版高考生物一轮复习第十单元实验原则与实验设计学案新人教版.docx
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版高考生物一轮复习第十单元实验原则与实验设计学案新人教版
第十单元实验原则与实验设计
[考纲展示]
1．能独立完成考纲规定的教材实验，包括理解实验的目的、原理、方法和操作步骤，掌握相关操作技能，并能将这些实验涉及的方法和技能等进行运用。
2.具备验证简单生物学事实的能力，能对实验现象和结果进行分析、解释，并能对收集到的数据进行处理。
3.具有对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。
4.能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订。
授课提示：
对应学生用书第240页
1．完整的实验设计一般包括实验题目、假设、预期、实验、观察和收集数据、分析、推论、评价、交流等。
2．科学探究的一般过程为：
观察、提出问题→做出假设→设计、完成实验→分析数据，得出结论→交流、表达和再探究。
3．探究实验设计时要遵循三大原则：
科学性原则、对照原则和单一变量原则。
4．实验过程中可以变化的因素称为变量，生物学实验中常涉及的类型有自变量、因变量和无关变量。
5．实验一般程序：
分组编号→设置对照→条件处理→观察比较→得出结论。
[巧记助学] 有关探究性实验变量4个易错点
（1）明确变量的分类及含义
变量可分为自变量、因变量和无关变量。
自变量又叫实验变量，是作用于实验对象的因素或条件，应具有可变性和可操作性。
因变量又叫反应变量，是随自变量变化而产生的反应或现象，应具有可测性和客观性。
无关变量又叫干扰变量，是指除实验变量外影响实验结果与现象的因素或条件，应具有可控性。
（2）明确变量间的关系与要求
自变量（实验变量）―→可操作性和可变性
无关变量（干扰变量）―→可控性
因变量（反应变量）―→可测性
（3）遵循单一变量原则与等量原则：
单一变量原则强调的是实验变量的单一性，而等量原则强调的是无关变量的等量性。
（4）注意无关变量的平衡。
授课提示：
对应学生用书第240页
考点一 实验设计的基本原则
[核心考点通关]
一、实验设计基本原则
1．科学性原则
包括实验原理、实验材料的选择、实验方法和实验结果的处理等方面要保证不出现科学性错误，要有科学的思想和方法作指导。
2．对照原则
对于对照实验，一个实验包括实验组和对照组。
实验组是接受自变量处理的对象组，对照组（控制组）是不接受自变量处理的对象组。
常用的对照类型有以下几种：
（1）空白对照：
对照组为不作任何处理的对象组。
这里的不作处理，并非什么因素都不给予，而是针对实验所要研究的因素不给予，以体现实验因素的有无对实验结果的影响。
如“探究影响酶活性的条件”实验中：
（2）自身对照：
实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。
如“探究植物细胞的吸水和失水”实验，即是典型的自身对照——实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
（3）条件对照：
给对照组施以某种实验处理，但不是所研究的实验因素，以突出实验实施的处理因素与实验所研究因素的差异，从一个侧面衬托实验因素对实验结果所造成的影响。
如肺炎双球菌转化实验中以下两组实验：
S型菌DNA＋R型活菌
S型菌落＋R型菌落（实验组）；
S型菌DNA＋DNA酶＋R型活菌
R型菌落（条件对照组）。
（4）相互对照：
不单设对照组，而是几个实验组相互对照。
如“探究影响酶活性的条件”实验中，探究温度对酶活性的影响时，要用热水、正常温度的水、冰水三个实验组来探究，进行相互对照，以得出相应的实验结论。
第十单元 实验原则与实验设计高考总复习 生物3.单一变量原则
在实验中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。
单一变量原则是指控制其他因素不变，而只改变其中某一因素，观察其对实验结果的影响。
4．平行重复原则
为了使实验结果或实验数据更接近真实情况，避免偶然因素对实验的影响，一般在实验组中控制相同条件下多设几组，以使得出的结论更准确、科学。
二、教材中探究类实验分析
1．生物实验中的变量
变量是实验过程中可以变化的因素。
在设计实验时，要注意使自变量可控制、因变量比较好检测，并尽量避免无关变量对实验的干扰。
实验名称
自变量
