維的縝密就有了相當高的要求。第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日（2）分析推理判斷型依據所提供的實驗，分析其中原因或得出正確的實驗結論例2：（04北京卷）（15分）一種以地下莖繁殖為主的多年生野菊分別生長在海拔10m、500m、1000m的同一山坡上。在相應生長發育階段，同一海拔的野菊株高無顯著差異，但不同海拔的野菊株高隨海拔的增高而顯著變矮。為檢驗環境和遺傳因素對野菊株高的影響，請完成以下實驗設計。第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日（1）實驗處理：春天，將海拔500m、1000m處的野菊幼芽同時移栽于10m處。（2）實驗對照：生長于__________m處的野菊。（3）收集數據：第二年秋天_______________。（4）預測支持下列假設的實驗結果：第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日假設一：野菊株高的變化只受環境因素的影響，實驗結果是：移栽至10m處野菊株高_________假設二：野菊株高的變化只受遺傳因素的影響，實驗結果是：移栽至10m處野菊株高_________假設三：野菊株高的變化受遺傳和環境因素的共同影響，實驗結果是____。第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日解析：本題就學生對科學探究基本過程的理解和掌握有一定的要求，包括自變量和因變量的關系，對環境條件的控制等等，另外，通過一系列的假設，讓學生作出合理的判斷也可以考查學生的邏輯思維能力和推理能力。第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日三、掌握實驗設計的基本理論第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日（1）實驗設計的內容一個比較完整的實驗設計方案，一般包括以下幾方面的內容：1、實驗題目的確定2、提出假說3、設計實驗方法和步驟4、提出實驗的預期結果5、觀察現象、結果及數據的搜集及處理方法。第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日書寫實驗設計方案通常包括：“實驗課題”、“實驗假說”、“實驗預期”、“實驗目的要求”、“實驗對照類”、“實驗材料用具”、“實驗方法步驟”和“實驗結論與討論”等項目。在我們生物課本的實驗指導中，實驗假說和實驗預期大都隱含在“實驗原理”中。實驗方法、實驗對照類型則一般隱含在“方法步驟”里。第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日例3：植物的向光性實驗設計方案示例1、實驗題目：植物的向光性實驗。2、目的要求：觀察植物在單側光照射下的生長情況，驗證植物的生長具有向光性。3、材料用具：植物幼苗(玉米、小麥等)、火柴桿、小花盆(或培養皿)、泥土、不透光的紙盒、臺燈、剪刀。第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日4、實驗假設：依據植物生長的向光性原理，幼苗應朝紙盒開孔的方向生長，也就是向著光源的方向生長。5、實驗預期：經過一定時間之后，幼苗將彎向光源生長。第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日6、方法步驟：(1)用剪刀在不透光的紙盒一側挖一個直徑為1cm的孔，待模擬單側光照射時使用。(2)將幾株長勢相同但真葉尚未出胚芽鞘的小麥幼苗依次排開，分別栽種在兩個花盆中。在幼苗的旁邊插一根火柴桿，作為對比的參照物。第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日(3)將制作好的遮光罩扣住花盆(一組用不透光的紙盒，另一組用一側帶小孔的紙盒)，白天將裝置置于陽光充足的地方，夜間以臺燈代替光源，并使光從小孔中透入紙盒。(4)每天打開紙盒，觀察幼苗的生長情況，記錄下高度、傾斜角及當日溫度、天氣等情況，并間斷地拍照，保留圖片記錄。但要注意，打開紙盒觀察實驗現象的時間應該盡可能地短，并保持透光孔的方向與前次一致。第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日7、實驗記錄：將觀察日期、時間、環境條件(溫度、天氣)、幼苗生長情況等列表記錄。8．實驗結果和結論：分析實驗結果，得出結論。第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日（2）實驗設計的原則：1、對照性原則在實驗設計中，通常設置對照組，通過干預或控制研究對象以消除或減少實驗誤差，鑒別實驗中的處理因素同非處理因素的差異。實驗設計中可采用的對照方法很多，除了有陽性對照、標準對照、自身對照、相互對照之外，通常采用空白對照的原則：即不給對照組以任何處理因素。值得強調的是，不給對照組任何處理因素是相對實驗組而言的，實際上對對照組還是要做一定的處理，只是不加實驗組的處理因素。第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、隨機性原則實驗設計中的隨機性原則，是指被研究的樣本是從總體中任意抽取的。這樣做的意義在于：一是可以消除或減少系統誤差，使顯著性測驗有意義；二是平衡各種條件，避免實驗結果中的偏差。第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日3、平行重復原則平行重復原則，即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。上述隨機性原則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解決這個問題而提出的。第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日4、單因子變量原則單因子變量原則，即控制其他因素不變，而只改變其中某一變量，觀察其對實驗結果的影響，即除了整個實驗過程中欲處理的實驗因素外，其他實驗條件要求做到前后一致。