第35讲 实验设计与分析.docx

1、第35讲 实验设计与分析第35讲 实验设计与实验分析考试要求 1能够根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处相关的实验问题。要求考生能够根据题目给出的实验目的、试剂用品等设计简单的实验，验证简单的生物学事实，同时还要求考生能预测和分析实验结果。2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。要求考生能够正确解释实验现象和结果，或通过分析题目给出的实验步骤、实验结果得出正确的实验结论。知识整理生物学是一门以实验为基础的自然科学。生物学的理论都是人们在科学探究的过程中通过实验总结出来的，因此理解科学探究的一般过程是考生进行实验设计和实验分析的基

2、本前提。一、科学探究的一般过程科学探究的一般过程可简单地用下图表示：二、实验设计与实验分析题型及解题基本步骤实验设计类试题包括两种题型：实验设计和实验方案评价。实验设计题的设计思路通常是题目给出实验目的、实验试剂和用品，要求考生据此设计实验。设计的实验有验证性的，也有探索性的，有的试题还会要求考生预测和分析实验结果。实验方案评价题与实验设计题关系密切，如果考生有清晰的实验设计思路，解答这类问题并不困难。这类题目的设计思路通常是给考生一个或几个实验方案，这些方案或者不完整或者有几项明显的错误或者让考生自己判断实验设计是否合适。实验设计类试题的解题基本步骤可大致归纳如下：1明确实验目的及要求：仔细

3、阅读题目，从题干中提取以下信息：本实验研究的问题、实验提出的假设。2分析实验原理：结合所学知识、题目中给出的背景材料及其他基本条件如器材、试剂等，分析实验原理。3设计实验方案：选择合适的实验材料，合理设置变量和对照，并引入科学的测量方法。4预测实验结果：预测应出现的实验结果（验证性实验）或可能出现的多种实验结果（探索性实验），并科学地加以描述。5得出科学的实验结论：分析实验结果或处理实验数据，肯定或否定假设，从而得出相应的结论。实验分析类试题也有两种题型，即解释实验现象、结果和根据实验结果得出实验结论。实验分析类试题与实验设计类试题虽然在题目形式和具体要求上有些差异，但在思考方法上非常相似，考

4、生若有清晰的实验设计思路，往往也就具备了较强的实验分析能力。因此，实验分析类试题的解题基本步骤可参照实验设计类试题。三、设计实验必须遵循的原则1科学性原则：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不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。2对照原则：在实验中，为了排除无关条件的干扰，常常要设立对照/对比实验。所谓对照/对比实验是指有一个关键条件不同，而其他实验条件都相同的情况下所进行的一组实验，以此了解条件与结果之间的关系，增强实验结论的可靠性。其中，直接用于论证结果的一组称之为实验组，用于对比的一组称之为对照组。3单一

5、变量原则：控制其他因素不变，只改变其中一个因素（要研究的因素），观察其对实验结果的影响。遵循单一变量原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。4平行重复原则：在实验设计中，为了避免实验结果的偶然性，必须对所做实验在同样条件下进行足够次数的重复，不能只进行1-2次便得出结论。5可操作原则：所设计的实验过程要具有可操作性，一些条件比较高或不能实现的过程不能在实验过程中体现。6简便性原则：要求所选方案原理简单，操作简便，尽可能采用简单的实验仪器装置，用较少的实验步骤和实验药品，在尽可能短的时间内完成实验。7安全性原则：实验方案的实施要安全可靠，不会对人或器材造成危害，设计

6、实验时应尽可能避免使用有毒药品和一定危险性的实验操作。命题研究考点搜索出题方向解题策略实验设计（2001年）考查设计验证性实验的能力：要求考生根据题目所给条件设计实验，验证题目提出的假设，并要求考生预测应出现的实验结果，并得出实验结论。明确实验要求，必须设置对照实验，注意严格控制实验的单一变量。实验设计（2003年）考查设计探索性实验的能力：要求考生根据题目所给条件设计实验，探究题目提出的假设是否成立，并要求考生能预测可能出现的多种实验结果，并得出相应的实验结论。明确实验所要研究的问题和提出的假设，严格控制实验的单一变量，设置对照，预测可能出现的各种实验结果，逐一进行讨论，得出相应的实验结论。

