届高中生物实验专题.docx
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届高中生物实验专题
2013届高三生物实验设计专题
<高考目标要求>:
生物科高考说明中对实验考查的目标和要求是“使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并能对实验结果进行解释和分析”。
具体的能力考查要求包括两个部分：
一方面是考生能够设计简单的生物学实验，另一方面则是能够对实验结果进行解释和分析。
考查考生设计实验方案、验证生物学事实的能力，考查考生对实验结果分析、解释和推导结论的能力，以及根据某些实验条件和部分结果，推测下一步实验结果的能力；同时也考查了考生对生物学实验中常以图、表等抽象形式所表达的生物学意义的理解能力，准确描述相关的现象、原理的能力。
这种考查目标更适应对学生创新能力的自我展现。
这就要求考生能明确掌握生物学实验设计的基本原则和方法，惟其如此才能设计出一个完整严谨的实验方案，也才能有根有据地分析解释实验结果、推导结论，根据部分实验结果推测、预期后续实验步骤的结果及理解、表述等。
由于高考侧重于对实验能力的考查，设计型实验题是近几年高考的一个热点。
所谓设计型实验题——就是要求考生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验现象。
<实验设计基础知识>
一、完整实验方案的基本内容
1．实验名称:
是关于一个什么内容的实验。
（即研究或实验的内容）
2．实验目的:
要探究或者验证的某一事实或者做了该实验后，要解决什么问题。
3．实验原理:
进行实验依据的科学道理。
（即完成该实验应用的理论依据）
4．材料用具：
包括实验材料、仪器或试剂等
5．实验的操作步骤:
涉及到实验设计思想、器材、药品的使用、实验设计原则（科学性、简便性、单一变量、平行重复性、平衡控制等）的体现。
6．实验测量与记录:
对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确客观的记录。
7．实验结果预测及分析:
能够预测可能出现的实验结果并分析导致的原因。
8．实验结论:
对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论。
注：
关于“假设”、“结果预测”、“实验结果”与“实验结论”的辨析
（1）假设：
根据现有的知识和生活经验．对提出的问题作出的尝试性回答，也就是作出假设。
假设的提出是要有依据的。
参考案例：
“探究植物细胞的吸水和失水”的实验中，某小组提出的问题“原生质层相当于一层半透膜吗？
”，针对这一问题他们作出的假设：
“原生质层相当于一层半透膜”。
他们的理由是：
植物细胞膜和液泡膜都是生物膜，它们具有与红细胞的细胞膜基本相同的化学组成和结构；做菜馅时因为放了盐，菜中的水分大量流出，这与红细胞失水很相似。
所作的假设即使是有依据的，也仅仅是一种推测，这种推测是否正确还需要实验来检验。
（注：
验证性实验因结论是己知的，因此不需要假设）
（2）结果预测：
也称“结果预期”，是在实验设计方案确定以后实验正式实施之前，依据提出的假说进行推理，得出的假定性结果或推论。
实验结果预测一般与假设相对应。
若是“探究性实验”预测的实验结果不唯一，需分情况讨论，大多有三种可能：
①变量促进结果；②变量抑制结果；③变量与结果无关。
若是“验证性实验”可预测到与实验目的一致的结果，因此往往不需要作结果预测。
（3）实验结果：
实验结果是实验过程中观察到的现象或收集到的数据，如实验对象呈现的特殊颜色、气味、形态、生理等方面的变化，因此实验结果应是对实验现象的直接陈述，是实验反应的客观存在。
（4）实验结论：
实验结论是在实验结果的基础上，根据已有的知识进行的合理推论，通过对实验现象的分析、比较、抽象概括而得出的定性表述，是对以后实践活动具有指导作用的“规律性”认识。
如鉴定葡萄糖是还原糖的实验中，实验结果是“葡萄糖与斐林试剂加热后出现砖红色沉淀”，实验结论是“葡萄糖是还原糖”。
【总结】若实验结果与预期结果一致，则假设成立，得出相应结论；反之，假设不成立，得出不同结论。
由此可知，“假设”对应“结论”，“预期”对应“结果”。
例1.下面是最早发现抗生素——青霉素的科学家弗莱明所进行的探讨过程。
观察及对问题的认识：
细菌培养基中，偶然生出青霉菌，在其周围没有细菌生长。
为什么出现这种现象呢？
假设：
实验：
把青霉菌放在培养液中培养，然后观察使用这种培养液对细菌生长的影响。
结果：
这种培养液阻止了细菌的生长和繁殖。
结论：
弗莱明先生在持续的研究中分离出了这一物质，分析出它的特征并将它命名为青霉素。
请回答：
（1）为了证明青霉素的确是青霉菌产生的而不是培养液和培养基中的其他物质产生的，则应设计对照实验，其实验方法是：
___________________________________________
（2）若对照组实验结果_，则充分证明青霉菌确实能产生阻止细菌繁殖的物质。
