高三生物高考实验设计.docx
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高三生物高考实验设计
第3讲高考实验设计
高考要求
要求层次
具体内容
Ⅰ
Ⅱ
√
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、分析和处理
√
具有对一些生物学问题进行初步探究的能力
√
能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订
验证性实验：
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。
探究性实验：
指实验者在不知晓实验结果的前提下，通过自己实验探索、分析研究得出结论，从而形
成科学概念的一种认知活动。
验证性实验
探究性实验
实验目的
验证研究对象的已知属性、特征以及与其他因素的关系。
探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系。
实验假设
因结论是已知的，因此不存在假设问题。
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、解释。
实验原理
因验证内容而异
因探究内容而异
实验过程
应有的实验步骤，可以是曾经做过或尚未做过的，因验证内容而异。
应有的实验步骤实际上并未完成，因探究内容而异。
实验现象
已知，应准确描述。
未知，可以不描述。
实验结果预测
无
对应假设，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。
实验结论
对应实验目的做出肯定结论
不同的预测结果有相应的不同结论
明确是验证性实验还是探究性实验，确定实验目的、实验名称
↓
运用所学知识或题目信息明确实验原理
↓
作出假设（探究性实验）
↓
实施实验过程
↓
预期
↓
观察和记录结果
↓
分析结果得出结论
（一）明确是验证性实验还是探究性实验，确定实验目的、实验名称
1.实验目的就是该实验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。
2.实验名称的一般书写方式为：
“验证……”、“证明……”、“探究……”，其后内容就是实验的目的（即：
自变量对因变量的影响）。
如：
探究光照强弱对光合作用强度的影响。
其中，
“探究”表明为探究性实验；
后面的实验目的体现了“光照强度”为自变量，“光合作用强度”为因变量。
2.明确实验目的方法：
①直接读题干获取。
②间接获取：
通过分析实验过程获取自变量和因变量，从而推出实验目的。
反过来也可通过实验目的确定自变量（题中可变的单一因素）和因变量。
案例1：
近期某水域受到了有机物X的污染，为了解此有机物对水生软体动物是否有致畸作用，某生物兴趣小组同学提出开展探究活动。
请根据下列实验材料和用具，拟定一个探究课题。
实验材料和用具：
采自未受污染水域、体重相近、性成熟的水生螺（300只），解剖镜，有机污染物X溶液，养殖池，正常水生螺雌、雄性器官解剖图谱等。
课题名称：
。
案例2：
现在人们已经知道酸雨对多种生物的生长发育都有影响，但不知道酸雨对蛙的生长发育是否有影响，请设置一课题进行研究。
课题名称：
。
案例3：
某同学设计了一个探究实验，把培养在完全营养液中、生长状态一致的3组某种植物幼苗分别放入A、B、C三个完全相同的玻璃钟罩内（如下图所示），其中A不密封。
B、C密封。
B内培养皿中盛有Ba（OH）2溶液，A、C内培养皿中盛有蒸馏水，各培养皿中液体的体积相同。
该实验在光照充足、温度适宜的环境中进行。
根据上述实验设计判断，该实验的目的是。
（二）运用所学知识或题目信息明确实验原理
1.实验原理：
是该实验依据的生物学知识以及物理、化学等自然科学的常识，通常是我们设计实验的主要依据。
如DNA粗提取和鉴定实验中，涉及生物知识的原理有：
渗透作用原理；化学原理有：
DNA遇二苯胺沸水浴变蓝，DNA在不同浓度氯化钠溶液中溶解度的不同，酒精可溶解细胞内某些物质但不溶解DNA，柠檬酸钠与钙离子反应有抗凝血作用；物理原理有：
离心沉降作用的原理等。
2.实验原理的指导作用：
实验原理的把握对于实验设计的完成具有极其重要的指导作用。
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。
假设的提出、实验现象和实验结果的预期也是依据实验原理而做出的。
3.实验原理的获取：
①从题目所给信息（如：
实验目的、实验课题名称、实验材料、试剂、实验步骤、实验现象等）中分析获取，因为实验整个方案的设计依据就是实验原理。
