高考生物总复习第10单元第36讲实验原则与设计学案.docx
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高考生物总复习第10单元第36讲实验原则与设计学案
第36讲实验原则与设计
[考纲点击] 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 2.具备验证简单生物学实验的能力，并对实验现象和结果进行解释、分析和处理 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作出恰当的评价和修订
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→作出假设→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。
1．实验变量与反应变量
实验变量：
也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。
反应变量：
也称因变量，指实验中由实验变量引起的变化和结果。
通常实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。
实验的目的在于获得和解释这种前因后果。
2．无关变量与额外变量
无关变量：
也称控制变量，指实验中除实验变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。
额外变量：
也称干扰变量，指实验中由无关变量引起的变化和结果。
显然额外变量会对反应变量起干扰作用。
3．实验对照的四种类型
空白对照、自身对照、条件对照和相互对照。
4．评价、修订类实验题的解题步骤
第一步：
分析取材是否正确。
第二步：
分析实验原理及方法是否正确。
第三步：
分析药品与试剂的使用是否合理。
第四步：
步骤及操作分析，主要有以下情况：
①漏做或颠倒某个实验步骤；②操作方法错误；③有没有设置对照，如果有看对照设计是否合理；④实验是否遵循了单一变量原则；⑤实验是否具有偶然性；⑥有无更为简单的实验方案；⑦实验能否顺利完成；⑧实验的安全性如何。
第五步：
分析实验结果是否正确。
考法一 实验设计原则
1．科学性原则
实验是在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。
因此，在实验设计中必须有充分的科学依据。
科学性原则包括实验原理的科学性、实验材料选择的科学性、实验方法的科学性、实验结果处理的科学性。
2．对照性原则
只有比较才能看出差异，只有通过对照才能验证我们的推论，因此，在实验设计中，要设置对照组。
设置科学、合理的对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。
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。
对照的四种类型：
类型
设置对照实验
实例
空白
对照
不给对照组以任何处理
如要验证甲状腺激素的作用，则对照组动物不作任何处理，让其自然生长
自身
对照
实验组和对照组都在同一实验对象上进行
植物细胞质壁分离和复原实验，在同一装片中先后进行。
对照组即正常的洋葱表皮细胞，实验组即质壁分离和复原的细胞，是同一组细胞
条件
对照
给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的
在“动物激素饲喂小动物”的实验中，采用等组实验法，甲组为实验组（饲喂甲状腺激素），乙组为条件对照（饲喂甲状腺抑制剂）
相互
对照
不单独设对照组，而是几个实验组相互对照
植物向重力生长的向性实验中将玉米种子放置在不同的方向
3.单因子变量原则和等量原则
（1）理解实验控制中的变量
对照的目的就在于消除无关变量对实验结果的影响，使实验结果只受实验变量的影响。
（2）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。
如“探究植物生长调节剂对扦插枝条生根的作用”实验中，同浓度处理的插条要求做3～5根，然后求平均值，以排除个别偶然数据的干扰。
视角1► 以案例分析或实验分析的形式，考查单因子变量原则和等量原则