二、高中生物实验中的变量分析
生物学实验实质是通过改变某一环境因素（变量），通过观测由之引起的实验结果，揭示生命活动原理或规律的活动。
变量的种类:
①自变量与因变量。
自变量是实验中由实验者操纵的因素或条件，而因变量是指由自变量而引起的变化结果，二者之间是前因后果的关系。
实验的目的就在于获得和解释前因与后果。
例如“探究影响酶活性的条件”的中，“低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水）就是自变量，而这些变量引起的实验变化结果就是因变量。
该实验旨在获得和解释温度变化（自变量）与酶的活性（因变量）的因果关系。
②无关变量与额外变量。
无关变量是指实验中除自变量外的影响实验结果与现象的因素或条件。
由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。
它们之间也是前因后果的关系。
但它们的存在对实验与因变量的获得起干扰作用。
例如“探究影响酶活性的条件”中，除自变量（温度）外，试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、淀粉浓度、温度处理的时间长短等就属于无关变量。
如无关变量中的任何一个或几个对三组实验不等同、不均衡，就会产生额外变量，影响实验的真实结果。
在生物学实验中，首先要分析确认自变量、因变量和无关变量这三种变量，才可能进一步分析研究实验结果，揭示其背后的原理或规律。
因此学会分析这三种变量是生物科学的基本素养，是分析解决实验问题的基础，也是高考中常考的内容。
变量的控制:
包括操纵自变量，以获取因变量，还要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。
一句话，通过实验控制尽量消除实验误差，以取得较为精确的实验结果。
①操纵自变量的方法：
设法给研究对象施加干扰，造成实验对象的变化，从
而使研究对象在被干扰状态中反映出某种现象和属性。
方法：
施加、改变、去除等。
②检测因变量的方法：
根据实验原理和实验条件确定观察和测量的指标和方法。
具体：
观察特异性颜色变化、沉淀反应；观察形态结构、生理变化；测量生长发育速度；测量生化反应速度等。
③控制无关变量的方法（平衡控制）：
平衡控制主要是针对无关变量的控制。
因为实验中的无关变量很难避免，只能设法平衡和抵消它们的负面影响。
具体：
等同或等量处理；随机处理；对照实验；重复实验。
例2.为探究环境因素对光合作用强度的影响，设计进行下列实验。
实验材料和用具：
100mL量筒、50W、100W、200W和400W的台灯、冷开水、NaHC03、黑藻等。
实验步骤：
①准备4套如图所示装置，编号为1-4。
在瓶中各加入约500mL0.01g/mLNaHC03溶液后用冷开水充满。
②取4等份长势相同的黑藻分别放入1-4号装置。
③将4套装置放入暗室中24小时，然后分别用50W、100W、200W和400W的台灯等距离照射1-4号装置，观察气泡的产生情况。
④30min后停止光照，测量光合作用释放的O2体积（mL）。
以上实验重复三次。
分析并回答有关问题：
（1）列出实验中的无关变量：
（举两个）、自变量因变量。
三、实验设计的主要基本原则
设计实验时要把握的原则主要有科学性原则、可行性原则、对照原则、单一变量原则、平行重复原则、随机性原则和简便性原则等，最常考的则是单一变量原则、对照原则和平行重复原则。
这三个原则都与上述三种变量密切相关。
1.单一变量原则
单一变量原则是指控制其他因素不变，只改变其中一个因素（要研究的因素，即自变量），然后观察其对实验结果的影响。
单一变量原则强调的是实验组和对照组相比只能有一个变量，只有这样当实验组和对照组出现不同结果时，才能确定造成这种不同结果的原因肯定是这个变量造成的，从而证明实验组所给实验因素的作用，因此在设计对照组实验时首先要确定变量并加以正确设置，至于将谁作为变量则很容易确定，即要验证（探究）谁则把谁作为变量，也就是要把所要验证的中心条件作为变量。
如要探索PH对淀粉酶活性的影响，则需把PH作为变量；要验证光合作用需要光则应将光作为变量；要验证光合作用需二氧化碳则把二氧化碳作为变量等等。
等量性原则与单一变量原则是完全统一的。
只不过强调的侧面不同，单一变量原则强调的是实验变量的单一性，而等量性原则强调的是除了实验变量之外的一切对实验结果有影响的无关变量必须严格控制等量即相同，以平衡和消除无关变量对结果的影响，不论一个实验有几个实验变量，都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中的复杂关系的准则之一。
在实验中经常要控制的无关变量一般有：
①所用生物材料要相同：
即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特点要尽量相同或至少大致相同。
