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高考生物实验理论及解题指导

2015高考生物实验理论及解题指导

一.实验理论

1.自变量、因变量和无关变量

自变量(实验变量)是指实验中由实验者所操纵的因素或条件。

因变量是指示严重由于自变量而引起的变化或结果。

  自变量是原因,因变量是结果,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,从因果关系中获得科学的结论。

无关变量也称控制变量,直至除了自变量以外影响实验或结果的因素或条件。

额外变量,也称干扰变量,是指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。

  这些变量并不是本实验所要求探究、关心的自变量。

要考查自变量所产生的效果,就要对无关变量进行控制。

  举例:

在"探究淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用"实验中,自变量是淀粉酶所催化的对象不同,因变量是有无还原性糖产生,从而证明酶具有专一性。

除了自变量外,试管的洁净度、蔗糖的纯度、试剂的剂量、温度、反应时间等都是无关变量,控制不当会影响实验结果的准确性和真实性。

  2.无关变量的控制方法

  

(1)消除法

  排除或隔离无关变量对实验效果的影响。

  例如在验证"生长素能促进果实发育"实验中,又一组要求无生长素,需开花前,用纸袋将雌花套住,隔离外来花粉的干扰。

  

(2)恒定法

  在整个实验中,尽量使所有的实验条件、实验处理、实验对象等都恒定不变。

  例如在"探究淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用"实验中,始终将试管处于恒温水浴中,以消除温度无关变量对实验的影响。

  (3)平衡法

  设立对照组,除自变量以外,无关变量对实验组、对照组的影响是均等的。

从而可不计无关变量的影响,得到实验变量的效果。

  例如,我们常在实验过程中强调"选取生长状况相同的幼苗""数量大小相同的种子""置于相同并适宜条件下培养""加入等量的清水"等均是为了控制无关变量对实验结果的干扰。

3.控制方法及针对性训练

操纵实验变量--施加干扰

控制无关变量--随机分组、设置对照、条件相同且适宜、重复实验

捕获反应变量--观察现象、测量数值

例:

研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液l00OmL。

利用以下实验材料和器材设计实验,探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。

实验材料和器材:

水稻种子,试管,培养皿,纱布,尺子(l00mm),蒸馏水,恒温光照培养箱(温度设定为28℃,光强度为200OLux)。

(实验材料和器材的数量不限)根据给出的实验材料和器材.请设计实验方法和步骤.预测实验结果并作出分析。

(1)方法和步骤:

(2)结果预测和分析:

解析:

变量的确定和控制方法是实验设计的核心内容,现分析如下:

内容

项目

变量的确定

变量的控制

实验变量

各种不同浓度的重金属污染液

用加法原理对研究对象施加干扰,即用清水作对照,配制几种不同浓度的重金属污染液作实验组

无关变量

①影响种子萌发的内因,如籽粒饱满、大小等

②影响种子萌发的外因,如适宜的水分、温度、空气、光照等

③用一粒种子的偶然性

①选饱满、大小一致的水稻种子,去掉种子籽粒对实验的影响

②利用平衡等量原则,给实验组和对照组相同的、适宜的外界条件

③重复原则,选一定数量的种子进行实验

反应变量

①种子萌发情况

②水稻生长状况

①统计发芽率

②测量幼苗株高,并计算平均值

答案:

(1)方法和步骤:

①用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释10、102、103、104倍获得4种不同浓度的污染液。

②挑选籽粒饱满、大小一致的水稻种子250粒,随机分成5组,每组50粒。

③取5只培养皿,垫上纱布;其中4只培养皿加人等体积的不同浓度重金属污染液(浸润纱布即可),另1只培养皿加入等体积的蒸馏水作为对照。

④在每只培养皿的纱布上,均匀放置50粒水稻种子;⑤将5只培养皿置于恒温光照培养箱培养;每天实验组补充等量的相应浓度重金属污染液,对照组补充等体积的蒸馏水,以保持纱布的湿润。

⑥1周后统计各组的发芽率;用尺子测量幼苗株高(或根长),计算平均值。

(2)结果预测和分析:

不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发均有抑制作用,随着浓度的增加,萌发率逐渐降低;不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用,随着浓度的增加,株高(或根长)逐渐降低。

练习1、(2004春季高考)为了研究胰腺的胰液分泌调节,某人从实验狗甲的一段小肠刮下黏膜,将该黏膜放入稀盐酸中浸泡,把过滤后的提取液注入实验狗乙的静脉,结果引起实验狗乙的胰液大量分泌,并由此得出"小肠黏膜中存在促进胰液分泌的某种物质"的结论。

分析这一实验与结论,回答下列问题:

仅根据上述实验能否得出该结论,为什么?

练习2、(2008海南高考)为了验证某大豆品种的矮化特性与赤霉素的含量有关,请用所给的实验材料,完成下列实验步骤并回答问题:

实验材料:

距2片真叶且长势相同的该品种大豆幼苗若干、完全培养液、蒸馏水、适宜浓度的赤霉素溶液、喷壶等。

(1)实验步骤:

①将上述大豆幼苗平均分成A、B两组,A组为对照组,B组为实验组,分别置于等量的完全培养液中培养。

②用喷壶分别将和喷洒在A、B两组幼苗上。

③将两组苗置于相同且适宜的温度和光照等条件下培养,一段时间后,测定两组植株的

(2)预测实验结果:

(3)上述试验中,如果A、B两组各选用1株幼苗进行实验,是否影响实验结果的可靠性?

为什么?

(4)该实验原理是:

答案

1、不能。

缺少对照实验,未排除稀盐酸的作用

2、

(1)②:

蒸馏水赤霉素溶液③:

高度

(2)A组(对照组)植株的平均高度小于B组(实验组)植株平均高度

(3)有影响因为每组实验材料的数量过少(或样本数过少),代表性差。

(4)赤霉素有促进细胞伸长使植株增高的作用。

用赤霉素处理植株后,可以显著增加植株的高度,据此可以验证该大豆品种矮化特性与赤霉素的含量有关。

4.对照的类型

常用设对照组的方法来消除无关变量。

按对照的内容和形式上的不同,通常有以下几种:

(1)空白对照

  对照组不做任何实验处理。

  例如在"生物组织中可溶性还原糖的鉴定"实验中,向甲试管溶液中加入试剂,而乙试管中不加试剂,比较他们的变化。

  空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果,增加了说服力。

(2)自身对照

  指实验组与对照组在同一对象上进行,既不另设对照。

  如"植物细胞质壁分离和复原"实验,实验对象始终都是同一块表皮细胞,这就是典型的自身对照。

处理前为对照组,处理后为实验组。

(3)条件对照

  给对照组以某种处理,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的自变量。

  例如"甲状腺激素能促进生长发育"实验中,甲组饲喂甲状腺激素作为实验组,一组饲喂甲状腺抑制剂作为条件对照组,丙组不作处理作为空白对照组。

这样既有条件对照又有空白对照,更能充分证明甲状腺激素有促进生长发育的功能。

(4)相互对照

  指不另设对照组,而是几个实验组相互对比对照。

  如"验证根的生长方向与重力方向一致"实验中,无重力的条件不易提供,只有在由中立的状态下,让根摆放成不同的方向,几组对比说明根的生长方向与重力方向一致。

5.实验组和对照组的确认

(1)举例:

  为了验证光是植物生长发育的必要条件,设计如下实验:

选择生长状况一致的小麦幼苗200株,随机均分为实验组和对照组,分别处理并预期结果。

下面是关于实验组或对照组的处理方法和预期结果的几种组合,其中正确的是:

①实验组②对照组③黑暗中培养④在光下培养⑤生长良好⑥生长不良

A.②③⑤B.①③⑥C.①④⑤D.②④⑥

答案:

B

  自然状态(未加处理)的实验称为对照组;

  进行特定处理的实验称为实验组。

  怎样确认?

