生物学设计性实验与研究性学习.docx
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生物学设计性实验与研究性学习
专题六生物学设计性实验与研究性学习
一专题知识平台
对于高中生物教材中的实验、实习、研究性学习列表如下：
分类层次
实验名称
实验要求
离子、分子水平实验
叶绿体中色素的提取和分离
生物组织中可溶性糖、脂肪、蛋白质的鉴定
比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率
探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用
▲探索影响淀粉酶活性的条件（选做）
植物激素与向性（实习）
动物激素饲喂小动物实验（实习、选做）
DNA的粗提取与鉴定
制作DNA双螺旋结构模型
用DNA分子杂交的方法鉴定人猿间亲缘关系的模拟实验
Ⅰ
Ⅰ和Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
亚显微细胞细胞水平实验
人类染色体组型分析
观察细胞质流动
高倍镜使用和观察叶绿体的装片
观察植物细胞有丝分裂
观察植物细胞的质壁分离和复原
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
个体水平实验
植物的向性运动的实验设计和观察
用当地某种生物做有性杂交试验（实习、选做）
▲学习微生物培养的基本技术（培养基制备、接种培养等技术）
▲学习植物组织培养技术（实习、选做）
Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
种群水平实验
性状分离比的模拟（探究）
种群密度的取样调查（实习）
▲自生固氮菌的分离（选做）
Ⅰ或Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
生态系统水平实验
设计制作小生态瓶，观察生态系统稳定性（实习）
观察SO2对植物的影响
Ⅱ
Ⅰ
研究性
学习
课题1：
调查近期报刊杂志等媒体对生物科学技术发展的报道，并做交流报告
课题2：
设计实验，观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响
课题3：
调查人群中的遗传病
课题4：
调查环境污染对生物的影响
课题5：
收集有关生态农业的信息，根据当地农业生产情况，设计一个农业生态系统
▲课题6：
收集有关生物工程产业发展的信息，并做交流报告
▲课题7：
调查生物工程制品在社会生活中应用，并写出调查报告
独立完成
教师指导完成
小组合作完成
小组合作完成
独立完成
独立完成
独立完成
注：
1.实验要求中的“Ⅰ或Ⅱ”分别表示：
Ⅰ：
理解实验目的、原理和方法步骤，初步学会有关的操作技能，进一步理解有关的生物学知识。
Ⅱ：
能够独立完成实验或实习，理解探索性实验的基本过程，初步学会探索性实验的一般方法。
2.“▲”表示属于选修课本。
二高考热点聚焦
（一）高考中对考生的实验能力和实验考试内容的要求
1、能力要求
（1）设计和完成实验的能力
自然科学是实验性科学.自然科学的概念、原理和规律大多是由实验推导和论证的.教学过程中的实验有助于加深学生对自然科学概念、原理和规律的理解，也有助于培养学生的科学态度和创新精神，实验能力也是考生将来从事科学研究的基础.
①独立完成实验的能力.包括理解实验原理、实验目的及要求，了解材料、用具，掌握实验方法步骤，会控制实验条件和使用实验仪器，会处理实验安全问题，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.
②能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理相关的实验问题.