②所用实验器具要相同：
即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。
③所用实验试剂要相同：
即试剂的成分、浓度、体积要相同。
尤其要注意体积上等量的问题。
④所用处理方法要相同：
如：
保温或冷却：
光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。
有时尽管某种处理对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但最好还是要作同样的处理。
注意：
无关变量在进行严格控制时，不但要等同或等量，而且是在适宜条件下的等量，常态条件下的等量。
2.对照原则
所谓对照实验是指除自变量外，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。
实验中的无关变量很多，必须严格控制，在实验中为了排除无关变量的干扰，常常要设立对照实验。
设计对照实验的主要目的就是排除无关变量的干扰。
对照实验设置的正确与否，关键就在于如何尽量去保证“其它条件的完全相等”。
按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型：
（1）空白对照，即对照组为不作任何处理的对象组。
空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。
例如，在“唾液淀粉酶催化淀粉”的实验中，实验组滴加了唾液淀粉酶液，而对照组只加了等量的蒸馏水，起空白对照。
在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。
这为典型的空白对照。
（2）条件对照，即给实验组某种处理，给对照组另一条件处理（不是所研究的实验处理因素）。
这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理，目的是通过得出两种相对立的结论，以验证实验结论的正确性。
例如，在“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，存在以下实验组和对照组。
甲组：
饲喂甲状腺激素（实验组）；乙组：
饲喂甲状腺激素抑制剂（条件对照组）；丙组：
对蝌蚪不作任何处理（空白对照组）；
该实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明自变量——甲状腺激素能促进动物的生长发育。
例3：
请用DNA酶作试剂，选择适当的材料用具，完成下列的实验方案，验证促进R型细菌转化成S型细菌的物质是DNA，并预测实验结果，得出实验结论。
（1）实验方案设计
第一步：
第二步：
分组、编号并处理。
组合编号
A
B
C
处理
不加任何提取物
加入提取出的S型细菌DNA
加入提取的S型细菌DNA和DNA酶
第三步：
________________________________________________________ 。
第四步：
将接种后的培养基放在适宜温度下培养一段时间，观察菌落的生长情况。
（2）预测实验结果并得出结论：
______________________________________。
（3）通过你设计的实验，还能得出的新的结论是____________________________
_______________________________________________________________________。
（3）自身对照，指对照组和实验组都在同一对象上进行，不再另外设置对照组。
例如，“观察植物细胞质壁分离与复原”实验，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则为实验组。
课本中涉及到萨克斯做的研究光合作用产物的实验。
自身对照，方法简便。
例4.1864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，一半曝光。
经过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，成功地证明绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。
请据此实验回答相关问题：
（1）萨克斯将绿色叶片先放在暗处几小时的目的是___________________________________。
（2）在该实验中，萨克斯看到的现象是______________________________________________。
（3）实验的对照组是__________________________。
（4）该实验中若曝光时间过长，遮光处经碘液处理后也呈现蓝色，其原因是__________________________________________________________________________。