7、实验设计（2001年）考查评价实验方案的能力：要求考生判断题目所给的实验方案是否合适，并找出明显的错误或将其补充完整。首先从设计思路的角度去评价所给方案，检查所给方案是否设置对照、变量是否唯一。再判断实验原理是否科学、实验材料选择是否合适。实验分析（2002年）题目给出实验步骤、实验结果，要求考生据此得出实验结论。运用实验设计的思路来进行推理，明确实验假设，找出实验变量对实验结果的影响，并加以科学表述。实验分析（2002年）题目给出实验步骤、实验结果，要求考生对实验现象和实验结果作出正确解释。仔细阅读题目，注意题目中给出的背景知识（包括实验原理、装置、材料试剂等）与有关信息（包括数据、图表、曲

8、线等），结合已学过的生物学知识及其他学科的基本原理，进行推理、分析。提分关键1很多试题中往往只提出实验所要研究的问题，而没有提出假设，实验假设应怎样表述？答：实验假设是实验者自己对实验所要研究的问题提出的一种未经证实的解释，不同的人对同一现象、同一问题可以作出不同的解释，从而提出不同的假设。在表述上，假设应该以陈述句的形式出现。如“高温是否会破坏甲状腺激素的活性”，这是实验提出的问题，而该实验的假设则可以表述为“高温会破坏甲状腺激素的活性”或“高温不会破坏甲状腺激素的活性”。2设置实验对照的诀窍是什么？答：在影响实验结果的诸多因素中，设置实验组与对照组只有一个因素即实验要研究的因素不同，其他因

9、素必须相同且适宜。这就是设置对照时的首要原则：单一变量原则。3根据实验结果得出实验结论时，如何把握答题方向？ 答：在实验假设明确的前提下，实验结论可以简单地表述为肯定或否定假设；若假设不明确，则应抓住实验的研究因素，即变量。变量是造成实验组与对照组实验结果差异的唯一因素，抓住变量，找出变量与实验结果之间的关系，实验结论就不难得出。名师点拨例1（2001高考广东生物卷）用插管插入到青蛙心脏的心室腔中，制备带神经的搏动的离体青蛙心（见图351）。插管内的液体是任氏液（能够维护青蛙心跳动的生理溶液），心脏内的血液已被任氏液代替，插管内的任氏液液面随青蛙心的收缩与舒张而上下移动。已知刺激支配蛙心甲的神

10、经，会引起心跳减慢减弱。试用下述材料和用具，设计一个简单的实验，证明神经受刺激后，心室腔内存在引起蛙心搏动变化的某种“物质”。实验材料和用具：2支吸管、2个带有与甲相同装置的离体青蛙心（乙和丙）、任氏液。实验步骤和现象： 实验结论： 。考点分析 本题为实验设计类试题，属验证性实验设计题。重点考查考生能否根据题目给出的材料和用具设计简单的实验，验证题目提出的假设，同时还要求考生能预测应出现的实验结果，并得出实验结论。解题思路 将神经受刺激前后的蛙心中的任氏液分别加入到两个未作处理的蛙心乙、丙中，观察蛙心乙、丙的搏动变化情况。这里，蛙心丙作实验组，蛙心乙作对照组。本题正确答案是：实验步骤和现象：

11、用吸管吸取适量任氏液（或神经受刺激前的蛙心甲内的任氏液），加入到离体蛙心乙中，观察实验现象；蛙心乙搏动没有变化。用吸管从神经受刺激后的蛙心甲内吸取等量任氏液，加入到离体蛙心丙中，观察实验现象；蛙心丙的搏动减慢减弱。实验结论：神经受刺激后，心室腔内确实存在引起心脏搏动变化的某种“物质”。失分陷阱 有的考生采用“刺激蛙心乙而蛙心丙不作处理”的实验方案，这样，实验设置的变量变成“是否受到刺激”，最后只能得出“神经受刺激后，蛙心搏动减慢”的结论，而无法证明神经受刺激后，心室腔内确实存在引起心脏搏动变化的某种“物质”。也有的考生在“刺激蛙心乙而蛙心丙不作处理”后，再分别检测蛙心乙、丙中液体成分，从而检测

12、出蛙心乙中有引起心脏搏动变化的某种“物质”；还有的考生将蛙心乙、丙的神经接起来，然后刺激蛙心乙观察蛙心丙的变化情况，这两种做法都将简单的问题复杂化了，缺乏可操作性和简便性。例2（2003春季高考理综卷）现有一种植物的种子，已经知道它的萌发受水分、温度和氧气的影响，但不了解其萌发与光是否有关，探究光的有无对该种子萌发的影响，请你依据所给材料和用品设计出实验的方法步骤，预测可能的实验结果，并分别得出相应的结论。材料和用品：数量充足的铺有滤纸的培养皿、无菌水、表面消毒过的种子等方法步骤： 可能的实验结果及相应的结论： 考点分析 本题为实验设计类试题，属探索性实验设计题。除考查考生根据条件设计实验的能