2.实验、实习和研究性学习的考试范围
（1）生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定
（2）高倍显微镜的使用和观察叶绿体
（3）细胞质流动的观察
（4）观察植物细胞的有丝分裂
（5）比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率
（6）探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用
（7）温度对酶活性的影响
（8）叶绿体中色素的提取和分离
（9）观察植物细胞的质壁分离与复原
（10）植物向性运动的实验设计和观察
（11）设计实验，观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响
（12）DNA的粗提取与鉴定
（13）调查人群中的遗传病
（14）种群密度的取样调查
（15）设计并制作小生态瓶，观察生态系统的稳定性
（16）调查环境污染对生物的影响
（17）观察SO2对植物的影响
（18）学习微生物培养的基本技术（培养基制备、接种培养等技术）
（二）高考热点分析及命题趋势
生物学是以实验为基础的学科，从近年的实验题在高考中的题型变化看，新颖、灵活、考能力、拉距离的往往非实验题莫属。
它在2003年新课程卷中占有相当大的比重，包括第23、26、27、33题一共有4道题共66分，占总分的22%。
高考实验题力图通过在笔试的形式下考查学生的实验能力，同时希望通过一些简单的实验设计来鉴别考生独立解决问题的能力和“迁移”能力。
高考生物学实验题的设计思路是：
从多角度考查学生的生物学实验能力，理解所学实验的实验内容，包括实验原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能；具备验证简单生物学事实的能力，并能对实验现象和结果进行解释和分析；理解探索性实验的一般方法；能够制订课题研究的初步计划。
尤其是能根据命题意图设计出科学、合理、严谨、简单的实验方案，并能对实验现象和结果进行解释和分析；能够制订并评价课题研究的初步计划。
实验能力的提高必须立足于平常的实验教学。
实验教学中要以实验中涉及的思想和方法、实验原理为重点。
任何一个实验都包含着相关的实验思想和方法，这些思想和方法被广泛地应用于生物科学的研究当中，能否将学到的实验思想和方法迁移到新的实验情景中或相关的生物学探究实验中，是高考对考生实验能力考查的具体体现。
生物高考也往往会出同学们未做过的实验，以考查考生分析能力、评价实验能力和设计、完成实验的能力，此类实验题大致分为四类：
实验分析说明题、评价设计实验的方案和思路题、独立进行实验设计创新题、综合性实验题。
许多同学对独立进行实验设计感到棘手，其原因恐怕在于不明确设计实验的思路流程和应遵循的基本原则。
设计实验的思路流程是：
首先要明确实验目的和要求→明确实验所依据的原理→正确选择实验材料和用具→合理安排实验的步骤→对实验结果进行预测和分析→得出科学的结论。
高考试题的创新设计正朝着开放性、能力型目标迈进，综观近几年高考试题，直接来源于课本的纯验证性实验题越来越少，而源于教材高于教材，具有材料背景的新情景探究性实验题已逐渐演变为主流题型，处于更加突出地位，这就要求我们不仅要深刻理解教材基础实验的原理和基本操作，而且要将其应用与实践。
值得强调的是：
不管实验题材如何新奇，实验设问如何巧妙，但毕竟是试题设计的载体。
解答的原理、方法、技能落实在课本实验中，同学们首先要对《考试大纲》中列出的考查实验内容给予足够的重视，亲历实验全过程。
挖掘课本知识点中所蕴含的实验素材。
三专题考点预测和策略
（一）实验方法要素及处理要素关系的基本原则
1．假设与假设验证原则
实验的第一个要素：
“假设”；第一项原则是“假设验证”原则。
第一个要素：
假设
第一项原则：
假设验证原则
假设：
较概括的假定
预期：
较具体的推断
验证：
用事实证实或证伪
科学实验遵循的程序准则：
假设——预期——验证
2．变量与单一变量原则
实验的第二个要素：
“变量”；第二项原则是“单一变量”原则。
第二个要素：
变量
第二项原则：
单一变量原则
①实验变量（自变量）
②反应变量（因变量）
实验目的在于操纵自变量，获取因变
③无关变量（控制变量）
④额外变量（干扰变量）
实验关键在于控制无关变量，减少干扰变量
一个实验变量对应观测一个反应变量。
如A实验变量对应观测A反应变量，不可混入B反应变量。
单一变量原则是处理实验中的复杂变量关系的准则之一。
它有两层意思：
一是确保“单一变量”的实验观测，即不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量；二是确保“单一变量”的操作规范，即实验实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。
3．控制与平稳控制原则
实验的第三个要素是“控制”，第三项原则是“平衡控制”原则。
第三个要素：
控制
第三项原则：
平衡控制原则
①严格操纵控制实验变量与反应变量
②力求平衡抵消无关变量与额外变量
