高二理化生06年高中生物生物实验设计探究性课题.docx
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高二理化生06年高中生物生物实验设计探究性课题
实验设计、研究性课题复习教案
科学研究方法的基本步骤
1.观察、提出问题
观察是科学研究方法的第一步，要求以客观的态度，在自然常态条件下进行。
在此基础上提出有意义的值得探讨的问题。
2.提出假说
假说也称假设或猜测，指用来说明现象但未经证实的论题，也就是对所提出的参考答案。
假说一般分为两个步骤：
第一步，提出假说，即依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过创造性思维，提出初步假定；
第二步，作出预期推断，即依据提出的假说，进行推理，得出假定性的结论。
例如孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验的假说是：
“F1（Dd）产生配子时，产生了含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”；而预期是“测交的后代，高茎（Dd）与矮茎（dd）的数量比接近1：
1”。
3.设计、完成实验
实验是验证假说和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物的一种方法。
这是科学方法的最大特色，也是科学方法的最困难的一步。
如何求证假设可充分展现研究者的才华。
如孟德尔在验证“对分离现象的解释”这一假设时，便巧妙地设计了“测交”实验。
4.分析数据、得出结论
观察、实验的目的在于获得验证性的结果。
所以，在实验中要记录实验的事实、现象、数据，即捕捉、记录由实验变量带来的反应变量。
据此论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，进而得出实验结论。
①如果所获得的结果与假设相符，则肯定假设；②如果结果与假设不相符，则否定假设；③如果结果与假设无关，则无从判断。
实验过程必须真实、客观。
如前述孟德尔的测交实验结果，不论正交、反交，都与预期一致，说明假设正确，从而可以得出相关结论。
一、高考命题形式
实验过程分析、完善实验过程、设计实验方案验证生物学事实、设计实验方案探究生物学事实等形式。
二、实验设计的基本原则
1科学性原则：
实验是人为控制条件下研究事物（对象）的一种科学方法；是依据假设，在人为条件下对实验变量的变化和结果进行捕获、解释的科学方法。
科学研究的过程本身就是科学，并不是说研究的结论才是科学方法。
因此，在实验设、计中必须有充分的科学依据。
生物学实验中，一种生命现象的发生往往有其复杂的前因后果，从不同角度全面地分析问题就是科学性的基本原则。
如绿色植物新陈代谢中的物质代谢有各种细胞的参与，有各种物质在不同方面的变化。
分析问题、设计实验的全面性和科学性体现了逻辑思维的严密性。
2可行性原则：
在实验设计时，从原理、实验实施到实验结果的产生，都实际可行。
3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。
4可重复性：
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。
5单一变量原则：
①实验变量与反应变量。
实验变量是实验中由实验者操纵的因素或条件，而反应变量是指由实验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：
关于“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，“低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水）就是实验变量，而这些变量引起的实验变化结果就是反应变量。
该实验旨在获得和解释温度变化（实验变量）与酶的活性（反应变量）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实验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反应变量的获得起干扰作用。
例如：
“唾液淀粉酶实验”中，除实验变量（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。
实验变量，或称自变量，指实验假设中涉及的给定的研究因素。
反应变量，或称因变量，指实验变量所引起产生的结果或结论。
而其他对反应变量有影响的因素称之为无关变量，观察其对实验结果的影响。
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。
例如：
我们在做“植物的向性运动”有重力与单侧光两个实验变量，必须要有各自实验和变化结果，常见的错误就是在有光的条件下进行重力实验变量，影响了实验结果的准确性。
在验证温度对酶活性的影响的实验中，就必须控制pH值、底物量和酶量的相等，只改变单一变量——温度，观察不同温度下酶活性的差异。
遵循单一变量原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。
再如：
某生物学小组为了研究阳光对大豆发芽的影响，而在两个花盆里种了大豆，并设计了如下实验：
花盆
阳光
温度
水
Ⅰ
光照
200C
充足
Ⅱ
暗室
200C
不充足
在这一实验设计中，应该改正的错误是：
A.两个花盆都应该放在向阳的地方
B.两个花盆都应该放在黑暗的地方
C.两个花盆的温度不应该一样高
D.两个花瓶都应该浇给充足的水
6对照性原则：
