浙江专用高考生物二轮复习专题七实验与探究第16讲实验设计与评价教案.docx

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浙江专用高考生物二轮复习专题七实验与探究第16讲实验设计与评价教案

第16讲　实验设计与评价

一、生物学实验的设计

1．生物学实验探究的一般程序

科学探究的一般过程可简单地用下图表示：

（1）提出问题，确定实验课题：

所谓实验课题的选定，就是实验者首先要确定一个有一定价值的研究课题，明确通过实验要解决什么问题。

（2）作出假设：

“假设”也称假说或猜测，是指用来说明某种现象但未经证实的论题，也是对所提出的问题作出的参考答案，即依据发现的事实材料或科学原理，通过创造性思维，提出初步假设。

（3）设计实验方案：

设计一个实验来检验假说，在计划中应该写明详细的实验步骤，以及在实验中要进行哪些观察和测量。

设计实验方案是实验探究的最基本环节。

（4）预期结果：

在实验设计方案确定以后、实验正式实施之前，根据假说和原理，对实验可能出现的结果进行预测，依据提出的假说进行推理，得出假定性结果或推论，即“如果假设成立，则应有何种结果”。

（5）分析数据：

实验结束时要对数据进行分析，看是否存在什么规律或趋势，它们能不能支持假说，它们是否指出了实验中存在的缺陷，是否需要收集更多的数据。

（6）得出结论：

在下结论的时候，确定收集的数据是否支持原先的假说。

通常需要重复多次实验才能得出最后的结论。

结论的得出必须依据实验结果，若出现的结果与预期结果一致，则得出与先前的假说一致的结论即“假说成立”；若实验出现的结果与预期结果不符，则得出的结论应为“假说不成立”。

2．实验设计的要求

3．实验设计的一般步骤

实验步骤应用简洁科学的语言叙述，一般叙述如下：

（1）分组编号：

根据实验要求选择合适的材料和器材，选材应保持条件相同（如：

日龄相同、体重相近的雄性成年大白鼠）。

将实验分为实验组和对照组，可以分两组，也可以分若干组，每组进行明确的标记，如用甲、乙、丙，或者是A、B、C，或者是1、2、3，便于实验的观察、统计、比较和叙述。

常用语言模板：

①将培养瓶平均分为3组，编号为A、B、C。

分别向三组培养瓶中加入等量的××细胞悬浮液和等量的培养液，在相同且适宜的条件下培养，分别用血细胞计数板测定各组的××细胞数；②取两支试管，分别编号为甲、乙，各加入等量的某溶液；③选择年龄、体重（性别）、健康状况相同的某种动物随机等量分组，分别编号为1、2、3等。

④选择长势相同、大小相似的同种植物随机等量分组，分别编号为A、B、C等。

（2）对照处理：

根据实验的要求分别对实验组和对照组进行处理，除自变量外，对实验组和对照组的培养、饲养等条件应相同，即控制无关变量。

要注意能体现“单一变量”词语的准确使用，例如使用“等量”“相同”“适宜”等词语。

（3）培养（或饲养）、观察、记录：

对于植物实验和某些动物实验，分别进行实验处理后，要进行一段时间的培养才能出现结果。

而有些实验进行实验处理之后，在短时间内（1～2h）就可以观察出现的现象。

要仔细观察实验组与对照组出现的差异，记录实验现象和实验数据。

4．实验设计的原则

（1）对照性原则——科学、合理地设置对照可以使实验方案简洁明了，且使实验结论更有说服力。

一个实验通常分为实验组和对照组。

实验组是施加自变量处理的对象组，对照组是不施加自变量处理的对象组，无关变量对两者的影响是相同的，两组之间的差别被认为是来自自变量的影响，按照对照方式的不同可分为4种类型：

对照类型

定义

实例

空白对照

不做任何实验处理的对照组

如在还原糖检测实验中留一部分样液不加入本尼迪特试剂，以作对照

相互对照

不设对照组，只在几个实验组之间相互对比

如在植物激素的实验设计中，不同浓度之间相互比较

条件对照

给实验对象施加某种实验处理，虽不是检验假设需要的，但更能充分说明自变量的对照

如在用动物激素饲喂小动物的实验方案中，饲喂甲状腺激素的为实验组；饲喂甲状腺激素抑制剂的是条件对照组；不饲喂药剂的是空白对照组

自身对照

实验与对照在同一对象上进行

如质壁分离及质壁分离复原实验

（2）等量性原则

对照实验设置的正确与否，关键就在于如何尽量去保证“其他条件的完全相同”。

具体有如下四个方面：

生物材料要相同

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的特点要尽量相同或至少大致相同

实验器具要相同

试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小、型号要完全一样

实验试剂要相同

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

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

（3）单一变量原则

在实验设计中仅仅改变实验中的某一项变量，其他因素不变，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。