②从学过的知识原理中分析。
案例4：
某同学为了验证某大豆品种的矮化特性与赤霉素的含量有关，设计了如下实验：
实验材料：
具2片真叶且长势相同的该品种大豆幼苗若干、完全培养液、蒸馏水、适宜浓度的赤霉素溶液、喷壶等。
实验步骤：
①将上述大豆幼苗若干平均分成A、B两组，A为对照组，B为实验组，分别置于等量的完全培养液中培养。
②用喷壶分别将等量的蒸馏水和赤霉素溶液喷洒在A、B两组幼苗上。
③将两组幼苗置于相同且适宜的温度和光照条件下培养，一段时间后，测定2组植株的高度。
该实验设计的原理是：
。
案例5：
为确定人体在运动时呼出气体中CO2浓度是否比静止时高，某同学进行了如下探究：
作出假设：
人体在运动时呼出气体中CO2的浓度比静止时高。
实验过程：
①在3个烧杯中，分别注入100mL蒸馏水，测定其pH。
运动状态
安静
中度运动
剧烈运动
实验前pH
6.1
6.1
6.1
实验后pH
5.9
5.6
5.3
②实验者在安静状态（静坐2min）、中度运动（步行2min）以及剧烈运动（跳绳2min）后，立即分别向上述3个烧杯的水中吹入等量气体，测定pH。
经多次重复实验，所得平均数据如下表：
该实验的原理是。
案例6：
甘薯和马铃薯都富含淀粉，但甘薯吃起来比马铃薯甜，这是因为马铃薯不含还原糖。
为了确认马铃薯不含还原糖的原因，做了如下实验：
材料与试剂：
甘薯提取液（去淀粉和还原糖），马铃薯提取液（去淀粉），
斐林试剂，质量分数为3%的淀粉溶液等。
实验步骤：
第一步：
取A、B两支试管，在A管中加入甘薯提取液，B管中加入等量的马铃薯提取液。
第二步：
70℃水浴保温5min后，在A、B两支试管中各加入等量淀粉溶液。
第三步：
70℃水浴保温5min后，在A、B两支试管中各加入等量斐林试剂。
第四步：
沸水溶加热煮沸1-2min。
实验结果：
A管砖红色，B管蓝色。
分析马铃薯不含还原糖的原因是：
。
实验原理：
①;
②。
（三）作出假设（探究性实验）
1.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，也就是做出假设。
假设的提出是要有依据的。
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。
2.假设的一般书写方式：
①“自变量促进结果”②“自变量抑制结果”③“自变量与结果无关”。
例如，实验“探究光的有无对某植物种子萌发的影响”可作出假设：
光是该植物种子萌发的必要条件（或“光抑制该植物种子的萌发”或“该植物种子的萌发不受光的影响”）。
3.“假设”对应“结论”，探究性实验中若假设最终成立，则作出的假设即是最终的结论。
验证性实验
因结论是己知的，因此不需要假设。
案例7：
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。
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，一段时间后除去青霉菌，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：
。
（四）实施实验过程
1.根据实验目的、实验原理来选取实验材料、试剂、用具等。
2.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。
涉及到实验设计思想；材料、试剂、仪器的使用；实验设计原则（科学性、对照、单一变量、平衡控制、平行重复、简约可行等）的体现等。
3.设计实验的具体方法步骤，通常为“三步曲”。
第一步：
分组、编号
①此步即为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。
②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。
④常用表述语：
“生长发育状况相同”、“若干”、“随机均分”、“等量的”等。
第二步：
控制变量
①实验组实施自变量和无关变量；对照组实施无关变量。
（保证单一变量）
②常采用“A组（对照组）……；B组（实验组）……”的形式表述。
第三步：
实验组和对照组相同且适宜条件（消除无关变量，保证单一变量）处理，观察记录结果。
（1）变量
自变量：
也称为实验变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。
因变量：
也称为反应变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。
实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。