1．（实验表格信息类）（2015·高考广东卷）用秋水仙素处理某二倍体植物的愈伤组织，从获得的再生植株中筛选四倍体植株。
预实验结果如下表，正式实验时秋水仙素浓度设计最合理的是（ ）
秋水仙素浓度（g/L）
再生植株（棵）
四倍体植株（棵）
0
48
0
2
44
4
4
37
8
6
28
11
8
18
5
10
9
2
A.0、2、3、4、5、6 B．0、4、5、6、7、8
C．0、6、7、8、9、10D．0、3、6、9、12、15
解析：
选B。
预实验主要是为正式实验摸索条件，本题中正式实验的目的是“从获得的再生植株中筛选四倍体植株”，则预实验后所确定的秋水仙素浓度应符合“再生植株数量多，四倍体植株的数量也多”两个条件。
从表中数据可以看出，最适秋水仙素浓度在6g/L左右，故选择的秋水仙素浓度范围为4～8g/L，在这一浓度范围内设置更小梯度进行正式实验，同时加上浓度为0的空白对照组。
2．（实验原则判断类）（2016·河南郑州月考）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．探究唾液淀粉酶最适pH的实验中，先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：
选C。
选项A，该实验中将实验植物进行饥饿处理，消耗植物原有的淀粉，防止对实验的干扰；选项B，该实验中，温度为无关变量，需控制到唾液淀粉酶适宜的温度下；选项C，该实验中，有无光照是自变量；选项D，该实验中淀粉的加入量为无关变量，用量要相同。
视角2► 以案例分析或实验分析的形式，考查对照性原则
3．（实验表格信息类）（2016·上海嘉定调研）MRSA菌是一种引起皮肤感染的“超级细菌”，对青霉素等多种抗生素有抗性。
为研究人母乳中新发现的蛋白质H与青霉素组合使用对MRSA菌生长的影响，某兴趣小组的实验设计及结果如表。
下列说法正确的是（ ）
组别
培养基中添加物
MRSA菌
1
100μg/mL蛋白质H
生长正常
2
20μg/mL青霉素
生长正常
3
2μg/mL青霉素＋
100μg/mL蛋白质H
死亡
A.细菌死亡与否是通过光学显微镜观察其细胞核的有无来确定
B．第2组和第3组对比表明，使用低浓度的青霉素即可杀死MRSA菌
C．实验还需设计有2μg/mL青霉素做处理的对照组
D．蛋白质H有很强的杀菌作用，是一种新型抗生素
解析：
选C。
细菌是原核生物，无细胞核，A错误。
第2组和第3组不遵循单一变量原则，不能确定是低浓度的青霉素即可杀死MRSA菌，也可能是蛋白质H导致的，B错误、C正确。
蛋白质H并不是抗生素，D错误。
4．（实验装置图类）（2016·江苏盐城月考）某研究小组利用检测气压变化的密闭装置来探究微生物的呼吸，实验设计如下。
关闭活栓后，U形管右管液面高度变化反映瓶中气体体积变化。
实验开始时将右管液面高度调至参考点，实验中定时记录右管液面高度相对于参考点的变化（忽略其他原因引起的容积变化）。
下列有关说法不正确的是（ ）
A．甲组右管液面不变，乙组下降，说明微生物进行乳酸发酵
B．乙组右管液面变化，表示的是微生物呼吸CO2的释放量和O2消耗量之间的差值
C．甲组右管液面升高，乙组不变，说明微生物只进行有氧呼吸
D．甲组右管液面变化，表示的是微生物呼吸氧气的消耗量
解析：
选A。
甲组中的NaOH溶液可以吸收二氧化碳，所以甲组右管液面变化，表示的是微生物呼吸氧气的消耗量，D正确。
乙组中放置的是蒸馏水，乙组右管液面变化，表示的是微生物呼吸CO2的释放量和O2消耗量之间的差值，B正确。
甲组右管液面升高，说明消耗了氧气；乙组不变，说明消耗氧气和产生的二氧化碳的量相等；综合两组实验，说明微生物只进行有氧呼吸，C正确。
如果甲组右管液面不变，乙组下降，说明微生物没有消耗氧气，但产生了二氧化碳，说明微生物进行了酒精发酵，A错误。
考法二 探究性实验与验证性实验
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.实验步骤设计的一般步骤
第一步：
取材、分组和编号
a．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。
b．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”。