（5）该实验中叶片内含有的叶绿素等色素，会对碘液处理后表现出的蓝色造成干扰，影响实验现象的观察，为增强实验效果，对叶片应做怎样的处理？
________________________。
______________________________________________________________________________
（6）该实验除了证明“光合作用产生了淀粉”外，还成功地证明了______________________
______________________________________________________________________________。
（4）相互对照，指不设置对照组，而是几个实验相互为对照，由此得出相应的实验结论。
一般是在探究自变量对实验结果不明确的情况下使用，目的是在实验中要找出一个最佳效果点，就要采取相互对照进行实验。
如证明玉米胚根的生长方向与地心引力的关系实验中不同方向放置的玉米种子之间则属于相互对照。
在探究温度对酶催化活性影响实验中，温度（或pH）（0℃、50℃,100℃）为相互对照。
在“植物向光性”的实验中，对胚芽鞘的处理也是采用相互对照。
例5.为探究不同浓度的生长素对植物不同器官生长的影响。
某同学进行了以下实验：
将燕麦幼苗的胚根及芽末端4mm切去，再将剩余的10mm的胚根及胚芽每10条一组分别放入保持在25℃的不同浓度的生长素溶液中2天。
（生长素溶液的浓度单位为mol•L－1，浓度分别为10－13、10－12、10－11、10－10、10－9……）请回答下列问题：
（1）、将胚根及胚芽的末端4mm切去的目的：
_________________________________________
（2）、为什么要用10条一组而不是1条一组放入生长素溶液中进行实验___________________
__________________________________________________________________________________ 。
（3）、理论上，胚根、胚芽的最适生长素浓度分别是：
_____________________________。
（4）、请你设计一个用于记录观察结果的表格。
“实验组”与“对照组”确认:
一个实验通常分为实验组和对照组。
实验组是接受自变量处理的对象组：
对照组也称控制组，对实验假设而言，是不接受自变量处理的对象组。
无关变量对两者的影响是相等的，两组之间的差别可认定为是来自自变量的效果，研究光对幼苗生长的影响时，自变量应为是否有光照，因而暗处生长的小麦幼苗应为实验组，而自然状态（即未接受自变量处理）的小麦幼苗应为对照组，通过对照组能增强实验的信度。
3.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，重复、对照、随机是保证实验结果准确的三大原则。
任何实验都必须有足够的实验次数才能判断结果的可靠性，设计实验只能进行一次而无法重复就得出“正式结论”是草率的。
4.简便性原则：
实验设计时，要考虑到实验材料要容易获得，实验装置简单，实验药品较便宜，实验操作较简便，实验步骤较少，实验时间较短。
例6.某高中生物研究性学习小组的同学探究了不同类型的洗涤剂对绿豆种子萌发的影响。
下表是清水和六种不同类型的洗涤剂溶液及浓度：
编号
A
B
C
D
E
F
G
类型
清水
洁厕剂
漂白剂
沐浴露
洗发水
洗洁精
洗手液
浓度
0
0．1％
（1）为了保证实验结果的准确性，挑选绿豆种子的标准是。
除此以外，还需要在实验过程中注意什么，才能保证实验结果具有说服力？
（答出两点即可）
。
（2）本实验中．实验组是，对照组是。
在计量结果时，如果某一组绿豆种子的，说明该组的洗涤剂对绿豆种子的萌发负面影响最大。
例7.科学家研究镉、铜对河蚬过氧化氢酶活性的影响，用一定浓度的镉、铜处理河蚬一段时间后，测得河蚬过氧化氢酶活性如下表所示。
镉、铜对河蚬过氧化氢酶活性的影响
毒物
空白对照组
a
铜
镉+铜
质量浓度（μg·L-1）
0
50
b
150
50
b
150
50
b
150
酶活性（U·mg-1）
433
582
455
387
488
426
380
315
275
135
（1）表中a是，实验设计时每组河蚬放入30只而不是1只，目的是。
（2）b是，理由是。
（3）本实验需要控制的无关变量有（至少写2点）
。
（4）过氧化氢酶活性测定可以过氧化氢为底物，用一定条件下单位时间的表示。
（5）某学校兴趣小组的同学利用河蚬的新鲜的软体组织制成研磨液，比较过氧化氢酶
和Fe3+的催化效率。
研磨河蚬软体组织的目的是：
。
能否用河蚬过氧化氢酶作为实验材料来探究温度对酶活性的影响？
为什么？
四、完整实验方案设计的基本过程
实验设计是近年高考常考的内容，也是历年高考试题中得分率最低，考生感觉难度最大的题型。