因变量
无关变量
通过模拟实验探究膜的透性
半透膜两侧溶液浓度差
漏斗玻璃管液面的上升高度
半透膜的种类、开始时的液面、温度等条件
探究温度对淀粉酶活性的影响
不同温度（至少三种）
酶的活性（加碘液后溶液颜色的变化）
pH、底物量、酶量、试管的洁净程度、反应时间、操作程序等
探究pH对过氧化氢酶活性的影响
不同pH（至少三种）
酶的活性（气泡的数量或带火星的卫生香燃烧的猛烈程度）
温度、底物量、酶量、试管的洁净程度、反应时间、操作程序等
探究酵母菌细胞呼吸的方式
氧的有无
CO2生成量（澄清石灰水的混浊程度）；酒精产生（用重铬酸钾溶液检测）
葡萄糖溶液浓度、石灰水的量、温度、pH、锥形瓶的洁净程度、连接导管的大小等
模拟探究细胞表面积与体积的关系
细胞体积的大小
物质运输的效率
琼脂块的一致性、NaOH溶液的量、浸泡的时间、测量的准确性等
探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度
不同浓度的生长素类似物
扦插枝条的生根数量或长度
实验材料的一致性、激素浓度的准确性、处理时间的一致性等
探究培养液中酵母菌数量的动态变化
时间
酵母菌种群数量
培养液的成分、培养条件、空间等
探究水族箱中群落的演替
时间
群落的演替
水族箱的培养条件和环境等
2.实验探究中的研究方法与思维
（1）根据颜色来确定某种物质的存在：
待测液＋碘液→呈蓝色，待测液中存在淀粉；
待测液＋斐林试剂→呈砖红色，待测液中存在还原糖；
待测液＋苏丹Ⅲ（苏丹Ⅳ）→呈橘黄色（或红色），待测液中存在脂肪；
待测液＋双缩脲试剂→呈紫色，待测液中存在蛋白质。
（2）用大分子染料如红墨水来验证生物组织细胞膜的选择透过性或检验细胞的死活。
（3）用荧光标记法来证明细胞膜具有一定的流动性。
（4）同位素示踪法：
探究光合作用产生氧气的来源；噬菌体侵染细菌实验证明DNA是遗传物质，蛋白质不是遗传物质；探究DNA的复制是半保留复制；用18O2和14CO2追踪光合作用中氧原子和碳原子转移途径等。
（5）模拟实验法：
如渗透作用的实验装置，分离定律的模拟实验等。
（6）获得无子果实的方法：
用适宜浓度的生长素类似物处理花蕾期已去雄的子房，如无子番茄的获得；诱导染色体变异，如无子西瓜的获得。
（7）确定某种激素功能的方法：
饲喂法、切除注射法、阉割移植法、切除口服法。
（8）确定传入、传出神经的功能：
刺激＋观察效应器的反应或测定神经上的电位变化。
（9）植物杂交的方法
雌雄同花：
花蕾期去雄＋套袋＋开花期人工授粉＋套袋；雌雄异花：
花蕾期雌花套袋＋开花期人工授粉＋套袋。
（10）确定某一显性个体基因型的方法：
测交或该显性个体自交。
（11）确定某一性状为显性性状或隐性性状的方法：
具有一对相对性状的纯合体杂交，观察后代性状表现。
（12）确定某一个体是否具有抗性基因的方法：
确定小麦是否具有抗锈病基因，用锈菌去侵染小麦叶片，一段时间后，观察有无锈斑出现。
（13）测定种群密度的方法：
样方法，标志重捕法。
（14）化学分析法：
如番茄和水稻对Ca和Si选择吸收，叶绿体中色素的提取和分离实验等。
（15）理论分析法：
如大、小两种草履虫竞争的实验，植物根向地生长、茎背地生长的实验，植物向光性实验等。
（16）等组实验法：
如小麦淀粉酶催化淀粉水解的实验，发现生长素的燕麦胚芽鞘实验。
[题组突破演练]
题组一 实验设计基本原则分析
1．（2017·江苏苏北四市联考）实验中的变量主要有自变量、因变量和无关变量。
下列控制无关变量的操作，错误的是（ ）
A．验证光合作用能产生淀粉的实验中，首先将实验植物做饥饿处理
B．探究唾液淀粉酶的最适pH的实验中，将每一组温度控制在37℃
C．验证光合作用需要光照的实验中，将叶片的一半用黑纸包住
D．探究唾液淀粉酶最适温度的实验中，每一组都加入等量的淀粉
解析：
验证光合作用能产生淀粉的实验中，将实验植物做饥饿处理，避免植物自身原有的有机物对实验结果产生影响属于控制无关变量的操作，A正确；探究唾液淀粉酶的最适pH的实验中，将每一组温度都控制在37℃，是控制无关变量温度对实验的影响，B正确；验证光合作用需要光照的实验中，将叶片的一半用黑纸包住，这是设置自变量，不是控制无关变量，C错误；探究唾液淀粉酶最适温度的实验中，每一组都加入等量的淀粉，淀粉的量也影响实验的结果，需要控制，D正确。
答案：
C
2．下列实验中，有关实验组和对照组的设置，正确的是（ ）
选项
实验名称
实验组
对照组
A
探究过氧化氢酶作用的最适pH
氢氧化钠溶液或盐酸＋过氧化氢溶液＋过氧化氢酶