（4）可重复性原则：

指的是控制某种因素变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。

目的在于尽可能减小非处理因素所造成的实验误差，体现实验的科学性。

（5）简约性和可行性原则：

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（用药少，步骤少，时间短）。

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行性。

（6）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的基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。

二、探究性实验与验证性实验的比较

1．区别

项目

探究性实验

验证性实验

概念

指实验者在不知实验结果的前提下，通过自己进行实验、探索、分析、研究得出结论，从而形成科学概念的一种认知活动

指实验者针对已知的实验结果而进行的以验证实验结果、巩固和加强有关知识内容、培养实验操作能力为目的的重复性实验

实验目的

探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系

验证已知对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系

实验假设

假设一般采用“如果A，则B”的形式表达，是根据现有的科学理论、事实，对所要研究的对象设想出一种或几种可能性的答案和解释

因结论是已知的，故不存在假设问题

实验现象

未知

已知

实验结果预测

对应假设，分类讨论：

①实验组与对照组无显著差异，实验变量无影响；

②实验组比对照组好，实验变量有利；

③实验组比对照组差，实验变量不利（如果是相互对照，也分类讨论）

根据实验原理确定已知实验结果，并对实验结果进行准确描述

实验结论

根据可能的实验结果，进行分析

对应实验目的作出肯定结论

2.举例

项目

探究性实验

验证性实验

实验名称

鉴定某人是否出现糖尿

验证某糖尿病患者尿液中含葡萄糖

实验原理

相同（本尼迪特试剂与可溶性还原糖，在热水浴加热的条件下相互作用出现红黄色沉淀）

实验步骤

相同（取尿液后加本尼迪特试剂热水浴加热，观察实验现象）

实验现象

出现或不出现红黄色沉淀

出现红黄色沉淀

预期实验结果

出现或不出现红黄色沉淀

出现红黄色沉淀

实验结论

若出现红黄色沉淀，证明此人出现糖尿；若不出现红黄色沉淀，证明此人不出现糖尿

糖尿病患者尿液中含葡萄糖

考向一　考查实验目的、实验原理的书写

1．某生物兴趣小组做了一系列的实验后，得到的结果如图所示。

实验目的是：

________________________________________________________________。

答案　探究光照时间、赤霉素和赤霉素合成抑制剂对某种植物茎伸长的影响

2．如图装置表示3株脱淀粉（经充分“饥饿”处理）的长势相同的同种植株放在透光的不同钟罩内，完善下面图解，体验分析思路：

实验目的：

________________________________。

答案　CO2浓度　光合速率　探究CO2浓度与光合速率的关系

模型构建

1．书写实验目的

（1）单自变量双（多）因变量实验目的的书写

书写模式：

实验性质（探究或验证）＋自变量对研究对象＋因变量1和因变量2的作用（影响或效果等）。

（2）获得自变量、观察指标和因变量的方法策略

随自变量的变化而变化的量称为因变量。

如在“缺氮完全培养液培养大豆幼苗”的实验中，大豆幼苗的生长状况就是因变量。

特别要注意因变量和观察指标的区别，因变量是由于自变量的改变而引起的变化，这种变化有时不是直接能观察到的，因此要有一定的观测数据。

如“探究pH对过氧化氢酶活性的影响”实验中，自变量是不同的pH，因变量是酶的活性，但是酶的活性不是直接能观察到的，要通过气泡释放速率来衡量。

这时的气泡释放速率是观察指标而不是因变量。

若自变量和因变量是唯一的，则可直接利用两者的因果关系来判断。

当有多个自变量或因变量时，运用“分解目的法”。

有些实验题的自变量或因变量从实验目的的角度分析，初看不止一个，较难确定，可以用“分解目的法”来确定实验的自变量和因变量。

如“请根据以下提供的实验材料，完善验证生物制剂W对动物不同细胞（正常体细胞和癌细胞）的分裂具有促进作用的实验思路”，可以将实验目的分解为两个小目的：

①验证生物制剂W对动物正常体细胞的分裂具有促进作用；②验证生物制剂W对动物癌细胞的分裂具有促进作用。

由此得出该实验的自变量为生物制剂W的有无、细胞的种类，因变量有两个，分别为正常体细胞的分裂情况和癌细胞的分裂情况。

（3）观察指标与因变量的转换策略