实验的目的就在于获得和解释这种前因后果。
例如：
“探究温度对酶活性的影响”的实验中，低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水）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。
无关变量：
指实验中除实验变量外的影响实验结果的因素或条件。
无关变量的控制要做到相同且适宜。
额外变量：
指实验中由于无关变量而引起的变化和结果。
额外变量会对反应变量有干扰作用。
无关变量与反应变量之间也是因果关系。
例如：
“探究温度对酶活性的影响”的实验中，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。
因此对照实验的关键是：
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。
相关实验的变量分析：
实验
自变量
因变量
无关变量
比较过氧化氢酶和Fe3＋的催化效率
催化剂的种类（过氧化氢酶、Fe3＋）
催化效率的高低（以点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度表示或气泡产生速度表示）
试管等用具的洁净度、环境温度、相同材料的量、各种试剂的量、反应时间等
探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解的作用
底物的种类（淀粉、蔗糖）
淀粉酶将淀粉水解（处理后加斐林试剂，加热出现砖红色沉淀），但不能水解蔗糖（处理后加斐林试剂并加热，无砖红色沉淀出现）
淀粉与蔗糖溶液的量、水浴的温度与处理时间、斐林试剂的使用量与加热时间、操作程序等
观察植物细胞的质壁分离和复原
外界溶液的浓度即高渗及低渗溶液
质壁分离（液泡失水缩小、颜色变深、原生质层与细胞壁分离）；
质壁分离复原（液泡恢复原状、颜色变浅、原生质层恢复原状）
溶液的种类及浓度；分离与复原现象的观察；装片的洁净度及临时装片的制作；材料的选择等。
温度对酶活性的影响
温度（60℃热水、沸水、冰块）
加碘液后溶液颜色的变化
试管的洁净度、淀粉溶液的量、不同温度的处理时间长度、操作程序、碘液的加入量等
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
生长素（或类似物）的
不同浓度
①扦插枝条的生根状况的差异
②果实发育状况的差异
③落花落果状况在使用前后的差异
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
（2）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。
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控制无关变量的方法（平衡控制）：
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。
具体方法：
随机分组、设置对照、等同或等量处理、条件相同且适宜、重复实验等。
③检测因变量的方法：
根据实验原理和实验条件确定观察的现象和测量的数据。
具体方法：
观察颜色变化、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）变量控制的描述：
①在量上难以做到准确的量化描述，应尽可能用“定性”的语言表达。
如：
“一段时间”、“适宜的温度”、“适量的”、“一定量的”等。
②叙说中尽量要用规范的实验术语，不能用俗语口语，
如：
“盖玻片”不能说是“薄的玻璃片”，“等量的”不宜说成“一样多的”，“振荡”不宜说成“晃动”“摇动”，“不变蓝”不等于“无色”或“没有颜色变化”，“褪色”说成“无色”，
另外“不变”也不能说成“无现象”等等。
案例8：
设计实验验证：
胰岛素具有降低血糖的作用
已知信息和条件：
低血糖症状：
四肢无力、活动减少、甚至昏迷等
材料：
小鼠
其他试剂、用具等均按实验需求提供
方法步骤：
1.将小鼠若干只为A、B两组。
2.A组小鼠注射，B组小鼠注射。
3.在条件下饲喂两组小鼠一段时间。
观察并记录。
预期：
A组小鼠出现四肢无力、活动减少、甚至昏迷等低血糖症状。
再注射适量适宜浓度的
葡萄糖溶液，低血糖症状消失。
B组小鼠活动状况无明显变化。
结论：
胰岛素具有降低血糖的作用。
（五）预期
1.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。
2.“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。