學生在解答或實施設計實驗時，往往忘卻了一些基本原則，其原因很可能是我們平時習慣灌實驗的結果。因此，在訓練分析中教師多強調設計實驗遵循原則的重要性與必要性。第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日（3）實驗設計的一般方法：實驗方法及說明了解題目要求：題目給出的實驗條件、材料用品是什么？要求回答什么？明確實驗目的：實驗的最終目的，要解決什么問題。明確實驗探究什么，論證說明，說明什么？分析實驗原理：即實驗依據，為完成實驗得出實驗結論而應用的科學理論知識（源于學習過的基本概念、原理、規律等）。第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日確定實驗思路：根據實驗目的、原理而進行的思維過程，構建實驗設計基本框架，是實驗設計的藍圖。設計實驗步驟：有了思路，具體是怎樣操作問題，設計步驟時，要遵循實驗設計原則，一定要充分利用題目所給條件，并思考這些條件起什么作用和怎樣運用。結果預測、分析：結果的預測與分析是實驗設計的終結，有畫龍點睛的作用。預測要全面，考慮多方面的可能性，分析要科學、實事求是應具說服力。第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日四、強化訓練、提高技能生物實驗設計訓練，是培養學生實驗設計能力的必經之路。學生在明確了完整的實驗設計方案應該包括的內容和必須遵循的重要原則后，只有通過必要的實驗設計訓練，才能真正掌握實驗設計的方法，提高實驗設計能力。第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日1、重點訓練——實驗設計的思路實驗設計的基本思路：（1）明確實驗目的、實驗原理及實驗要求的基本條件；（2）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，并引入科學的測量方法；（3）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。第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、訓練的內容：（1）設計實驗方案：例4、請設計一個實驗方案，證明ATP是直接的能源物質。要求：(1)自選器材試劑(2)寫出實驗步驟(3)預測實驗結果(4)設置對照實驗。這種題型要求學生根據題目的要求和給出的條件，確定跟書本相關的知識點涉及的實驗原理，構思相關的生物情景，而后再設計便于操作的實驗方案。這有利于培養學生想象能力、設計能力和創造能力。第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日（2）設計實驗步驟：例5：現提供新鮮柑桔６０個，塑料桶（籃）數個，松樹針葉適量，蒸餾水、清水、無色透明保鮮袋若干，醫用APC(保鮮劑)、溫濕計、臺式天平、量筒、空調機等。請你設計一個實驗方案，在室溫24℃的條件下，研究松樹針葉是否有保鮮作用。此類題目要求學生根據給定的器材和藥品以及實驗提出的目的，設計或補全實驗步驟。這類題目體現了高考題強調理論與實際結合，學以致用的特點，有利于學生全面掌握實驗設計的方法、步驟。第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日（3）設計實驗改進方法：此類題目主要檢查學生對實驗設計的嚴密性和科學性的把握，并以此為媒介，引導解決問題的思路方法，進一步培養學生的科學素質和實驗思維能力。題型如2004年理綜天津卷的“種群密度的調查”(題略)。第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日種植玉米、小麥、棉花、蘋果養殖豬、雞、牛、鴨施肥農家肥、化肥（25千克/畝）蟲害玉米螟、粘蟲、棉鈴蟲農藥適量（4）綜合實驗設計型：

例6：某地種、養殖品種及生產的某些因素如表：請依生態學原理，選擇種、養殖生物各兩種，設計一個良性循環的生態系統(以物質循環示意圖方式展示，如有必要請做簡要說明)。第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日這類試題完全為開放性試題，其條件、方法和方案均具有不確定性。要求根據題型要求自行設計。學生通過專題性的實驗設計練習，對實驗設計的原理有了本質上的理解，訓練了思維的獨特性和文字表達的準確性，創新能力得到極大的提高，同時使學生對實驗設計的情感得到了升華，最終對實驗設計的興趣發生了質的飛躍。第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日五、回歸教材、注重分析第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日1、在實驗復習教學中要求學生對“考綱”中列舉的教材中的18個實驗、實習和研究性課題進行全面復習，掌握每個實驗的目的、原理、方法、步驟及實驗現象、結果的解釋與分析，明確實驗設計的思路，訓練科學思維。學生是否善于對實驗現象和結果進行深入的分析，并從中得出正確的結論，是學生實驗能力的重點表現。第三十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、通過經典實驗分析，闡述科學研究的步驟：教材中蘊含的大量有關實驗設計的背景材料內容。如：《細胞膜的分子結構》、《酶的發現》、《光合作用的發現》、《生長素的發現》、《肺炎雙球菌的轉化實驗》、《艾弗里證明遺傳物質是DNA的實驗》、《遺傳的基本規律》的發現等等。分析科學家們是如何發現問題、提出問題、分析問題，如何選擇實驗材料、提出假設、設計實驗、作出預期、得出結論的，從而激發學生探索生命科學的興趣，并在輕松愉快的觀察過程中既掌握知識、領悟科學的思想觀念，又學習了科學工作的方法和技能，為實驗設計打下堅實的基礎。第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日例如，教材“基因分離規律”孟德爾一對相對性狀的實驗，可把這組實驗分為