实验设计需要考虑的因素很多，其最基础、最核心的内容则是上述三种变量的分析与控制。
完整实验方案的设计可遵循以下规范进行：
1.写出实验名称:
指出是什么实验？
2.写出实验目的:
弄清该题要验证或探究的是什么样的生物学事实。
即明确实验要解决什么问题。
一般在题干中有“验证……”、“证明……”、“探究……”，其后内容就是实验的目的。
有些实验需要对其去粗取精，提炼要点。
明确实验目的方法：
①直接读取题干；②间接：
实验步骤—→自变量—→实验目的。
反过来可通过实验目的确定自变量（题中可变的单一因素）
3.写出实验原理:
就是完成该实验的理论依据是什么？
这就需要分析实验中所涉及的生物学及相关学科中的知识、方法，以及所依据的科学原理。
4.写出实验操作步骤:
实验操作步骤的设计是指在正式进行科学实验之前，实验者根据一定的目的和要求，运用有关的科学知识、原理，对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的预先规划。
遵循的原则主要是对照原则、单一变量原则和平行重复原则。
高考大多数题目要求写出实验操作步骤，这是学生束手无策失分较多的地方。
实验设计中的实验操作步骤设计常用“三段式”模板，概括如下：
A.分组编号：
即设立实验组和对照组。
凡实验中涉及两组或两组以上，所用器材或实验对象都需用1、2、3……或A、B、C……或甲、乙、丙……加以编号区分。
另外，有关实验材料的选择或处理、试剂的选取或配制也可放在此步骤，也可以在此步骤前单列一个步骤。
关键：
是如何平衡控制好无关变量，如设计对照组、控制相同的培养环境、选材应保持条件相同（如发育正常、体重相近的成年大白鼠），且随机均分等。
常用表述语：
“随机均分”、“分别”、“适量的”、“等量的”。
B.实验过程的处理：
即分别对实验组和对照组施加单一变量；除操纵自变量外，要保证等条件、等时间、等量或等同处理，即控制无关变量。
常采用“A组（对照组）……B组（实验组）……”的形式表述。
关键：
是如何操纵好自变量及平衡控制好无关变量，充分体现单一变量原则。
C.结果观察分析：
观察实验现象并记录实验结果……
注意：
①确定观察或检测因变量的指标；②检测因变量时,可能有前测和后测。
常用表述语：
“在适宜且相同条件下”、“……等）一段时间，……”、“单位时间”。
关键：
是如何观察或检测因变量。
书写以上三段实验步骤时，也可据题目要求拓展成四步或五步等。
同时需要强调的是：
全部实验步骤的表述要注意科学性原则（如选取材料数量的科学性、实验处理的科学性、实验步骤顺序设计的科学性等）
另外，有些实验设计确定实验操作步骤后，往往要设计好记录实验数据的表格或坐标图。
表格的设计要理清设计思路：
①首先要读懂题目要求在表格“工作区”记录的内容。
（题目中有明确的要求）②其次要明确表格的第一列写什么？
第一行写什么？
注意在第一列或第一行中肯定要写组别，即实验组和对照组（相互对照中组数可能更多）。
③再绘制表格（切记：
表格“工作区”是预留给所设计的实验中记录到的数据，而不是要学生造出数据来填入其中。
因此只要设计完成一张空白表格即可。
设计表格时，要先在草稿纸上画出表格轮廓，再写入答题纸中。
）
表格设计好后，切勿忘记给表格添上题注（即表格名称）。
坐标图的设计：
要理清横轴的含义？
纵轴的含义？
纵横轴的单位？
曲线的走势？
关键点？
5.写出实验结果预测或进行实验结果分析
⑴验证性实验：
可预测到与实验目的一致的结果，因此往往不需要作结果预测。
⑵探究性实验：
“探究性实验”预测的实验结果不唯一，需分情况讨论，大多有
三种可能：
①变量促进结果；②变量抑制结果；③变量与结果无关。
对于探究性实验的实验结果预期与分析，常采用如下形式表述：
①若A…>B…,则说明……（自变量对因变量的影响）……。
②若A…与B…相同或相近,则说明……（自变量对因变量的影响）……
③若A…注意：
A与B比较的是因变量的观察指标；具体书写时，也可据题目灵活变通。
6.写出实验结论：
即“分析结果，得出结论。
”
⑴验证性实验中，实验目的、实验预测结果和实验结论三者是一致的。
⑵探究性实验若实验结果与预期结果一致，则假设成立，得出相应结论；反之，假设不成立，得出不同结论。
例8：
某研究性学习小组通过资料查找发现：
桐花树（红树的一种）幼苗在盐度为1%～3%的环境中生长较好。
为探究桐花树幼苗的最适生长盐度是多少，该学习小组设计了以下实验方案。
（1）材料用具：
生长良好、树龄相同的桐花树幼苗5株，培养瓶5个，3%NaCl溶液，蒸馏水，其他必需的器材若干。
（2）实验步骤：
①将5个培养瓶按A～E分别编号。
②在培养瓶中分别加入浓度梯度相等的1%、______________、3%的NaCl溶液。
③_________________________
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