(2)条件控制原理(加法原理和减法原理)简介:

  加法原理就是设法给研究对象施加干扰(添加条件),使研究对象在被激发状态中反映其某些特征。

  即,与常态相比,认为增加某种影响因素,这种添加控制组为实验组。

  减法原理就是设法排除某种因素(减少条件)对研究对象的干扰,从而在比较纯粹的状态下反映对象。

  即,就是与常态相比,认为去除某种因素,这种去除控制组为实验组。

  运用减法原理对上述实验可以做出解释:

小麦在自然条件下总是要见光的,因此在黑暗中培养应为去除控制组,即为实验组;在光下培养应属于常态组,即对照组。

  

  [练习-1]1864年,德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时,然后把此叶片一半遮光,一般曝光。

经过一段时间后,用碘蒸汽处理叶片,成功地证明绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。

萨克斯对这个实验的设计具有严密的逻辑性,具体体现在()

  A.没有对照实验B.本实验不需要设对照组

C.曝光处作为对照组D.遮光处作为对照组

  

  [练习-2]为了解土壤微生物是否能分解农药,并尽快得出实验结论,有人用"敌草隆"(一中除草剂)进行了试验。

取等量砂土分装于相同的两个容器中,a组高压灭菌,b组不灭菌,下列有关事项的叙述不正确的是()

  A.a组为对照组,b组为实验组

  B.向a、b中喷入等量敌草隆,预计a组敌草隆含量不变

  C.检测敌草隆消失的情况,预计a组敌草隆含量不变,b组的全部消失

  D.只用砂土,实验效果不如几种典型土壤混合后的好

[练习-3]如探究"元素X是否属于必需矿质元素"的实验构思大致如下:

甲组:

含X元素的完全营养液+幼苗-→生长正常

一段时间

乙组:

只缺X元素的完全营养液+幼苗--→

正常生长--→不是必须矿质元素

                仍为异常--→不是

生长异常+X元素--→

                恢复正常--→是

  分析以上实验涉及到哪些对照:

答案:

  [练习-1][解析]萨克斯所作的证明光合作用产生淀粉的实验:

对天竺葵进行"饥饿"处理后,让叶片的一半曝光,一半遮光,过一段时间用碘蒸汽处理。

首先应该对实验的常态做出判断。

此实验在然状态下是有光照的,即有光照为常态,认为将光遮起来就是运用了减法原理,遮光为去除控制组,即为实验组;曝光组为常态组,即对照组。

答案:

C。

  [练习-2][解析]该题同样可以用减法原理来解释,为了解土壤微生物能否分解农药,首先确定常态,在自然情况下,土壤中是存在微生物的,存在微生物的即为常态。

a组高压灭菌,运用的是减法原理。

让土壤微生物处于缺失状态,是一种去除控制。

A组为实验组;b组由微生物存在,是常态组,即对照组。

答案为A。

  [练习-3][解析]该实验中涉及:

①空白对照,其中处于正常情况下即有X元素的甲组为对照组,而无X元素的乙组为实验组。

②自身对照,同一实验对象(乙组)上,实验前(无X元素)与实验后(有X元素)之间的对照。

前者为对照组,后者为实验组。

从该实验例中可见,对于同一对象组在不同的实验中所处的组别可能不同,如上述的乙组(无X元素)在空白对照实验中为实验组,而在自身对照中却为对照组。

6.实验设计的5个原则

  

(1)对照性原则

  对照是实验控制的手段之一,目的在于消除无关变量对实验结果的影响。

又可增加实验结果的可信度和说服力。

  

(2)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,是显著性测验有意义;二是平衡各种条件,避免实验结果中的偏差。

  (3)平行性原则

  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。

平行性原则就是为解决这问题而提出的。

  (4)单一变量原则

  即单因子变量原则,指控制其他的因素不变,只改变其中某一变量,观察其对实验结果的影响。

除了整个实验过程中欲处理的实验因素外,其他实验条件要求做到前后一致。

观察其对实验结果的影响。

  如"探索温度对酶活性的影响"时,只能改变反应的温度,其它如PH值、酶的尝试等条件均要求完全一样。

设置单一变量即对照组和实验组只能有一项条件不同,其他条件都应相同,还应考虑是否有额外变量影响实验结果。

  (5)等量性原则

  每次实验所加试剂的量、使用的仪器的大小等都要相等。

(平衡法)