因变量不能直接观察或不易检测时就要选定相应的容易观察或易于测量的观察指标。

若在实验步骤或图表中找到两个观察指标，则需要根据生物教材所学内容分别转换成两个因变量。

（4）双（多）自变量单因变量实验目的的书写

书写模式：

实验性质（探究或验证）＋自变量1、自变量2（和自变量3……）对研究对象＋因变量的作用（影响或效果等）。

获取双（多）自变量的常见方法。

①从实验步骤中获取，根据实验步骤中的描述提取出创设的自变量。

②从实验结论中获取，实验结论往往体现实验目的，也就能从中提取出实验的自变量。

③从实验给出的曲线、图表等信息中提取出自变量。

2．书写实验原理

（1）题型特点：

此类题目通常提供实验方案、步骤或实验结果，要求学生定性探究（验证）实验变量的作用，并分析实验方案、步骤和结果，从而理解实验原理。

（2）实验原理解读及书写

实验原理是在实验结果（现象）与实验结论之间架起的一座“桥梁”，建立实验操作和实验结果的理论联系，实验原理一般应包含三部分内容。

①自变量和因变量的关系＋因变量的观测指标＋实验具体过程描述。

②自变量的作用原理，即“为什么这么做”，要密切关注实验目的及题干信息，注意充分利用题干的提示或联系教材基础知识进行准确描述。

③因变量的检测原理（或操作原理、现象原理），即“为什么出现这样的现象”，可参考题中相关实验步骤进行分析。

考向二　考查实验步骤的书写与分析纠错

3．轮状病毒（RV）是引起婴幼儿腹泻的主要病原体之一，其主要感染小肠上皮细胞，从而造成细胞损伤，引起腹泻。

有专家指出物质X可以预防轮状病毒感染。

为了验证物质X的作用，研究者计划用新生小白鼠做实验。

实验材料：

生长发育状况相同的出生3天的健康小白鼠30只（实验前各小鼠粪便轮状病毒检测为阴性），RV（来源于RV流行高峰期腹泻患儿）。

（注：

给药方式和给药剂量不作具体要求。

）

完善实验思路：

（1）____________________________________________________________________________，分别编号为甲、乙、丙。

（2）____________________________________________________________________________；乙组和丙组每只小白鼠注射等量的生理盐水。

（3）将甲、乙、丙三组小白鼠置于相同且适宜的条件下饲养。

一段时间后，_____________，丙组不做处理。

（4）将甲、乙、丙三组小白鼠置于相同且适宜的条件下饲养。

一段时间后，观察并记录小白鼠的患病情况，统计并分析各组小白鼠的患病率。

答案　

（1）取生长发育状况相同的出生3天的健康小白鼠30只，随机分成数量相等的三组

（2）分别给甲组每只小白鼠注射适量且等量的物质X

（3）给甲、乙两组小白鼠注射适量且等量的轮状病毒（RV）

4．某同学进行了温度对酶活性影响的研究，设计了以下实验。

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。

另取三支试管，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，摇匀后维持各自温度5min。

（3）在三支试管中各滴一滴碘—碘化钾溶液，并摇匀。

观察记录：

（略）。

结论：

温度过高或过低都会影响酶的活性。

请回答：

（1）该实验能否得出上述实验结论？

________。

（2）指出步骤中的不正确之处，并在此基础上加以纠正或补充相应的内容。

________________________________________________________________________。

答案　

（1）不能

（2）①试管上没有做标记，应用字母或数字进行标记。

②步骤

（1）中，加入试管中的两种溶液应有量的描述，补充“3%的可溶性淀粉溶液2mL，新鲜的α淀粉酶溶液1mL”。

③步骤

（2）中没有设置最适温度，应把37℃改为60℃。

④未遵循单一变量原则，酸碱度应一致，pH应都为6.8

模型构建

1．实验步骤的分析填空

此类题目通常给出实验目的和实验原理，并且提供不完整的实验方案、步骤，要求学生结合实验目的和实验原理，补充完善实验方案、步骤。

（1）实验步骤与实验思路的区别：

实验步骤操作性强，而实验思路概括性强。

（2）实验设计的思路

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。

理解实验原理对实验设计有重要作用，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，而是由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，确认实验变量。