①单组法：
对同一对象，既用A法，又用B法
②等组法：
对象状况相等，甲用A法，乙用B法
③轮组法：
甲组：
A法→B法
乙组：
B法→A法
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。
4．对照与实验对照原则
实验的第四个要素是“对照”；第四项原则是“实验对照”原则。
第四个要素：
对照
第四项原则：
实验对照原则
设置对照，进一步消除无关变量对实验结果的影响，以增加实验结果的可信度
①空白对照：
指明不做任何实验处理的对照组。
②自身对照：
实验与对照在同一对象上进行。
③条件对照：
给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。
④相互对照：
几个实验组相互对照。
5．捕获解释与真实客观原则
实验的第五个要素是“捕获”和“解释”；第五项原则是“真实客观”原则。
第五个要素：
捕获与解释
第五项原则：
真实客观原则
捕获：
捕捉、记录由实验变量而引起的反应变量的变化和结果，即捕获事实。
解释：
论证、说明实验变量与反应变量的因果关系，并推出结论，即解释事实。
捕获解释事实、现象、数据，一定要实事求是，客观真实，力戒主观臆造
（二）生物科学实验设计的原则和一般程序
1．实验设计的原则
①科学性原则——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可行性——从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都具有可行性。
③简约性——设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。
④可重复性——重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则，任何实验都必须具有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性。
2．实验设计的一般程序
（三）实验设计常见错误的矫治方法
1．试误法：
针对实验的目标状态，充分进行发散性思维，勇于探索，大胆想象，尝试采用多种设计方案，然后从设计的科学性、可行性和简约性进行评估，通过收敛性思维，寻求最佳设计方案，其模式如下图：
2．填补法：
通过设法填补两者之间的差距完成实验的设计过程，如果这种差距足够大，也可以分解成各级子目标，经过不断地填补一系列的小差距而到达目标状态。
其模式如下图：
填补过程可以是顺向的，也可以是逆向的。
3．类比法：
利用已有的实验知识和技能，利用知识的迁移能力，设计出具有类比关系（起始状态与目标状态比较类似）
的实验。
其模式如下图：
（四）考点突破
1.如何使用显微镜进行显微观察类实验？
（1）高中生物学教材中的相关实验有：
①高倍镜的使用和观察叶绿体②细胞质流动的观察③观察植物细胞的有丝分裂④观察植物细胞的质壁分离与复原。
（2）顺利开展这类实验，首先应当知道显微镜的基本构造，熟练掌握显微镜的基本操作，特别是高倍镜的使用。
其次应弄清相关实验的实验原理，明白所要观察的结构的特点及具体的观察目标。
（3）运用几何光学的知识理解放大倍数、工作距离、装片移动方向、聚焦方法和采光等操作。
2.如何对生物组织中的成分进行提取、分离和鉴别（定）？
（1）高中生物学教材中的相关实验有：
①生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定
②叶绿体中色素的提取和分离
③DNA的粗提取与鉴定
（2）中学阶段，最常用的提取、分离的方法是利用各种物质溶解度的差异进行盐析或层析；最常用的鉴别（定）方法是利用各种物质特定显色反应（此法应严格控制样品的量，及排除其他有色物质的干扰）；最常用的定量方法是滴定法和比色法。
3.如何进行模拟实验？
（1）高中生物学教材中的相关实验有：
①制作DNA双螺旋结构模型②性状分离比例几率的模拟
此外，高中生物学中还可以进行模拟实验的内容有：
①DNA分子杂交②动物种群密度的取样调查③生态系的模拟如“生物圈Ⅱ”试验④用数学模型模拟自然选择作用、竞争和捕食等。
（2）在科学研究活动中，对于许多假说的验证，可能会受到时间或空间条件的限制，在这种情况下，就需要在实验室内，人工地创造一定的条件或因素，模拟实际情况下的条件或因素（有时则需要把所考查的因素突出或集中），从而使研究者能够用较短的时间、方便的空间、较小的代价，获得可靠的实验结果。
为了保证模拟实验具有仿真性，必须严格地控制实验条件；为保证实验的科学性，除事先根据实验条件设计的各种参数外，实验过程应坚决杜绝其他人为的干扰因素。
（3）随着数学科学的发展和计算机科学技术的进步，数学建模及以数学建模为基础的计算机模拟实验发挥了越来越重要的作用，如高中生物学教材中的“种群增长模型”就是数学建模的典例。
4.如何进行基于细胞培养的基本操作技术类实验？
（1）高中生物学教材中的相关实验有：
①学习植物组织培养技术（选做）
②自生固氮菌的分离（选做）
③学习微生物培养的基本技术（培养基制备、接种、培养等技术）