13、力外，同时还要求考生能预测可能出现的多种实验结果，并得出相应的实验结论。解题思路 本实验的假设可表述为“光是该种植物种子萌发的必要条件之一”或“光抑制该种植物种子的萌发”，实验设置的单一变量即研究因素为光，因此可将相同的种子分别置于光照与黑暗环境中培养，其中有光的一组为实验组，无光的一组为对照组，再根据所得实验结果来判断假设是否成立，从而得出实验结论。本题正确答案是：方法步骤：向培养皿中倒入适量的水，将等量的种子分别放入甲、乙两组培养皿中。将甲组置于有光照的环境中，乙组置于黑暗环境中，在培养过程中，使两组所处温度、水分、空气状况适宜且相同。可能的实验结果及相应的结论：甲组萌发，乙组也萌发（或答

14、发芽率差异不显著），说明该种植物的种子萌发不受光的影响。甲组萌发，乙组不萌发（或答甲组发芽率高于乙组，差异显著），说明光是该种植物种子萌发的必要条件之一。甲组不萌发，乙组萌发（或答乙组发芽率高于甲组，差异显著），说明光抑制该种植物种子的萌发。失分陷阱 很多考生在叙述实验步骤时只注意到设置变量光照，而没有强调其他环境因素如水分、温度和氧气等在实验组和对照组中必须适宜且相同。还有的考生没有搞清探索性实验与验证性实验的区别，没能对本实验可能出现的多种结果进行讨论或讨论不完整，从而导致失分。例3（2001高考全国理综卷）有人设计了下列实验，试图证明“生长素（IAA）在植物体内的运输，主要是从植物体形态

15、学上端（顶端）向下端（基端）运输，而不能倒转过来运输（如生长素只能从胚芽鞘的上端向下端运输）”。一材料、用具：胚芽鞘、琼脂、刀片等二方法、步骤与结果：（一）制备琼脂块 （二）取一段胚芽鞘中间部分，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块（三）取步骤（二）下面琼脂块（a）的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧三结论：以上实验证明了“生长素（IAA）在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端（顶端）向下端（基端）运输，而不能倒转过来运输”。你认为，仅用该实验步骤（一）、（二）、（三）是否足以严密论证以上结论，若有不足，请在上述实验的基础上补充相应的实验方法、步骤和结果。考点分析 本题为实验设计类试题，属实验

16、方案评价题。重点考查考生能否判断题目所给的实验设计是否合适，并对不完整的实验方案作出相应的补充。解题思路 题目所给实验方案明显缺少对照，不足以证明“生长素只能从胚芽鞘的顶端向基端运输”。对照组与实验组的不同只在于运输方向，即生长素从胚芽鞘的基端向顶端运输，而其他条件应完全相同，因此，只需将胚芽鞘的顶端与基端颠倒即可。本题正确答案是：仅用该实验步骤（一）、（二）、（三）不足以严密论证以上结论。补充方法、步骤与结果（一）：另取一段胚芽鞘中间部分倒放。上面放含 IAA 的琼脂块，下面放空白琼脂块补充方法、步骤与结果（二）：取补充步骤（一）下面琼脂块（b）的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧失分陷阱 有的考生

17、在设计中将含IAA的琼脂块与空白琼脂块位置对调，这样虽然改变了生长素的运输方向，但同时也改变了两个琼脂块的上下位置，使得实验结果无法排除重力因素的干扰，缺乏科学性。例4（2002高考广东、河南、广西生物卷）植物在单侧光照射下弯向光源生长。这个现象被解释为“光线能够使生长素在背光一侧比向光一侧分布多”。为什么生长素在背光一侧比向光一侧分布多？是因为向光侧的生长素在光的影响下被分解了，还是向光侧的生长素向背光侧转移了。为此，有人做了下述实验：（一）实验步骤：将生长状况相同的胚芽鞘尖端切下来，放在琼脂切块上，分别放在黑暗中和单侧光下（见图352）。（二）实验结果：如下图所示。图中c、d、e和f用一生

18、长素不能透过的薄玻璃片将胚芽鞘分割；琼脂下方的数字表示琼脂块收集到的生长素（IAA）的量请回答：（1）图a和b说明什么?（2）图c和d说明什么?（3）图e和f说明什么?（4）通过上述实验可得出什么结论?考点分析 本题为实验分析类试题，题目给出实验步骤、实验结果，要求考生据此得出实验结论。需要说明的是，本题是考查考生通过分析实验结果得出实验结论的能力，是让考生对实验结果进行思考，然后再顺理成章地得出结论，而不是考察学生对现成结论的记忆。解题思路 本实验有两个假设，即“生长素在背光一侧比向光一侧分布多是因为向光侧的生长素在光的影响下被分解了”和“生长素在背光一侧比向光一侧分布多是因为向光侧的生长素