蒸馏水＋过氧化氢溶液＋过氧化氢酶
B
验证过氧化氢酶具有催化作用
过氧化氢溶液＋肝脏研磨液
过氧化氢溶液＋FeCl3溶液
C
验证酶的专一性
新鲜蔗糖溶液＋新鲜蔗糖酶液
新鲜淀粉溶液＋新鲜淀粉酶液
D
验证某种酶是蛋白质
待测酶溶液＋双缩脲试剂
标准蛋白质溶液＋双缩脲试剂
解析：
探究过氧化氢酶作用的最适pH应设置成相互对照实验，无特定的对照组，多个实验组的pH不同，表中A项对应的设置是验证pH对酶活性影响，A项错误。
验证酶具有催化作用，对照组应设置为用等量蒸馏水＋过氧化氢溶液。
B项对应的设置是验证酶具有高效性，B项错误。
验证酶的专一性应设置为：
实验组为反应物＋相应酶液，对照组为另一反应物＋同一酶液或同一反应物＋另一种酶液，C项错误。
验证某种酶是蛋白质的实验中，对照组设置成标准蛋白质溶液＋双缩脲试剂是为了排除无关变量的干扰，D项正确。
答案：
D
题组二 探究类实验分析
3．如图是“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验的4个组别，下列相关的叙述中，不正确的是（ ）
A．温度是组别3号与4号的无关变量
B．组别1号为对照组，其余为实验组
C．组别1号与4号对照，说明酶具有催化性
D．组别3号和4号实验均可置于90℃水浴中进行
解析：
3号和4号的变量是催化剂不同，温度相同，故温度是无关变量，故A正确；组别1号不做处理，为对照组，其余的为实验组，故B正确；1号和4号自变量为是否加肝脏研磨液，能说明酶具有催化作用，故C正确；3号和4号实验不能置于90℃水浴中进行，因为酶的作用条件温和，故D错误。
答案：
D
4．已知物质X对菠菜种子的萌发有抑制作用，物质Y可解除物质X的抑制作用。
某研究小组现设计实验验证物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用，请完善该实验。
（要求与说明：
答题时用X、Y表示相关名词；物质X、物质Y的剂量均符合实验要求；物质X、物质Y的相应处理措施不作具体要求）
（1）该实验的自变量为____________，因变量为____________。
（2）实验步骤：
①用物质X处理菠菜种子一段时间；
②将用物质X处理过的菠菜种子均分为两组，编号为甲、乙，甲组不做处理，乙组________，将两组菠菜种子分别置于________的环境下培养。
③一段时间后_________________________________________________。
（3）预测实验结果及结论：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
该实验的自变量是物质Y的有无，因变量是菠菜种子的萌发率。
实验步骤中，应先用物质X处理菠菜种子一段时间，然后进行不同的处理，最后统计分析菠菜种子的萌发率。
不做处理组的萌发率低于物质Y处理组的萌发率，证明物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用。
答案：
（1）物质Y的有无 菠菜种子的萌发率
（2）用物质Y处理 相同且适宜 统计分析两组菠菜种子的萌发率
（3）甲组菠菜种子的萌发率低于乙组，说明物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用
考点二 探究性实验与验证性实验
[核心考点通关]
1．探究性实验与验证性实验比较
比较项目
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的答案、解释
因结论是已知的，故不存在假设问题
2.实验设计方案
准确把握实验目的：
明确实验要解决的“生物学事实”是什么？
要解决该“生物学事实”的哪一方面？
明确实验原理：
分析实验所依据的科学原理是什么？
涉及的生物学及相关学科中的方法和原理有哪些？
确定实验变量、设置对照实验：
找出自变量和因变量，确定实验研究的因素，以及影响本实验的无关变量；构思实验变量的控制方法和实验结果的获得手段。
确定实验方法：
根据实验目的和所提供的材料来确定。
设计合理的实验装置和实验步骤：
严格遵循实验设计原则，在充分考虑实验原理以及提供的实验材料、用具的基础上，根据设计要求，设计实验装置和步骤。
得出预期实验结果和结论
3．实验步骤设计的一般步骤
第一步：
取材、分组和编号
（1）取材
探究性实验中一般提供实验的材料，但在设计实验步骤时需注意常用的关键词，如“取相同的（或生理状态相同的）……若干只（或株、个等）”。