c．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”。
视角► 以案例分析或实验分析的形式，考查探究性实验与验证性实验
1．（验证性实验设计类）某学生准备验证酵母菌既能进行有氧呼吸，也能进行无氧呼吸，并设计了下列对照实验，请你帮助他完成有关内容。
（1）实验目的：
验证酵母菌的细胞呼吸方式。
（2）材料用具：
酵母菌培养液、质量浓度为0.19g/mL的葡萄糖溶液、液体石蜡油、蒸馏水、保温瓶、温度计、棉花。
（3）实验步骤
①将质量浓度为0.19g/mL的葡萄糖溶液加热后冷却备用。
②取3个保温瓶，编号为A、B、C，并将C瓶设置为对照。
③在3个保温瓶中分别加入等量的________________。
④A瓶中再加入________________________________________________________________________，
B瓶中再加入________________________________________________________________________，
C瓶中再加入________________________________________________________________________。
⑤在3个保温瓶中均放入温度计，用棉花轻轻塞上瓶口，并保证保温瓶通气。
⑥24小时后观察并记录3个保温瓶中温度的变化。
（4）实验结果及分析
C瓶温度________，A瓶温度________（填“高于”“低于”或“等于”）B瓶温度，原因是________________________________________。
（5）实验结论：
________________________________________________________________________。
解析：
本实验的目的是验证酵母菌的细胞呼吸方式，故控制好单一变量（有氧或无氧环境）是实验的关键；具体表达实验步骤时，要注意体现出等量原则。
对于实验结果的分析，由于酵母菌有氧呼吸释放的能量比无氧呼吸释放的能量多，故作为实验组的A、B两瓶温度不同，且B瓶温度较高。
答案：
（3）③葡萄糖溶液 ④适量的酵母菌培养液和液体石蜡油 与A瓶所加酵母菌培养液等量的酵母菌培养液 与A瓶所加酵母菌培养液等量的蒸馏水 （4）不变 低于 酵母菌无氧呼吸释放的能量比有氧呼吸释放的能量少 （5）酵母菌的细胞呼吸方式有有氧呼吸和无氧呼吸两种（或酵母菌为兼性厌氧菌）
2．（探究实验设计类）为探究生物制剂Q对阿霉素所导致的心肌细胞凋亡是否具有保护作用，研究者提出了以下实验设计思路：
第一步，进行实验分组：
甲组加入培养液＋心肌细胞＋生理盐水、乙组加入培养液＋心肌细胞＋阿霉素、丙组加入培养液＋心肌细胞＋生物制剂Q＋阿霉素。
每组设置若干个重复样品。
第二步，各组样品在相同且适宜的条件下培养一段时间后，在显微镜下观察记录细胞数。
第三步，重复第二步若干次，统计分析各组样品的细胞存活率。
请根据以上实验回答下列问题：
（1）本实验涉及的主要生物技术是________________________________________________________________________。
（2）预测实验结果及结论
①若____________________，则生物制剂Q对阿霉素致心肌细胞凋亡具保护作用。
②若____________________，则生物制剂Q对阿霉素致心肌细胞凋亡不具保护作用。
（3）分析与讨论
①与实验动物相比，采用离体心肌细胞为实验材料，可以避免实验动物的心脏活动受________________调节的影响。
②为了获得单个的心肌细胞悬浮液，需采用__________消化组织中的胶原纤维和细胞外成分。
③上述分组时，还可增设__________组，该组加入的物质有________________________________________________________________________。
解析：
（1）该实验过程中用培养液培养心肌细胞，因此采用的技术为动物细胞培养。
（2）甲组为对照组，乙、丙组为实验组。
根据实验目的看出阿霉素能导致心肌细胞凋亡，若生物制剂Q对阿霉素致心肌细胞凋亡具保护作用，则丙组心肌细胞存活率高于乙组，与甲组相似或小于甲组；若生物制剂Q对阿霉素致心肌细胞凋亡不具保护作用，则甲组心肌细胞存活率高于丙组，乙组和丙组存活率相等。