二.实验方法与技术

1.实验条件的控制方法

  ①增加水中氧气--泵入空气或吹气或放入绿色植物

  ②减少水中氧气--容器密封或油膜覆盖或用凉开水

  ③除去容器中CO2--NaOH溶液

  ④除去叶中原有淀粉--置于黑暗环境

  ⑤除去叶中叶绿素--酒精水浴加热

  ⑥除去光合对呼吸干扰--给植株遮光

  ⑦如何得到单色光--棱镜色散或透明薄膜滤光

  ⑧血液抗疑--加入柠檬酸钠

  ⑨线粒体提取--细胞匀浆离心

2.实验结果的显示方法

  ①光合速度--O2释放量或CO2吸收量或有机物生成量

水生植物可依气泡的产生量或产生速率;

离体叶片若事先沉入水底可依单位时间内上浮的叶片数目;

  ②呼吸速度--O2吸收量或CO2释放量或有机物消耗量

  ③原子或分子转移途径--放射性同位示踪

  ④细胞液浓度大小--质壁分离

  ⑤植物细胞是否死亡--质壁分离

  ⑥甲状腺激素-动物耗氧量,发育速度等

  ⑦生长激素-生长速度(体重、体长变化)

  ⑧胰岛素作用-动物活动状态

三.做实验题的一般步骤

(1)了解题目要求;(实验题目:

一般包括三个方面:

①研究对象;②作用于对象的因素;③研究现象。

如pH对唾液淀粉酶活性的影响这个实验,其研究对象是唾液淀粉酶活性,作用于对象的因素是不同的pH,研究现象是唾液淀粉酶活性随pH发生的变化。

  

(2)明确实验目的;

  (3)分析实验原理;(实验原理:

即实验依据,实验依据的科学原理是什么?

有时还要写出实验为什么这样操作?

为什么出现这样的现象?

  (4)确定实验思路;

  (5)设计实验步骤;

  (6)预期结果和得出结论。

  口诀:

分组编号设对照,确定方法选材料,控制变量定常量,观察记录找指标。

[练习-1](2005全国)为了验证胰岛素具有降低血糖的作用,以小鼠活动状况为观察指标设计实验。

某同学实验方案如下:

①将正常小鼠随机分成A、B两组,观察并记录其活动状况。

②A组小鼠注射适量胰岛素溶液,B组注射等量生理盐水。

一段时间后,A组小鼠会出现四肢无力,活动减少,甚至昏迷等低血糖症状,B组活动状况无变化。

③A组小鼠出现低血糖症状后,分别给A、B两组小鼠注射等量葡萄糖溶液。

一段时间后,A组小鼠低血糖症状缓解,B组活动状况无变化。

该实验方案可以说明胰岛素具有降低血糖的作用。

请回答:

(1)该实验原理是:

_________________________________

[练习-2](四川卷)为确定人体在运动时呼出气体中的CO2浓度是否比静止时高,某同学进行了如下探究:

作出假设:

人体在运动时呼出气体中CO2的浓度比静止时高。

实验过程:

①在3个烧杯中,分别注入100mL蒸馏水,测定其pH。

②实验者在安静状态(静坐2min)、中度运动(步行2min)以及剧烈运动(跳绳2min)后,立即分别向上述3个烧杯的水中吹入等量气体,测定pH。

经多次重复实验,所得平均数据如下表:

运动状态安静中度运动剧烈运动

实验前pH6.16.16.1

实验后pH5.95.65.3

请回答:

(1)作出上述假设的依据是____________________________________

(2)该实验的原理是_______________________________________

答案:

[练习-1]