如此设置是防止无关变量对实验结果的影响。
（2）分组
要体现随机性、均衡性或者合理的梯度性。
常用的关键词为：
“……随机（或平均）分为若干组”。
（3）编号
根据实验分组情况而编号，如“甲组、乙组”等，或“①组、②组、③组、……”
第二步：
实验处理
实验处理遵循单一变量原则。
即除自变量外，其他因素都是相同的。
常用的模式为：
“①组施加实验变量，②组作为对照不施加实验变量”。
第三步：
观察、记录
实验的因变量尽可能选择较好地反映与实验的自变量之间的关系，并易于实验人员观察和测定的指标。
常用的关键词为“……一段时间后观察（测定）……做好记录等”。
4．对实验设计方案的检查和评价
一看对照
二看步骤
三看结果
四看器材
五看条件
[题组突破演练]
题组 验证性实验与探究性实验设计分析
5．某兴趣小组为验证2,4D对插条生根的促进作用，进行了如下实验。
A．剪取同一杨树植株上长势与长度相同、部位相近且有3个芽的健壮枝条20根，随机均分为甲、乙两组；
B．甲组每根插条上都保留3个芽，乙组插条上的芽全部去除；
C．将甲组插条的下端插入适量蒸馏水中，乙组插条的下端插入等量适宜浓度的2,4D溶液中。
两组均置于相同且适宜的环境中培养；
D．每天观察、记录插条上芽的数目。
请对上述实验进行分析：
（1）每组选取多根插条的目的是_________________________________。
（2）请指出该实验设计的两项不合理之处。
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________。
（3）实验设计改正后，甲组起________作用。
解析：
首先明确实验性质是验证性实验；其次分析变量，自变量是2,4D的有无，因变量是插条生根的情况，无关变量有枝条的长势、长度、环境温度、溶液体积等。
（1）若每组只有一根插条，则受偶然因素的影响较大，若选多根插条则可以排除偶然因素对实验结果的影响。
（2）甲、乙两组插条上芽的数量不等，违背了实验设计的等量原则和单一变量原则；据题意本实验的实验目的是验证2,4D对插条生根的促进作用，因此应观察生根的情况，而不能观察芽的数目，观察指标不对。
（3）该实验设计改正后甲组是对照组，乙组是实验组。
答案：
（1）减少实验误差（排除偶然因素对该实验结果的影响或排除无关变量的影响）
（2）①甲、乙两组插条上芽的数量不等（或没有控制好变量）
②观察、记录插条上芽的数量不对（或观察记录的指标不对）
（3）对照
6．重金属离子会导致蛋白质分子变性，为探究铜离子对唾液淀粉酶活性的影响，某同学进行了实验，实验步骤如下：
①取两支洁净的试管，编号A、B，A管加入1%CuSO4溶液和pH6.8缓冲液各1mL，B加入C。
②往两支试管各加入1%淀粉酶溶液1mL。
③往两支试管各加入1%淀粉溶液1mL，放入37℃恒温水浴保温一段时间。
④取出试管，各加入1%碘溶液3滴，观察颜色变化。
讨论与分析：
（1）实验中设置B管的目的是________，“实验步骤”中C处应为________________________________________________________________________；
（2）实验中加入缓冲液的作用是________________________________________________________________________。
（3）有同学提出由于CuSO4溶液呈蓝色，用上述步骤的检测方法可能会对实验结果产生干扰，请你提出另外的一种结果检测方法并预估实验结果。
①检测方法：
___________________________________________。
②预估结果：
A管：
________；B管：
________。
解析：
（1）本实验的自变量是铜离子的有无，对照处理时实验组施加Cu2＋，对照组施加蒸馏水。
（2）实验中缓冲溶液的作用是维持反应液中pH的稳定。
（3）淀粉的水解反应检测既可以检测反应物淀粉的消耗，也可以检测产物——麦芽糖的生成。
麦芽糖是还原糖，可以用斐林试剂检测。
答案：
（1）（空白）对照 蒸馏水和pH6.8缓冲液各1mL
（2）维持反应液中pH的稳定
（3）①取出试管，各加入斐林试剂1mL,60℃恒温水浴2分钟，观察颜色变化 ②无砖红色（或蓝色） 出现砖红色沉淀
实验设计语言叙述中应注意的问题
（1）实验材料选择：
①植物：
“大小相似，长势相同的同种植株”。
②动物：
“体重（体长）、年龄、生长趋势相同”，有时甚至要“性别”相同。