（3）心肌细胞离体培养，可以避免动物生命活动对细胞培养的影响。
用胰蛋白酶处理动物组织获得单细胞。
可以增加一组添加培养液＋心肌细胞＋生物制剂Q的一组作为对照。
答案：
（1）动物细胞培养
（2）①存活率甲组≥丙组＞乙组 ②存活率甲组＞乙组＝丙组 （3）①神经—体液 ②胰蛋白酶 ③对照 培养液＋心肌细胞＋生物制剂Q
易错点1 验证与探究的混淆
[点拨] 一般来说，验证性实验与探究性实验的实质区别在于实验结果是已知的还是未知的。
如果是已知的，大多可以作为验证性实验来考虑，例如教材中“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”的实验；如果是未知的，就可以作为探究性实验来考虑，例如教材中“影响酶活性的条件”的实验。
易错点2 假说与预期、结果与结论的混淆
[点拨]
（1）“假说”是指用来说明某种现象但未经证实的论题，也是依提出的问题而作出的参考答案。
“预期”是在实验设计方案确定以后，实验正式实施之前，根据假说和原理，得出的实验可能出现的假定性结果，即“假如假说成立，则应有何种结果”。
（2）“结果”应为实验实际出现的情况。
“结论”是依据实验结果得出的总结性的话，若结果与预期一致，则结论为假说成立；否则，结论为假说不成立。
（3）验证性实验有时也可以作为探究性实验来说明问题。
例如孟德尔的分离定律和自由组合定律的发现过程，就首先提出了假说（未知的），然后对实验进行了预期。
如果实验结果与预期一致，说明假说是正确的，是真理；如果实验结果与预期不一致，说明假说是错误的，是谬论。
易错点3 实验开始前测与实验结果处理
[点拨] 有些实验开始前需对实验状态进行前测，有些实验结果不能直接观察到实验现象，需要对实验结果进行处理，即再进行一个小的实验。
易错点4 对实验原理与实验结果解释的混淆
[点拨]
（1）实验原理要求写出实验设计的依据，实验设计的主要思路及对实验结果的观测方法。
（2）实验结果解释要求用实验原理把实验结果和实验结论联系起来，叙述好前因后果。
►微观清障
（1）对照实验一般要设置对照组和实验组，在对照实验中除了要观察的变量外，其他变量都应当始终保持相同。
（ ）
（2）研究细胞核的功能，把蝾螈的受精卵横缢成有核和无核两部分可以作为相互对照。
（ ）
（3）为提高实验数据的可信度，合理的处理方法是随机取样，进行重复测定。
（ ）
（4）在实验探究过程中，可通过多组重复实验减少实验结果的误差。
（ ）
（5）比较过氧化氢在不同温度条件下的分解实验，该实验的自变量是FeCl3溶液与肝脏研磨液。
（ ）
（6）探究Ca2＋的主动吸收，可设置细胞外Ca2＋浓度大于或小于细胞内Ca2＋浓度。
（ ）
（7）探究酵母菌培养过程中的呼吸方式，其因变量是是否产生了CO2。
（ ）
（8）番茄幼苗在缺镁培养液中培养一段时间后，与对照组相比，其叶片光合作用强度下降的原因是光反应强度降低，暗反应强度降低。
（ ）
（9）为了研究洋葱和甜菜之间能否混种，可将洋葱与甜菜两者间的株高差作为实验结果的观测指标。
（ ）
（10）探究生长素促进插条生根的最适浓度的实验中，需设置不同浓度生长素与清水组作对照。
（ ）
（11）观察二氧化硫对植物的影响，可用两组实验相互对照：
一组玻璃罩内放入植物，并加入低浓度二氧化硫气体，另一组玻璃罩内放入相同的植物，并加入高浓度二氧化硫气体。
（ ）
答案：
（1）√
（2）√ （3）√ （4）√ （5）× （6）× （7）× （8）√ （9）× （10）√ （11）×
1．（2016·安徽安庆模拟）为探究不同条件对植物光合作用速率和呼吸作用速率的影响，某实验小组做了如下实验：
用8株有20片叶片、大小和长势相似的天竺葵盆栽植株，分别放在密闭的玻璃容器中，在不同实验条件下，利用传感器定时测定密闭容器中二氧化碳含量的变化。
实验结果统计如下表，请分析回答下列问题：
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
温度（℃）
10
10
20
20
30
30
40
40
光照强度（LX）
1000
0
1000
0
1000
0
1000
0
开始时CO2量（单位）
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