在头脑中搜寻教材上或曾做过的实验模型，初步形成操控变量的方法（即大致方案），实验设计大多与单一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（简便性原则），开始草拟具体步骤方案，设计具体步骤后，通过对实验结果（现象）的判断，综合分析，得出实验结论。

⑤回归检验

看看自己的实验是否遵循科学性原则，紧扣实验原理来进行分析；是否有遗漏的地方；是否还有其他可能性存在，即检验实验的严密性、科学性。

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，因变量的确非常重要，因为任何一个科学实验的结论都是从因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。

2．实验步骤的分析纠错

此类题目通常提供错误的实验设计，要求学生在熟悉实验原理的基础上，找出错误并予以改正。

判断流程：

步骤及操作错误分析主要有以下几种情况：

①某个实验步骤遗漏或顺序颠倒；②操作方法错误；③没有设置对照，或对照设置不合理；④实验是否遵循了单一变量原则；⑤实验是否具有偶然性；⑥有无更为简单的实验方案；⑦实验能否顺利完成；⑧实验的安全性。

考向三　考查实验步骤（思路）的完整书写

5．（2019·浙江嘉兴联考）冬虫夏草提取液和对应的益生菌可用于治疗肥胖，研究发现主要是冬虫夏草提取液中的虫草多糖起作用。

为确定治疗肥胖的具体虫草多糖类型，某科研小组从冬虫夏草提取液中分离获得四种虫草多糖（H1、H2、H3、H4），并利用小鼠进行了相关研究，实验结果如图所示：

请根据以下材料和用具，完善实验思路，并进行相应讨论和分析。

（1）材料与用具：

生理盐水，高脂饲料（HFD），普通饲料，正常小鼠140只，冬虫夏草提取液（HSM）、H1、H2、H3、H4，体重测量仪等。

（说明：

小鼠培养、饲喂的具体操作不作要求；小鼠体重的具体测量不作要求；整个实验过程条件适宜）

（2）完善实验思路：

①取小鼠______只，每天饲喂高脂饲料，12周后成为肥胖小鼠。

其余小鼠饲喂普通饲料，为正常小鼠。

②________________________________________________________________________。

③________________________________________________________________________。

④________________________________________________________________________。

⑤________________________________________________________________________。

答案　

（2）①120只

②12周后将肥胖小鼠随机均分为6组，编号为B～G，正常小鼠编号为A

③A、B组小鼠每天分别饲喂含有生理盐水的正常饲料和高脂饲料，C～G组小鼠每天分别饲喂等量的含HSM、H1、H2、H3、H4的高脂饲料

④一段时间后，利用体重测量仪检测各组小鼠体重

⑤统计、记录并分析所得实验数据

解析　由题意可知，本实验是探究治疗肥胖的虫草多糖类型。

本实验共取小鼠140只，共分成7组，每组20只，其中20只作为空白对照，饲喂普通饲料，另外120只饲喂高脂饲料。

实验的具体思路：

①取小鼠120只，每天饲喂高脂饲料，12周后成为肥胖小鼠。

其余20只小鼠饲喂普通饲料为正常小鼠。

②12周后将肥胖小鼠随机均分为6组，编号为B～G，正常小鼠编号为A。

③A、B组小鼠每天分别饲喂含有生理盐水的正常饲料和高脂饲料，C～G组小鼠每天分别饲喂等量的含HSM、H1、H2、H3、H4的高脂饲料。

④一段时间后，利用体重测量仪检测各组小鼠体重。

⑤统计、记录并分析所得实验数据。

6．已知有机物X具有毒性，会诱发染色体断裂。

欲探究肝脏小块对有机物X是否有解毒作用。

请根据以下提供的实验材料与用具，提出实验思路。

材料与用具：

淋巴细胞，淋巴细胞培养液，植物凝集素（刺激淋巴细胞分裂），有机物X溶液，肝脏小块，肝细胞培养液，显微镜，载玻片，盖玻片，培养皿，滴管，姬姆萨染液（使染色体着色）等。