19、向背光侧转移了”，设计了3组实验来探究哪一个假设成立：其中图a、b的变量是光，而结果图a、b琼脂块中收集的生长素数量相等，说明在生长素不会在光的影响下被分解。图c、d应分别与图a、b对比，变量是玻璃片，而结果图c、d与图a、b琼脂块中收集的生长素数量相等，说明胚芽鞘被玻璃片分隔成两半，不影响生长素向下运输和琼脂块中收集的生长素数量。在此基础上，根据图e、f可得出在单侧光照射下，“生长素在背光一侧比向光一侧分布多是因为向光侧的生长素在光的影响下被分解了”这一假设不成立，而“生长素在背光一侧比向光一侧分布多是因为向光侧的生长素向背光侧转移了” 这一假设成立。本题正确答案是（1）光并未影响生长素的分

20、解和生长素的向下运输（2）胚芽鞘被玻璃片分隔成两半，不影响生长素向下运输和琼脂块中收集的生长素数量（3）单侧光照射促使生长素向背光侧转移（4）单侧光照射下，向光侧的生长素向背光侧转移，而不是向光侧的生长素被分解。失分陷阱 有的考生没有仔细阅读题目，明确本实验所要研究的问题和实验提出的假设，也没有分析每组实验中设置的变量是什么，而是用现成结论生搬硬套，导致无法得分。例5（2002高考上海生物卷）小麦籽粒成熟过程中积累的糖类，主要是依靠穗下第一张叶片（旗叶）的光合作用供给的。有人做了这样一个实验（图353甲），将旗叶包在一透明的袋中，袋中始终保持25及充足的CO2，在旗叶基部安装一个可调节温度的套

21、环。实验开始时，套环温度调节到20，测定30分钟内透明袋中的CO2吸收量、叶片水分散失最。然后将基部套环温度调节到5时，发现葡萄糖从旗叶向穗运输的过程被抑制，继续测定30 分钟内透明袋中的CO2吸收量、叶片水分散失量，测得的结果如图353乙所示。请据图回答：图353 （1）叶片基部温度变化对袋内叶片蒸腾作用有无影响？ 。（2）叶片基部处于低温（5）状态时，后30分钟，CO2的吸收速率下降与叶片气孔开闭状态是否有关？ 。理由是 ；CO2的吸收速率下降的主要原因是 。考点分析 本题为实验分析类试题，题目给出实验步骤、实验结果，重点考查考生对实验现象和实验结果作出正确解释的能力。同时还考查植物的蒸腾

22、作用、光合作用、植物体内有机物运输及化学平衡有关知识。解题思路 在整个实验过程中叶片水分散失量始终保持不变，所以叶片基部温度变化对袋内叶片蒸腾作用无影响。同理，在前后30分钟内的水分散失量不变，说明气孔开闭状况也不变，因此实验后30分钟，CO2的吸收速率下降与叶片气孔开闭状态无关。分析CO2吸收速率下降原因的关键是题干中“将基部套环温度调节到5时，发现葡萄糖从旗叶向穗运输的过程被抑制”这一信息，结合化学中反应平衡相关知识，可得出由于葡萄糖向穗的输送被抑制，导致叶片中光合作用产物（葡萄糖）量增加，使光合作用有关反应速度下降，光合作用过程受到抑制，所以CO2吸收率下降。本题正确答案是（1）无 （2

23、）无关 气孔关闭与叶片水分散失有关，在前后30分钟内的水分散失量不变，说明气孔开闭状况也不变 葡萄糖向穗的输送被抑制，叶片中葡萄糖量增加，使光合作用过程受到抑制，所以CO2吸收量下降。失分陷阱 有的考生没有注意“袋中始终保持25”这一条件，同时又没有搞清旗叶基部套环的作用，误以为套环能调节袋中旗叶叶片的温度，从而得出由于叶片温度下降，叶肉细胞中与光合作用有关的酶活性减弱，导致光合作用受抑制，所以CO2吸收率下降。拓展提升1实验假设：作出假设就是对某种现象提出自己的一种可检测的解释。根据科学事实提出问题和假设，这是科学研究的出发点。假设是问题的延伸，同时也是实验设计的基础。一般情况下，假设无对错