12h后CO2量（单位）
4.5
5.1
3.5
5.4
1.9
5.9
2.0
5.8
（1）编号1、3、5、7可构成一个相对独立的实验组合，在该实验组合中，自变量是________，该实验设计方案忽略了____________________________（某一无关变量）对实验结果的影响。
（2）编号2、4、6、8可构成另一个相对独立的实验组合，则该实验组合研究的主题是：
________________________________________________________________________。
（3）编号1、3、5、7在实验前后二氧化碳含量的变化值的含义是________________________________________________________________________。
（4）若想确定天竺葵生长的最适光照强度，请在本实验的基础上写出进一步探究的实验思路：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[导学号29520617] 解析：
（1）分析表中数据可知，编号1、3、5、7装置中，光照条件、开始时二氧化碳量均相同，只有温度不同，因此自变量是温度。
无关变量为二氧化碳浓度，各组在实验过程中应保持一致，但实验过程中不同温度下细胞呼吸强度不同，产生的二氧化碳量也不同，该实验设计方案忽略了二氧化碳浓度变化对实验结果的影响。
（2）序号2、4、6、8装置中，光照强度为0，温度不同，因此序号2、4、6、8构成的实验可用来作为探究温度对植物呼吸作用速率的影响实验。
（3）序号1、3、5、7装置中，光照强度都为1000LX，植物在此光照下能进行光合作用和呼吸作用，因此二氧化碳的减少量是光合作用固定的二氧化碳与呼吸作用释放的二氧化碳的差值，即净光合作用所消耗的二氧化碳量。
（4）根据2、4、6、8中二氧化碳的变化量可分别计算出，10℃、20℃、30℃和40℃时，植物的呼吸速率分别是0.1、0.4、0.9、0.8，光照下，温度分别为10℃、20℃、30℃和40℃时的净光合作用速率分别为0.5、1.5、3.1、3，真光合作用速率等于净光合作用速率＋呼吸作用速率，即真光合作用速率分别为0.6、1.9、4、3.8。
可见温度为30℃时，真光合作用速率最高；若探究光合作用的最适光照强度，需要在温度30℃左右改变光照强度，设置多个梯度光照强度进行实验，其他条件与原实验相同，测定并比较单位时间内的二氧化碳的吸收量即可。
答案：
（1）温度 二氧化碳浓度
（2）温度对植物呼吸作用（强度/速率）的影响
（3）净光合作用所消耗的二氧化碳量
（4）在温度30℃左右改变光照强度，设置多个梯度光照强度进行实验，其他条件与原实验相同，测定比较单位时间内的二氧化碳吸收量
2．（2016·广东普宁月考）最近媒体曝光的毒胶囊事件中，问题胶囊铬超标，最高超标90倍。
工业明胶中的六价铬是一种毒性很大的重金属，容易进入人体细胞，对肝、肾等内脏器官和DNA造成损伤。
有资料称，重铬酸钾（含六价铬）0.1～0.5μg/kg可使培养的细胞产生变异。
某医院病理室为确诊一摄入过量重铬酸钾患者的肿瘤是良性还是恶性，切取了一小块肿瘤组织进行培养。
请回答下列问题：
（1）培养之前，肿瘤组织必须先用__________等处理成单个细胞。
（2）某科研单位研制出一种新型治癌药物X，但不知对此类肿瘤是否有疗效，现提供以下实验材料：
培养瓶、CO2培养箱、含有肿瘤细胞的培养液、生理盐水、光学显微镜、药物X等，请你完成相关实验步骤加以探究。
步骤一：
取两只培养瓶，编号1号、2号，两瓶中装入等量的________________________________________________________________________。
步骤二：
1号培养瓶中加入______________________，2号培养瓶中加入____________________。
步骤三：
________________________________________________________________________
____________________________
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