“验证性实验”可预测到的结果是唯一的，即与实验实际应有的结果一致，因此可不作结果预测。
3.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：
“若……（此处书写预期可能出现的结果之一，实验组和对照组都要描述）,则说明……（此处书写相应的结论）。
”
案例9：
寻找氨基酸依赖型的细菌常常是制药业的重要工作，现就氨基酸甲和氨基酸乙是否为谷氨酸棒状杆菌的生长因子做如下实验：
实验步骤：
①配制四份固体培养基，具体情况如下表：
实验分组编号
A
B
C
D
所含甲、乙两种氨基酸情况
含甲和乙
不含甲和乙
只含甲
只含乙
其它成份
其它必需成份都相同
②对四种培养基进行灭菌；
③接种谷氨酸棒状杆菌并在适宜条件下培养；
④观察菌落生长情况，进行对比分析。
预测可能的结果及相应结论：
（六）观察和记录结果：
1.结果为实验实际出现的情况，是对实验现象的直接陈述，必须客观如实地观察、记录实验的现象、数据，得出实验结果并通过一定方式将实验结果呈现出来。
2.验证性实验结果与预期一致；探究性实验结果与预期不一定一致。
3.结果的检测：
结果须是“可观”“可感”或“可测”的指标。
常用的观测指标：
（1）颜色变化：
如还原糖、脂肪、蛋白质的检测，色素的分离，DNA的鉴定，大肠杆菌的鉴定等。
（2）体积变化：
气体体积变化、液体体积变化，如酵母菌进行无氧呼吸时，培养瓶中气体体积增加。
（3）数量变化：
如低温诱导染色体变异，染色体数目加倍；不同浓度的生长素处理的扦插枝条生根的数量。
（4）生物指标：
形态结构、生理状况或生长发育状况等。
如测量生长速度（植物株高、干重、动物身高、体重），产蛋量，果实大小、重量等，代谢速率（一定时间内耗氧量 或消耗一定氧气所需的时间），某物质对生物的毒性（种子的发芽率或植株染病情况；动物寿命、染病情况）
（5）生化反应速率：
如，光合速率：
单位时间氧气的释放量或二氧化碳的吸收量或干重增加量
呼吸速率：
单位时间二氧化碳的释放量或氧气的吸收量或干重减少量
（6）其他：
气味变化、时间长短、沉淀、温度、pH、气泡产生等。
4.结果记录：
定性实验：
直接记录实验现象。
定量实验：
记录测得的数据，如表格或坐标图。
（1）设计表格时注意自变量、因变量（多组、多个、设平均值）。
有时也要加上表格标题。
例如：
关于×××××的记录表
××××××
××××××
第1次测量
第2次测量
第3次测量
平均值
浓度1
浓度2
蒸馏水（对照）
（2）坐标图的设计：
要明确横轴的含义、纵轴的含义、纵横轴的单位、曲线的走势、关键点（起点、转折点、终点）等。
案例10：
某学生偶然发现磁场环境会影响黄豆芽的生长，想进一步研究不同磁场强度与黄豆下胚轴生长的关系，他设计了如下实验方案。
课题名称：
不同磁场强度与黄豆芽下胚轴生长长度的关系
假设：
在一定的范围内，随磁场强度的增加黄豆芽下胚轴会长得更长（或更短）。
研究指标:
。
实验用品：
饱满的黄豆种子、磁铁（用于组建不同的磁场环境）、25℃黑暗温室环境、尺、清水、烧杯、纱布及其他所需材料
研究步骤：
（1）将一定数量品质相同的黄豆用清水浸泡1～2小时
（2）用磁铁组建强度不同三个磁场环境，分别命名为磁场1、磁场2、磁场3；
（3）取底部铺有纱布的4个烧杯，各放入5粒浸泡过的黄豆，盖上湿纱布；
（4）在25℃的黑暗温室环境中，随机取三个烧杯分别放入上述磁场中，剩余的一个作为对照组，并贴上标签区分。
（5）每天补充一定量的清水，以保持黄豆芽生长的合适湿度。
（6）一周后，测量并记录每根黄豆芽下胚轴的最终长度，求平均值。
研究结果与结论：
略
根据该生的研究步骤，请设计一张表格用于记录实验数据。
（七）分析结果得出结论
1.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”。
2.结论的得出须依据实验结果，对于探究性试验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或“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”。
因此可见“假设”应对应“结论”，“预期”应对应“结果”。
3.对于探究性实验的实验结果预期与分析，常表述为：
“若……（此处书写预期可能出现的结果之一，实验组和对照组都要描述）,则说明……（此处书写相应的结论）。
”
例如，用检测呼吸装置的红色液滴检测酵母菌呼吸类型时，应为若液滴向左移动则推出什么结论，若液滴向右移动则推出什么结论，而不能描述为“若为有氧呼吸，则液滴向哪移动”。
再如，在验证淀粉，碘液能否通过半透膜时应描述为“若袋内外液体均变蓝（结果或现象），则淀粉、碘液均能通过半透膜。