实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。
由于同一种实验结果可能会被多种不同的实验因素所引起，因此如果没有严格的对照实验，即使出现了某种预想的实验结果，也很难保证该实验结果是由某因素所引起的，这样就使得所设计的实验缺乏应有的说服力。
可见只有设置对照实验，才能有效地排除其它因素干扰结果的可能性。
才能使设计显得比较严密，所以大多数实验，尤其是生理类实验往往都要有相应的对照实验。
如何设置对照实验呢？
所谓对照实验是指除所控因素外其它条件与被对照实验完全相等的实验。
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”。
具体来说有如下四个方面：
①所有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所用实验试齐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。
设置对照组有4种方法：
（1）空白对照，即不给对照组做任何处理；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。
课本中涉及到的用甲状腺制剂饲喂蝌蚪与正常情况下蝌蚪不作任何处理对照就属于空白对照；
（2）条件对照，即虽给对照组施以部分实验因素，但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。
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）
显然，通过条件对照．实验说服力大大提高。
（3）自身对照，指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不再另外设置对照组；例如，“质壁分离与复原”实验，自身对照简便，但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。
（4）相互对照，不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。
这种方法常用于等组实验中。
如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，2与1对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端，3也可与1对照，4也可与1对照，也可与2对照。
光光光光
1234
未经处理尖端遮光切去尖端中部遮光
说明了生长素与植物生长弯曲的关系。
证明玉米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。
根据实验目的要求，凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中，一般都需要设计对照组实验。
中学阶段所要求的实验设计一般多采用对照的原则，因为科学、合理的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。
另外，对实验结果的分析要注意分析方法的选择，有时还要求用图表表示有关结果或事实，这也是常用的基本技能。
【补充】7、控制与平衡控制原则
该原则是指要严格地操纵自变量，以获取因变量。
同时，要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。
即尽量消除实验误差，以取得较为精确的结果。
常用的方法有单组、等组及轮组实验法。
①单组实验法
对一组（或一个）对象，既用A法，又用B法，顺序随机或轮流循环，这是生物实验常用的实验方法。
例如，“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验，通常是将做好的紫色洋葱鳞片叶表皮细胞装片，先用蔗糖溶液做质壁分离观察，接着又用清水做质壁分离观察，这就是单组实验法。
由于对象同一，无关的变量的影响也就被平衡和抵消了。
②等组实验法
将状况相等的对象，分成两组或多组，一组用A法，另一组用B法，这也是生物实验常用的实验方法。
例如，“植物激素与向性”实验，设计了5组实验，其对象是玉米幼苗，要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的，这就是等组实验法，对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。
③轮组实验法
对两组或两组以上的对象，循环进行两个或两个以上的实验处理，如甲组---A法、B法；乙组---B法、A法等，这样能有效地平衡和抵消无关变量的影响。
自然，操作起来要麻烦一些。
例如，“植物向光性”实验，可随机取两组（株）生长状况不相等的玉米幼苗，做如下实验处理：
甲组：
玉米幼苗-----a先用“不透光”处理；b后用“单测光”处理。
乙组：
玉米幼苗-----c先用“单测光”处理；d后用“不透光”处理。
实验结果，则是a+d（“不透光”）和b+c（“单测光”）的比较，这就是轮组实验法。
这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量和额外变量更有说服力。
三、实验设计的内容
完整的实验设计一般包括以下几个方面：
①实验题目。
②假设：
对可见现象提出的一个可检验的方案。
③预期结果：
在检测一个假设前，先提出实验的预期结果。
如果预期没有实现，则说明假设不成立；如果预期实现，则假设成立。
④实验方法：
根据实验的目的和提出的假设，来具体设计实验的方法步骤。