③有时可以叙述为“生长状况基本相同的个体”。
（2）试剂选择：
在量上难以做到准确的量化描述时，应尽可能用“定性”的语言表达，要注意“等浓度”、“等体积”、“适量的”、“一定量的”等词语的运用；实验时间和条件上用“一段时间”、“适宜的温度、pH”等语言。
（3）实验器具选择：
容器应使用大小相同的。
如果使用滴管滴加不同溶液，应选用不同的滴管。
授课提示：
对应学生用书第243页
练全国高考真题——知考查重点
1．（2016·高考江苏卷）过氧化物酶能分解H2O2，氧化焦性没食子酸呈橙红色。
为探究白菜梗中是否存在过氧化物酶，设计实验如下表。
下列相关叙述正确的是（ ）
试管
1%焦性没食子酸/mL
2%H2O2/mL
缓冲液/mL
过氧化物酶溶液/mL
白菜梗提取液/mL
煮沸冷却后的白菜梗提取液/mL
1
2
2
2
－
－
－
2
2
2
－
2
－
－
3
2
2
－
－
2
－
4
2
2
－
－
－
2
A.1号管为对照组，其余不都是实验组
B．2号管为对照组，其余都为实验组
C．若3号管显橙红色，无须对照就能证明白菜梗中存在过氧化物酶
D．若4号管不显橙红色，可证明白菜梗中无过氧化物酶
解析：
3号管为实验组，1号管、2号管和4号管均为对照组，A正确，B错误；设置对照组的作用在于通过实验组和对照组对比，消除无关变量对实验结果的影响，增强实验结果的可信度，C错误；4号管中煮沸冷却后的白菜梗提取液所含的酶已变性失活，无法判断白菜梗中是否有过氧化物酶，D错误。
答案：
A
2．（2016·高考北京卷）人感染埃博拉病毒（EV）会引起致命的出血热。
为了寻找治疗EV病的有效方法，中外科学家进行了系列研究。
（1）EV表面的糖蛋白（EVGP）作为________刺激机体产生________性免疫反应。
（2）科学家采集了多年前感染EV并已康复的甲、乙两人的血液，检测抗EVGP抗体的水平。
据图1，应选取________的血液分离记忆B细胞用以制备单克隆抗体（单抗）。
图1
图2
（3）将制备的多种单抗分别与病毒混合，然后检测病毒对宿主细胞的感染率。
据图2，抑制效果最好的两种单抗是________。
（4）EVGP具有多个与抗体结合的位点。
为了研究上述两种单抗（分别称为A、B）与EVGP结合的位点是否相同，可按图3所示简要流程进行实验。
图3
①请将图3中应使用的抗体填入下表ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ处（填“A”或“B”或“无关抗体”），完成实验方案（一种即可）。
抗体
组别
未标记抗体
荧光标记抗体
实验组
ⅰ________
ⅱ________
对照组1
ⅲ________
ⅳ________
对照组2
同ⅱ
同ⅱ
②若A、B与EVGP结合的位点不同，与对照组1、2分别比较，实验组的荧光值应________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（5）中国科学家用分子结构成像技术证实了A、B与EVGP结合的位点不同。
基于上述系列研究，请你为治疗EV病提供两种思路：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
（1）EV表面的糖蛋白是大分子物质，对机体而言是异物，能作为抗原刺激机体产生特异性免疫反应。
（2）据图1可知，甲血液中抗体相对浓度高，最适合分离出记忆B细胞用以制备单克隆抗体。
（3）据图2可知，Ⅲ号和Ⅴ号单抗分别与病毒混合后，病毒对宿主细胞的感染率较低。
（4）该实验的目的是研究A、B两种单抗与EVGP的结合位点是否相同。
对比实验组和对照组2，可确定自变量是未标记抗体的种类，荧光标记抗体是无关变量，因变量是荧光强度。
①实验组与对照组应遵循单一变量原则，故对照组1中ⅳ也应同ⅱ，因为荧光标记抗体在本实验中是无关变量，所以完善实验方案如下：
方案一：
ⅰB，ⅱA，ⅲ无关抗体，ⅳA。
方案二：
ⅰA，ⅱB，ⅲ无关抗体，ⅳB。
②若A、B与EVGP结合的位点不同，实验组的荧光值与对照组1基本相同，且明显高于对照组2。
（5）既然已证实A、B与EVGP结合的位点不同，那么在治疗EV病时就可以单独或共同使用A、B进行治疗。
另外还可以考虑用“生物导弹”，即利用单抗制成靶向药物。
也可以针对EVGP与抗体结合位点的结构研制新型药物。
答案：
（1）抗原 特异
（2）甲
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