（2）这类实验共同之处是均需配制培养基，并对培养基进行消毒灭菌，分离出的组织或细胞（细菌）都要在人工配制的培养基上进行培养。
实验过程涉及培养基的配制、灭菌、接种等基本操作，实践性强，技术要求熟练，对实验者的操作技能提出了较高要求，是决定实验成败的关键。
（3）从矿质营养、细胞结构、分裂、分化与代谢、遗传变异、竞争等角度理解培养基的配比、菌体分离及灭菌的作用和意义。
5.如何开展实习活动？
（1）高中生物学教材中的实习与研究性课题有：
①种群密度的取样调查②用当地某种植物做有性杂交试验（选做）③动物激素饲喂小动物的实验（选做）
（2）实习活动的周期一般较长，存在一些不确定的因素，因此，在开展实习活动之前，应作好充分物质、技术准备，制订详细的实习方案，特别是要明确开展实习活动的日期、地点、某一具体操作的时刻及其量度，如“动物激素饲喂小动物的实验（选做）”中投药的时间和剂量，“用当地某种植物做有性杂交试验（选做）”的季节及采集花粉和授粉的时间，“种群密度的取样调查”的季节及调查区域范围等。
（3）实习活动中可能出现一些意料之处的“发现”，此时正是探索问题契机，提供了研究性学习的好材料。
切不可视而不见、充耳不闻，而应当认其作记录和分析，培养科学家所具有的那种求真求美的敏感。
6.如何开展研究性学习（实习活动和调查研究）？
高中生物学教材中的研究性课题有：
①调查媒体对生物科学技术发展的报道
②调查环境污染对生物的影响
③收集有关生物工程产业发展的信息，并做交流报告
④调查生物工程制品在社会生活中的应用，并写出交流报告
高考生物学科试题体现“考改支持并促进新课程改革”的思想，高考生物学科试题渗透研究性学习的理念，可以预计研究性学习对高考的介入程度正在逐年增加。
对研究性学习的主要测试基本科学探究能力，如发现问题、提出假设、设计实验验证等，及信息的收集、分析和判断和处理方法等。
实施研究性学习，要制订好相应的设计方案。
设计方案（又称课题研究计划）就像一张建筑用的“施工蓝图”。
设计的基本原则是尽量孤立因素和固定条件，一般都是强调在实验中只改变一个因素。
在进行实验和观测时，要聚精会神地密切注视全部细节，并且尽可能详尽地做好观察记录，这是一条基本原则。
研究者在评价和整理一个实验结果时，必须以实验给出的事实材料为客观基础，切忌受主观偏见的影响。
7.探究性实验
探究性实验的中心环节是实验设计，而验证性实验均包含设计性内容，所以高中生物学教材中的相关探究性实验有：
①比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率②温度对酶活性的影响③探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用④植物向性运动的实验设计和观察⑤设计实验，观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响⑥设计并制作小生态瓶，观察生态系统的稳定性⑦观察SO2对植物的影响
在高校招生的考试中，一般不会考查学生独立完成全程性探究实验的各个方面，适于考查的实验内容主要有：
作出假设、制定计划、预测结果、分析结论、进行评价等。
探究性实验的设计方法和解题技巧：
（1）实验现象的观察和分析
观察实验现象和分析实验现象是用实验方法解决问题的基础。
这就要求能联系生物学科的有关基本理论，分析所观察到的实验现象，能联系生物学科相关知识来解释某一实验现象。
（2）实验数据的处理和分析
用规范、科学的实验报告格式书写实验报告，以便于实验数据的整理和加工处理，以便于保存和查阅原始实验数据，以便于实验者通过分析来选择最佳的实验方法或实验条件来完成实验。
（3）实验设计的评价及其完善
在实验步骤和实验方案设计中，要充分考虑实验可能产生的干扰因素，设计合理的实验步骤和实验方案来排除干扰条件，通常采用对比实验的方法及取实验数据平均值方法来研究某些规律，以便更容易发现和平衡实验的误差，提高实验的科学性。
（4）实验步骤、实验方案的设计
实验设计的一般思路可概括为：
明确实验目的→弄清实验的原理及相关的知识点→确立完成实验的关键条件→考虑每一材料用具可能的作用→设计实验方案（①实验步骤或实验装置图；②观察记录实验结果；③分析讨论，得出结论）。
五典例精析
[例1]（2003年高考理综天津卷第27题）将青蛙脑破坏，保留脊髓，在脊柱下部打开脊椎骨，剥离出脊髓一侧的一对脊神经根（包含一个背根和一个腹根，见右图）。
分析电刺激背根与腹根均可引起蛙同侧后肢发生运动反应。
已知背根含有传入神经，腹根含有传出神经，背根与腹根合并成脊神经。
请根据上述提供的实验材料（实验用具自选）设计实验步骤，并预测实验结果，以分别验证背根具有传入功能，腹根具有传出功能。
[方法导析]这是一道较难的试题，取材初中生物学神经系统的结构知识，主要考查了反射弧的结构、神经调节的基本方式、兴奋的传导等。
从能力角度看，主要是考查设计实验的能力。
命题时提供了实验材料、自选实验用具。
针对需要验证的实验结果进行自主设计实验，对学生的实验能力要求高，这与新教材突出创新精神和实验能力的培养目标是一致的，也体现了实验命题的一个发展方向。