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、可重复性、控制的体现、控制与与平衡控制等）的体现。
⑤观察和搜集数据：
按实验设计的观察内容、方法和次数进行如实记录。
⑥分析：
对实验记录下来的现象、结果、数据进行整理、分析。
⑦得出结论：
根据实验事实进行推理，得出结论。
注：
有些考题要求考生预测可能的实验结果，并推断相关的结论。
四、实验设计的具体方法
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
（2）运用所学知识，找准实验原理，并要做到对原理理解透彻
（3）根据实验原理，对照实验目的，通过初步分析，在头脑中搜寻教材上或曾做过的实验模型，初步形成大致方案，实验设计大多与单因子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，要顺藤摸瓜，通过实验结果（现象）的判断，分析综合得出实验结论。
（5）回归检验。
看看自己设的实验是否存在科学性原则，紧扣实验原理来进行分析；是否有遗漏的地方；是否还有其它可能性存在，即检验实验的严密性、科学性问题。
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。
五、实验题一般应对策略
（一）、实验评价题（改错题）应对策略：
１．看有无对照实验，如果有看对照设计是否合理。
２．看实验是否遵循了单一变量原则。
３．看实验步骤的顺序是否合理，步骤是否完整。
４．看实验仪器、药剂的使用的是否合理。
药剂的配备、使用及用量的大小。
５．实验结果的验证是否合理。
【例题1】北阿尔伯达的一个工厂把产酸的化学品排入到空气中，工厂东面有一个湖，湖底是石灰石的，但湖水的pH值已从原来的6.8降低到5.7，虽然酸性沉积一直在增加，湖水的pH值保持在5.7不变，湖中原有的鱼是河鲈和鲑鱼。
钓鱼运动员抱怨说，自从工厂开办以来，鱼资源已经减少。
工厂的科学家们设计了一个实验，证明工厂放出去的化学品与鱼资源的减少没有关系。
1、科学家取一只大容器，盛放湖水，维持pH值在5.7。
从湖里找来大鱼放在该容器内，喂以蛋白质饲料。
在这样的条件下，鱼正常成长。
假定你是一个独立的仲裁委员，受雇于垂钓运动委员会，来对该项实验评估，列出你要得到的附加信息，并列举说明你要用什么方法去得到这些信息。
分析：
本实验的设计方案中没有考虑鱼的生活受多种因素影响的：
该实验设计测量不出下列因素，而这些因素都是对河鲈和鲑鱼有影响的：
A、酸对河鲈和鲑鱼的食物数量多少的影响
B、酸对河鲈和鲑鱼的鱼卵或幼鱼的影响
C、由于季节性干涸造成的pH值季节性涨落的影响
D、由于酸的分解作用而进入水域的重金属量的多少
为了说明上述第1点，必须完成一项研究，即决定各种浮游生物，小水生昆虫和鲤科小鱼的多少。
如果这个食物网的某些环节下在丧失，则有必要去研究酸是否对此有影响。
为说明上述第2点，可以在酸化水中饲养鱼卵和幼鱼，鱼的数量减少可能是上述第一点和第二点结合的结果，所以人工饲养幼鱼可能会给出不可靠的结果。
对于季节性涨落，应该对全湖采水样，做仔细彻底的记录至少一年，这一因素可能和第二点相符合，因为鱼卵或繁殖更受低pH值的影响。
重金属是累积的毒素，人工饲养的鱼与湖里吃污染物的鱼相比，并不暴露在相同水平的毒素中，应该在湖水中、鱼饲料中以及河鲈和鱼体中检测如铅这样的重金属含量。
所以这些因素都说明，酸的影响是长期的，在容器里短期饲养的鱼不可能给出可靠的结果。
这种研究必须以年为周期来实施，而且要与该工区其他湖水情况作比较。
【例题2】为了研究人工合成的生长素类似物萘乙酸是否对植物的开花具有影响，有人设计了以下实验：
取20个水仙头，随机分成两组，一组10个不做任何处理，任其自然生长，作为对照；另一组10个水仙头均剥去部分鳞片叶，露出花芽，并用0.1mg/mL的萘乙酸处理。
两组放在相同温度和湿度环境下培养。
实验组的10个水仙头除2个死亡外，其他8个分别在6~9天时间内开花，平均比对照组早开花一个月。
（1）据此得出萘乙酸可以促进水仙开花的结论，实验还有哪些不够严密的问题？
会对实验造成什么干扰？
（2）若要完成本实验，请你重新进行设计合理方案。
答案：
（1）①对照组也应与实验组一样剥去部分鳞片时；②两组放在相同环境下培养，其条件不仅是温度和湿度，还有光归、pH值等；③水仙的品种和大小应当一致。
（其他合理答案也给分）
（2）针对以上问题，取20个相同品种、大小一致的水仙头，随机分成两组，实验组10个水仙头均剥去部分鳞片叶，露出花芽，并用0.1mg/mL的萘乙酸处理；对照组10个处理方式除不用萘乙酸处理外，其它均与实验组相同，作为对照；两组放在完全相同环境下培养，
（二）、实验步骤补充完善题
１．添加实验假设。
２．完善实验步骤。
３．总结实验结论。
４．补充填加对照实验。
【例题3】请设计一个实验，判断种子胚细胞和胚乳细胞的死活。
（1）实验原理：
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（2）实验原料和器材：
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（3）实验步骤：
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（4）实验结果预测：
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（5）该实验最可能的结果和结论应是
答案：
（1）活细胞的细胞膜具选择透过性，死细胞的细胞膜具全透性
（2）玉米种子刀片培养皿红墨水清水放大镜