”而不能描述为“若淀粉、碘液均能通过，则袋内外液体均变蓝”。
案例11：
植物的根具有向重力生长的特性，下列是研究根向重力生长机理的实验。
将空白琼脂和含EDTA的琼脂做成帽状，分别套在甲、乙两组玉米胚根的根冠外（示意图如下）。
提示：
EDTA的作用是去除与其临接部位的Ca2+。
将胚根水平放置培养一定时间后，观察到甲组胚根向重力（下）生长，乙组胚根水平生长。
根据上述实验结果，得出实验结论：
。
案例12：
为研究促甲状腺激素（TSH）分泌的影响因素，研究者从刚宰杀的大白鼠体内分离新鲜的下丘脑和垂体，然后把这些结构单独或一起培养于含有或不含有甲状腺激素的培养基中，培养后测定培养基内TSH的浓度，结果如图：
A瓶说明了培养基及培养过程不会产生TSH。
以下各瓶相比较可以得出哪些结论？
①A瓶与B瓶比较说明：
_____________________________________________。
②A瓶与C瓶比较说明：
_____________________________________________。
③C瓶与D瓶比较说明：
_____________________________________________。
④C瓶与E瓶比较说明:
______________________________________________。
【例1】
我国科学工作者研究的针对SARS病毒的疫苗已经进入到人体安全性试验阶段，数十名志愿者报名接受安全性试验。
研究人员制定的试验方案应是（ ）
A．志愿者全部注射疫苗，密切监视受试者的反应，随时准备处理意外情况的发生
B．志愿者全部注射疫苗，密切监视受试者的反应，观察、比较与常态人群的区别
C．志愿者全部注射疫苗，观察、记录并统计出现不良反应的个体所占的比例
D．在志愿者不知情的状况下将他们分为两组，一组注射疫苗，一组注射生理盐水
【答案】D
【例2】
实验中的变量主要有自变量、因变量和无关变量。
下列不属于控制无关变量相关操作的是（）
A．验证光合作用能产生淀粉的实验中，首先将实验植物进行饥饿处理
B．验证温度影响酶活性的实验中，先将每一组底物和酶溶液分别置于相同温度条件下后再混合
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．绿叶中色素的提取和分离实验中，制备滤纸条时剪去两角
【答案】C
【例3】
下列关于实验的观察方法及观察指标的说法正确的是（）
A.直接用高倍镜观察植物细胞的叶绿体
B.通过观察溶液颜色变化可以得出过氧化氢酶活性高于Fe3+
C.用肉眼观察滤纸条上色素带的颜色和宽窄可以得出绿叶中的色素种类和含量多少
D.用不同浓度的生长素溶液处理扦插枝条，可以通过枝条的生根的长短，确定最适浓度。
【答案】C
【例4】
某生物兴趣小组利用2，4-D进行了如下实验：
①配制不同浓度的2，4-D溶液共6组；②选取生理状况相同的桂花枝条，均分为6组，将扦插枝条下端分别浸泡在不同浓度的2，4-D溶液中，10分钟后取出，进行无土栽培；③一段时间后取出扦插枝条，统计每组枝条生根数目并计算出平均值，结果如下表：
2，4-D浓度（mol/L）
0
10－15
10－14
10－13
10－12
10－11
生根平均值（条）
2.0
3.8
7.2
9.4
15.1
20.3
根据以上实验，可以得到的结论是（）
A．促进桂花扦插枝条生根的2,4-D最适浓度是10－11mol/L
B．一定浓度的2，4-D溶液对植物插条生根具有明显的促进作用
C．超过一定浓度的2，4-D溶液对植物插条生根有抑制作用
D．相同浓度的2，4-D溶液和生长素溶液对插条生根的作用效果相同
【答案】B
【例5】
用体重、性别等均相同的三组实验用狗进行以下实验：
将含有放射性碘的注射液注射到a、b、c三组狗的体内，然后定时检测狗体内血液中的放射量。
4天后，向a组狗体内注射无放射性的甲状腺激素，向b组狗体内注射无放射性的促甲状腺激素，向c组狗体内注射生理盐水。
实验结果如下图所示，对实验结果描述不正确的是（ ）
A.a是由于甲状腺功能受到抑制
B.c在该实验中起对照作用
C.b是由于促甲状腺激素具有促进甲状腺分泌甲状腺激素的功能
D.如果给狗注射促甲状腺激素释放激素，则实验狗的血液中放射量与a相同
【答案】D
【例6】
下列是某小组探究“过氧化氢酶的活性是否受pH影响”的实验，实验的操作步骤如下：
1向甲乙试管内各加2mL新配制的体积分数为3%的过氧化氢溶液
2向甲试管内加入1mL5%的盐酸，向乙试管内加入XmL5%的NaOH
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