24、之分，但假设又有好坏之分，一个好的假设总是和做出假设的前提有着高度的一致性、派生性和演绎性。2实验变量：或称自变量，指实验假设中涉及的给定的研究因素。反应变量，或称因变量，指实验变量所引起产生的结果或结论。而其他对反应变量有影响的因素称之为无关变量。例如，在验证温度对酶活性的影响的实验中，就必须控制pH值、底物量和酶量的相等，只改变单一因素温度，观察不同温度下酶活性的差异。3实验对照：实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是有效方法。设置对照一般有4种方法：空白对照、条件对照、相互对照、自身对照。（1）空白对照：实验设计中通常采用空白对照的方法

25、。不给对照组任何处理因素，这样的对照叫空白对照。如一组燕麦胚芽鞘切去尖端，另一组不切去尖端，然后都照射单侧光。（2）条件对照：给对照组施以部分实验因素，但不是所研究的处理因素。如把切去尖端的燕麦胚芽鞘分成两组：一组在切面一侧放接触过尖端的琼脂块，另一组切面的同一侧放没有接触过尖端的琼脂块作对照。（3）相互对照：指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。（4）自身对照：指实验与对照在同一对象上进行，不再加设对照组。这种对照的关键是比较实验处理前后的变化。巩固练习 1以下是某同学关于酶特性的实验操作步骤，请根据要求回答：步 骤1操作方法试 管1注入可溶性淀粉溶液2mL2注入蔗糖溶液2mL3注入斐

26、林试剂2mL2mL4注入新鲜的某种酶溶液2mL2mL5酒精灯隔水加热煮沸1min6观察现象AB（1）若该实验的目的是验证酶作用的专一性，则步骤4可以选用 或 两种不同类别的酶。（2）如果按上述步骤进行操作，分析A、B可能出现的现象及原因：现象： 。原因： 。（3）该实验步骤中存在明显的缺陷，请写出正确的操作步骤（注：可直接用上表步骤中的数字表示，需增加的步骤用文字表述）： 。2请回答下列有关生物膜的问题：（1）磷脂分子参与构成动物细胞的哪些结构？（至少答出4个）_。（2）2003年研究细胞水通道和离子通道的科学家获得了诺贝尔化学奖。科学家研究细胞膜上的各种蛋白质时，通过测定氨基酸序列及其相应的

27、DNA序列，发现了一种细胞水通道蛋白，并推测细胞渗透吸水、失水过程中，水分子进出细胞需通过此通道。为验证这一假设，科学家得到了如下材料：a 分离纯化的水通道蛋白；b 含有水通道蛋白的细胞；c 去除水通道蛋白的细胞；d 磷脂双分子层构成的内含水溶液的球状体（其膜结构能与加入的蛋白质结合）e 能够抑制蛋白质活性的含汞离子的试剂；f 蒸馏水。某生物小组同学设计了以下实验研究水通道：取一只培养皿，加入一定量的蒸馏水，放入含有水通道蛋白的细胞，一段时间后用显微镜观察。加入水通道蛋白的细胞吸水胀破。结论：水分子通过水通道蛋白进入细胞内部。 此实验的目的是_。 找出上述实验过程的不合理之处，并加以改正：_

28、_。 选取科学家找到的材料设计另外一实验，验证科学家提出的假设。方法：_ _ _。预计将出现的现象：_ _ _。结论：_ _。3同学甲从一本植物生理学中查到“幼嫩叶片可产生生长素，生长素可阻止叶柄脱落”的结论。于是他设计了一个实验，想证实该结论。他设计的实验步骤为：第一步：取一盆生长状况良好的植物，去掉幼叶的叶 片（如图354所示）；第二步：观察幼叶叶柄的脱落情况。同学乙在仔细研究了甲的实验设计方案后，向他提出了两点意见。请你用所学的生物学知识，把同学乙提出的意见补充完整：（1）在去掉幼叶的同时，还必须 ，因为 。（2）应增加对照实验，对照设置为： 。4胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用

29、。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： 5一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。

30、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：移栽至10m处野菊株高 。6在农业生产上广泛使用除草剂，其在土壤中能逐步被分解。为探究除草剂的分解是土壤本身的理化性质还是土壤中微生物的分解作用，可以通过实验加以验证。材料用具：灭菌锅、除草剂、量筒、温箱、几种土壤、容器、能鉴定除草剂含量的试剂和设备等。实验方法步骤： 将几种土壤混合均匀，等量分在两容器中。 分别贴上标签：甲和乙。补充完成以下步骤： 。预测结果与实验结论： 。7根据实验原理和材料用具，设计实验选择运载体质粒，明确质粒的抗菌素基因所抗的抗菌素类别。 实验原理：作为运载体的质粒，须有标记