（要求与说明：

实验分四组，染色及装片的具体制作过程不作要求；实验条件适宜且现象明显。

）

写出实验思路（其中实验分组用表格形式，“＋”表示添加）。

________________________________________________________________________。

答案　①在淋巴细胞培养液中加入淋巴细胞及植物凝集素，随机均分成4等份，备用；

②实验分组：

项目

甲

乙

丙

丁

肝细胞培养液

＋

＋

＋

＋

有机物X溶液

＋

＋

肝脏小块

＋

＋

③上述四组分别放入4个培养皿中培养一段时间后，取各培养皿中等量的培养液，分别添加到4份备用的淋巴细胞培养液中继续培养；

④一段时间后，取各组淋巴细胞分别染色、制片。

在显微镜下观察染色体的形态与数目，并对比分析。

模型构建　实验步骤书写四部曲

考向四　考查预测实验结果与结论

7．（预测实验结果——纯文字）现有一种由人工膜制成的袋，为检测淀粉和碘能否透过某人工膜袋，现提供试剂和用品如下：

铁架台、烧杯和人工膜袋各一个，1%的淀粉溶液，稀碘溶液和细棉线等。

（1）实验的设计思路是把淀粉和碘液分开，分别置于人工膜袋的袋内和烧杯内。

人工膜袋口用细棉线扎紧，袋口高于烧杯内液面。

（2）实验结果预测及分析：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（2）①若袋内外液体均不变蓝，则表明淀粉和碘均不能透过人工膜袋；②若袋内外液体均变蓝，则表明淀粉和碘均能透过人工膜袋；③若袋内液体变蓝，袋外液体不变蓝，则表明碘能透过人工膜袋，淀粉不能透过人工膜袋；④若袋外液体变蓝，袋内液体不变蓝，则表明碘不能透过人工膜袋，淀粉能透过人工膜袋

模型构建

1．验证类实验

（1）题型特点：

此类题目通常提供实验思路、方案或步骤，要求学生挖掘试题提供的信息并利用所学生物学知识理解实验原理，分析预测相关实验的结果。

（2）模板呈现

2．探究类实验

（1）题型特点：

此类题目通常提供需要探究的实验结论，要求学生设计实验方案，并对实验所有可能的结果作出预测。

（2）模板呈现

8．（预测实验结果——统计图）现提供以下实验材料、试剂与用具：

新制备若干条5cm长的萝卜条、蒸馏水、蔗糖、三角尺、烧杯等，请你设计一个实验方案，探究植物细胞在不同浓度的蔗糖溶液中的渗透作用。

实验思路如下：

①用蒸馏水与蔗糖配制成具有一定浓度梯度的蔗糖溶液。

②将若干5cm长的萝卜条分别浸泡在蒸馏水和不同浓度的蔗糖溶液中，每隔一段时间用三角尺测量萝卜条的长度，记录并求平均值。

请预测结果：

建立一个坐标系，用曲线图预测萝卜条长度的变化情况（至少画出四种蔗糖浓度中对应的变化曲线）。

答案　如图所示

模型构建

常用的统计图有条形统计图、曲线统计图等。

统计图可以使复杂的统计数字简单化、通俗化、形象化，使人一目了然，便于理解和比较。

统计图一般采用直角坐标系。

横坐标用来表示事物的组别或者自变量，纵坐标常用来表示事物出现的次数或者因变量。

若在同一坐标系中绘制两个或两个以上的自变量时，都要在图例中注明。

以下介绍几种常用的统计图：

1．条形统计图

条形统计图可以清楚地表明各种数量的多少。

一般适用于内容较为独立，缺乏连续性的数量资料，用来表示有关数量的多少，特别适合于对各数量进行比较。

2．曲线统计图

曲线统计图不仅可以表示数量的多少，而且反映同一事物在不同时间里发展变化的情况。

绘制方法：

（1）首先确定自变量和因变量，一般用横坐标表示自变量，纵坐标表示因变量，标出变量的名称与单位。

（2）确定关键点，在相应位置描出曲线的起点、转折点、终点等关键点。

（3）明确曲线的变化趋势。

（4）根据题目的要求用折线或曲线把关键点连接起来。

（5）标名称，如果坐标图中有2条或2条以上的曲线，要在各条曲线的对应位置标出相应的名称。

（6）检查曲线统计图是否符合题目要求。

无论是条形图还是曲线图，在绘制统计图时都要注意书写图表名称及规范的图注。

9．（预测实验结果——设计表格）为验证反射弧的组成与作用，某同学设计了以下实验思路：

取1只脑部刚刚损坏的青蛙，将其悬挂起来。

①用1%H2SO4溶液刺激该蛙左后肢的趾端（如图所示），观察蛙是否屈腿。

②洗去H2SO4，再用1%H2SO4溶液刺激该蛙左后肢趾端，测量该刺激与屈腿是否同时发生。

③分离得到该蛙左后肢的坐骨神经腓肠肌标本，用电刺激直接刺激腓肠肌，观察其是否收缩。

④用电刺激直接刺激上述标本的腓肠肌肌细胞，在坐骨神