同时，该实验内容不是教材实验的简单再现，它来源于教材又与教材有别，体现了“源于教材，高于教材”的命题思想。
本题目要求考生设计实验步骤和预测实验结果，实验目的是验证背根、腹根功能，实验原理在题目中以信息形式已给出：
分别电刺激背根与腹根均可引起蛙同侧后肢发生运动反应；背根含有传入神经，腹根含有传出神经。
解答本题的关键是如何设计实验，剪断背根，再分别刺激断口的两端（外周段和向中段），肌肉会有不同的反应，根据神经冲动传导的方向预期应出现的实验结果。
同样，换另外一对脊神经，剪断腹根，再分别刺激断口的两端，预期应出现的实验结果。
[答案]
（1）传入功能。
因为电刺激背根向中段可以产生后肢运动反应，表明神经兴奋进入脊髓中枢并通过传出神经引发肌肉收缩，因此是传人功能。
电刺激背根外周段不发生反应，表明背根无传出功能；
（2）传出功能。
因为电刺激腹根向中段不发生反应，而电刺激腹根外周段可以产生后肢运动反应，表明神经兴奋沿传出神经引发肌肉收缩，因此是传出功能。
[例2]（2003年春季高考第21题）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。
为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：
①___________________； ②_____________________；
可能的实验结果及相应的结论：
①___________________ ②____________________； ③_________________。
[方法导析]本题设计取材初中生物种子萌发条件，但考查的内容和能力都在初中知识基础之上作了拓展和提高。
要探究的问题是“光的有无对该种子萌发的影响”，光是该探究实验惟一的控制变量，根据实验设计的对照原则和单一变量控制原则，实验装置一组置于有光照环境中，另一组置于黑暗环境中，并确保温度、水分和空气状况等其它条件都相同。
对可能的实验结果的预测、相应结论的得出必须严密，应注意两点：
一是必须以预测的实验结果为依据，分析种子萌发是否与光有关，例如，只能通过“有光组萌发，无光组也萌发且两组萌发率等状况相同”的现象，才能作出“种子的萌发不受光的影响”的结论；二是对各种可能出现的实验现象都必须作出预测和分析。
[答案]见“方法导析”。
[例3]（2002年全国理综卷）为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。
请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么再写出你的设计思路。
（1）实验一：
取生长状况一致的大豆幼苗用符合实验要求的容器进行培养。
对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。
两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
（2）实验二：
取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水，实验组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
（3）实验三：
取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
（4）下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。
[方法导析]本题型属于探究实验类，主要考查对“单一变量”的理解能力，测试“对照实验”的设计技能。
对实验方案进行评价时，不仅要重视分析和阐明实验设计不能取得预期结果的原因，而且要关注实验设计思路中隐含的合理成分，从而为提出一个合理的实验设计思路创造条件。
[答案]
（1）不能，因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需矿质元素而使两组植物生长均不正常；
（2）不能，因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子；（3）不能，因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子；（4）取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含植物必需各种矿质元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
[例4]（2003年高考江苏卷第42题）某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为探究低于适宜温度的环境（如10℃）对小鼠能量代谢的影响（能量代谢的强弱用单位时间的耗氧量表示），请依据所给的
实验装置（如下图）、实验材料和用品，在给出的实验方法和步骤的基础上
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