胰岛素具有降低血糖的作用。

体内胰岛素含量过高时,引起血糖下降,机体出现活减少,甚至昏迷等低血糖症状,此症状可以通过补充葡萄糖溶液得到缓解。

[练习-2](l)由于人体在运动时耗能增加,呼吸作用加强,产生CO2的量增加,所以呼出CO2的浓度增加。

(2)CO2在水中溶解后使水的pH下降,人在不同运动状态下产生的CO2不同,溶于水后也会导致pH不同,通过测定水pH的变化可以推测呼出气体中CO2浓度的变化。

四、解题探讨

高考实验设计题类型

(1)补充设计题

(2)全程设计题

(3)设计改错题

1.补充设计题

  试题明确给出部分实验设计步骤,要求把其他步骤或原理补充完整。

这类题型近几年出现频率最高。

题干已提供较多信息,基本划定了答题模式,目的明确,前面的原理、方法、步骤等已为后续做答作了铺垫,只要明确变量,在分析有关的实验原理,结合题干信息,即可做出正确解答。

例1:

血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用,缺乏则血液不能凝固,草酸钾能与血液中的钙离子发生反应,形成草酸钙沉淀,起抗凝作用。

请根据提供的实验结果,验证钙离子在血液凝固中的作用,并回答问题:

(一)实验材料和用具

①家兔②生理盐水③酒精棉④适宜浓度的草酸钾溶液⑤适宜浓度的氯化钙溶液⑥试管、注射器(针管和针头)

(二)实验步骤和结果

第一步:

在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水

第二步:

......

问题:

设置B试管的目的是:

解析:

①实验目的是什么?

验证钙离子在血液凝固中的作用

②实验原理是什么?

草酸钾与血液中的钙离子发生反应,形成草酸钙沉淀起抗凝作用。

③实验变量是什么?

钙离子的有无,反应变量是什么?

血液凝固与否。

④实验中的无关变量是什么?

影响血液的凝固的其他因素,如温度,草酸钾浓度,试管的干净程度等。

⑤实验组为哪支试管?

A管对照组为哪支试管?

B管

⑥该实验为何种对照类型?

空白对照:

一支试管中加入了草酸钾,一支没有

自身对照:

A管血液中的钙离子首先与草酸钾形成了沉淀后又加入氯化钙。

⑦该实验采用何种方法均衡无关变量?

对照和平衡等量原则

⑧设计实验的步骤(四步曲)

例2蚕豆叶片是观察气孔的优良材料,尤其是下表皮气孔数目较多,气孔是各种气体进出叶片的通道。

下图为气孔结构示意图,气孔两侧的细胞称为保卫细胞,决定着气孔的开闭。

有人提出气孔的开闭与保卫细胞的吸水和失水有关。

请你根据试题中所给的材料和用具设计一实验,探究保卫细胞吸水和失水与气孔开闭之间的关系,并得出相应结论。

(1)材料用具:

显微镜,镊子,刀片,吸管,载玻片,盖玻片,吸水纸,蒸馏水,0.3g/mL的蔗糖溶液。

(2)实验步骤:

步骤1取载玻片2片,分别在中央滴加蒸馏水和蔗糖溶液各一滴

步骤2

步骤3

(3)实验结果预测及结论

2.全程设计题

例3试题明确给出或隐含相应的实验目的和原理,要求学生通过步骤的设计,验证或探究一个实验目的,得到相应的结果和结论。

水蚤俗称鱼虫,属于节肢动物门甲壳纲,长约1-2mm,是喂金鱼的好饵料,在显微镜下观察,你可以看到它由两个透明的壳瓣包裹整个躯体,结构如图。

某小组开展"不同浓度香烟对水蚤心率的影响"的课题研究。

他们已将香烟和蒸馏水按照1:

1的重量比浸泡24小时,过滤后的滤液作为原液。

请你为小组确定一项观测指标,配置关键的实验器材,并设计一张表格用于实验时记录数据。

1)观测指标:

(2)做该实验时必备的实验器材是:

  

(3)写出实验的主要操作步骤:

(4)设计一张表格用于实验时记录数据。

3.设计改错题

  试题明确给出了实验的目的、原理和设计步骤,要求把步骤中的错误之处指出来并加以改正。

主要考察是否具备验证简单生物事实的能力,并能对实验现象、结果解释和分析以及理解探索性实验的一般方法的能力。

试题中既有合理成分,又有不合理成分,干扰因素较多,要求在吸取原有设计的合理成分基础上,提出自己的实验设计思路。

表面上是考察对实验设计的分析与评价能力,是只是全面检测设计生物学实验方案的能力。

例4某同学进行了温度对酶活性影响的研究,设计了如下实验:

实验原理:

温度影响酶的活性,从而影响淀粉的水解,滴加碘液,根据是否出现蓝色及蓝色的深浅来判断酶的活性。

实验步骤:

1、取三支试管,分别加入质量分数为3%的可溶性淀粉溶液。

另取3支试管,分别注入新鲜α-淀粉酶溶液。

2、将装有淀粉溶液和酶溶液的试管分成三组分别放入100℃、37℃的水中和冰块中,维持各自的温度5min。

分别将淀粉酶溶液注入相同温度下的淀粉溶液中,两支试管中的pH=6.8,第三支试管中的pH=4,摇均后维持各自温度5min。

3、在三支试管中各滴一滴碘液,并摇均。

观察并记录:

(略)

结论:

温度过高或过低都影响酶的活性。

请回答:

(1)该实验能否得出上述实验结论?

_____________________________________________

(2)指出步骤中不正确之处,并在此基础上加以纠正或补充相应的内容。

【解析】本题是比较典型的实验评价题,先从以下8方面考虑:

(1)实验原理是否正确:

(2)药品和试剂的使用是否正确:

(3)实验材料的选择是否正确:

(4)有无对照,如果有看对照设计是否合理:

(5)实验步骤是否科学:

(6)是否采取正确的方法进行实验结果的检测和记录:

(略)

(7)对实验结果的预测与分析是否合理:

(8)实验的安全性如何:

例5:

为了证实"甲状腺激素及甲状腺抑制剂对蝌蚪发育的影响",某同学制定下列方案:

a.取两个玻璃缸分别编号为1号、2号;

b.在两个玻璃缸中,分别加入等量(且适量)的水和新鲜水草,然后在每个玻璃缸中分别放入10条发育状况不同的蝌蚪;

c.向l号缸投放含甲状腺制剂的饲料,2号缸投放含甲状腺抑制剂的饲料;

d.每天分别向两缸中投放一些饲料;

e.每隔一段时间观察一次,观察时用小网将蝌蚪捞出放在培养皿中,再将培养皿放在坐标纸上(1mm×1mm),观察并且测量蝌蚪的体长变化(前肢和后肢的生长情况,尾的变化等)。

上述实验设计方案中,有一些明显的设计缺陷或不足,请你修改并完善该设计方案。

(1)该设计方案的明显缺陷是______,因此,a过程应该为(只需陈述修改内容,下同)

_______________________________________________________

c过程应该为_________________________________________________。

(2)方案中存在着引起实验误差的不妥之处,b过程的不妥之处应该改为_________________;d过程的不妥之处应该改为_______________。

[答案]

1.第二步:

用酒精棉对家兔的耳朵进行消毒,用注射器从家兔耳朵上的静脉内取血xml。

第三步:

立即将血液xml分别平均加入到A、B两支试管中,静置一段时间。

结果:

A管内的血液不凝固,B管内的血液凝固。

第四步:

将等量的氯化钙溶液分别加入到A、B两试管中

结果:

A管内血液凝固在,B管血液仍凝固

问题:

作为A管的对照。

2.步骤2用镊子撕取蚕豆叶片下表皮两块,分别置于载玻片中央的液滴中,盖上盖玻片

步骤3将装片分别置于显微镜下观察

实验结果预测及结论:

①如果蒸馏水中气孔开放,蔗糖液中气孔关闭,说明失水使气孔关闭,吸水使气孔开放②如果蒸馏水中气孔关闭,蔗糖液中气孔开放,说明失水使气孔开放,吸水使气孔关闭

3.

(1)心率。

(2)显微镜(或放大镜),秒表(计时工具),量筒,烧杯,载玻片,盖玻片等。

(3)①用蒸馏水稀释香烟浸出液原液,配成3种不同浓度的溶液;②取A、B、C、D四个载玻片,用吸管吸取水蚤及培养液分别滴于上述4个载玻片上,盖上盖玻片

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