（3）①选取10粒大小相同的饱满粒大的玉米种子放在盛有清水的培养皿中浸泡，②涨大后将玉米种子用刀片从中线处切开，将其一半放入盛有红墨水的培养皿中浸泡，③一定时间后取出放入盛有清水的培养皿中漂洗，直到漂洗掉浮色为止，④用放大镜观察切片后玉米种子剖面的着色情况。
（4）①如果胚和胚乳均为红色，则说明二者为死细胞。
②如果胚和胚乳均为无色，则说明二者为活细胞。
③如果胚为红色，胚乳为无色，则说明前者为死细胞后者为活细胞。
④如果胚为无色，胚乳为红色，则说明前者为活细胞后者为死细胞。
（5）如果胚为无色，胚乳为红色，则说明前者为活细胞后者为死细胞。
（三）、分析实验结果型
这类试题以实验为背景，通过图、文的表等多种形式来表达实验情境，要求学生通过对实验结果的解读，进行分析。
着重考查学生科学思维的品质。
【例题4】根据对A、B、C、D4个水深均超过2m的池塘水质进行全方位研究的结果，回答下列问题：
1）从水体发绿的池塘中取4瓶等量的水样，测定其溶氧量为8.5×10-6，将4瓶水样于晴天分别置于A、B、C、D4个池塘的1m水深处1d，测得其溶氧量见下表。
样品
A
B
C
D
溶氧量（×10-6）
9.5
8.5
7.5
10.5
①水质清澈度最高的池塘是。
②形成B瓶结果的原因是
2）为了证明水体富营养化是由N和P引起的，又在泛着绿色的池塘中取水，并进行如下处理：
（A）静置4h，倒去上清夜，留下藻类，加清水，如此重复3次；（B）再加水至1000mL，分装于甲、乙、丙、丁4个烧杯中；（C）在甲烧杯中加0.3g洗衣粉（含P），在乙烧杯中加0.3g尿素，在丙烧杯中加0.15g洗衣粉和0.15g尿素，丁烧杯中不加任何物质。
根据上述过程回答问题：
①（A）处理的目的是。
②你认为藻类繁殖最快的烧杯是，丁烧杯的作用是。
（四）、实验设计题应对策略：
1．应对策略：
①．明确实验目的、原理及实验要求，以便确定答题方向。
②．明确所给实验仪器及试剂、材料的操作及用途。
③．设计实验步骤：
必须实验遵循两个原则：
对照原则和单一变量原则；注意实验的准备工作；实验过程中的顺序；实验现象的观察，实验结果的验证分析。
2．实验设计中反应变量的确定和控制
生物实验设计中，反应变量的确定非常重要，因为任何一个科学实验的结论都是从反应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。
生物实验中很多反应变量就是实验条件。
设计实验时，应该根据实验目的和实验原理来确定对实验结果有影响的反应变量。
同时，对其他无关变量或非研究变量应进行控制。
对变量的控制所要遵循的原则是对照原则，即控制其他因素不变，而只改变其中一个因素（反应变量），观察其对实验结果的影响。
通过对照的建立，达到对变量的控制，这是生物实验设计的灵魂。
3．理解实验原理对实验设计的重要作用
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，而是有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。
可见，实验原理是实验设计的依据。
【例题5】研究性学习作为一种重要的学习方式，对中学生的创新精神和实践能力的培养起到了积极的作用。
下面列出了两大研究课题名称。
请选择其中之一，并回答下列问题。
课题一、某地区遗传病的调查研究
课题二、大气污染对植物的影响
（1）请你拟定一个较小的具体课题名称：
_______。
（2）简述你研究该课题的两点主要意义：
______________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
（3）对所选课题出一种假设：
______________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
（4）你所选用的调查研究方法主要包括：
__________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
答案：
（1）课题一：
ХХ市（县、镇）ХХ遗传病的调查研究（注：
最好选发病率较高的的单基因病）
课题二：
SO2对植物的影响和酸雨对陆生植物危害的调查研究（或SO2对某一具体作物的危害等范围更小的题目）
（2）课题一：
学会调查和统计人类遗传病的方法；为人口教育提供素材；培养自身的创新精神和实践能力；加深对遗传学问题的理解和分析能力；为当地遗传咨询提供数据资源……
课题二：
学会调查研究环境污染对植物影响的基本方法，了解近年来经济发展和环境治理协调的状况；明确当地大气质量现状，并为防治环境污染提出可行性建议；为环境教育积累素材；为区域规划提供可资借鉴的一手资料；………
（3）课题一：
ХХ遗传病的遗传方式可能是……；ХХ遗传病的发病率（基因频率）的变化可能与ХХ有关（生育、饮食、婚配等）
课题二：
SO2对不同植物或同一植物的不同器官的影响程度不同；雨水酸度的变化可能与植被覆盖率密切相关；………
（4）课题一：
小组合作完成问卷调查、个别访谈、资料查询、数据统计与分析等
课题二：
小组合作完成问卷调查、个别访谈、资料查询、数据统计与分析等。
【注意】设计验证性实验（其假设是既定的，实验结果的预期一般是惟一的）、设计探究性实验（预期结果可能是多种多样的，要对实验结果进行讨论，保证探究的严密性和科学性）等。
【能力思维冲浪】
一、选择题：
1．（2005·江苏生物·26）观察细胞中染色体行为并计数时，使用光学显微镜的正确方法是
A、低倍镜对焦．将观察目标移至视野中央，转用高倍镜并增加进光量，调焦观察
B
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