版高考生物大一轮复习第十单元实验原则与设计第37讲实验原则与设计讲义新.docx
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版高考生物大一轮复习第十单元实验原则与设计第37讲实验原则与设计讲义新
第37讲 实验原则与设计
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。
[学生用书P266]）
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．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。
（√）
2．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。
（×）
3．探究Ca2＋的主动吸收，使细胞外Ca2＋浓度大于或小于细胞内Ca2＋浓度。
（×）
4．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。
（×）
5．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。
（√）
6．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。
（×）
考点一 实验设计原则[学生用书P266]
1．科学性原则
包括实验原理、实验材料的选择、实验方法和实验结果的处理等方面要保证不出现科学性错误，要有科学的思想和方法作指导。
2．对照原则
对于对照实验，一个实验包括实验组和对照组。
实验组是接受自变量处理的对象组，对照组（控制组）是不接受自变量处理的对象组。
常用的对照类型有以下几种：
（1）空白对照：
对照组为不作任何处理的对象组。
这里的不作处理，并非什么因素都不给予，而是针对实验所要研究的因素不给予，以体现实验因素的有无对实验结果的影响。
如“探究影响酶活性的条件”实验中：
（2）自身对照：
实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。
如“探究植物细胞的吸水和失水”实验，即是典型的自身对照——实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
（3）条件对照：
给对照组施以某种实验处理，但不是所研究的实验因素，以突出实验实施的处理因素与实验所研究因素的差异，从一个侧面衬托实验因素对实验结果所造成的影响。
如肺炎双球菌转化实验中以下两组实验：
S型菌DNA＋R型活菌
S型菌落＋R型菌落（实验组）；
S型菌DNA＋DNA酶＋R型活菌
R型菌落（条件对照组）。
（4）相互对照：
不单设对照组，而是几个实验组相互对照。
如“探究影响酶活性的条件”实验中，探究温度对酶活性的影响时，要用热水、正常温度的水、冰水三个实验组来探究，进行相互对照，以得出相应的实验结论。
3．单一变量原则
在实验中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。
单一变量原则是指控制其他因素不变，而只改变其中某一因素，观察其对实验结果的影响。
4．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。
（2016·莆田调研）已知物质X对菠菜种子的萌发有抑制作用，物质Y可解除物质X的抑制作用。
某研究小组现设计实验验证物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用，请完善该实验。
（要求与说明：
答题时用X、Y表示相关名词；物质X、物质Y的剂量均符合实验要求；物质X、物质Y的相应处理措施不作具体要求）
（1）该实验的自变量为____________，因变量为____________________。
（2）实验步骤：
①用物质X处理菠菜种子一段时间；
②将用物质X处理过的菠菜种子均分为两组，编号为甲、乙，甲组不做处理，乙组____________，将两组菠菜种子分别置于________的环境下培养。
③一段时间后，________________________________________________________________________。
（3）预测实验结果及结论：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析] 该实验的自变量是物质Y的有无，因变量是菠菜种子的萌发率。
实验步骤中，应先用物质X处理菠菜种子一段时间，然后进行不同的处理，最后统计分析菠菜种子的萌发率。
不做处理组的萌发率低于物质Y处理组的萌发率，证明物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用。
[答案]
（1）物质Y的有无 菠菜种子的萌发率
（2）用物质Y处理 相同且适宜 统计分析两组菠菜种子的萌发率
（3）甲组菠菜种子的萌发率低于乙组，说明物质Y可解除物质X对菠菜种子萌发的抑制作用
教材实验中的变量分析
变量是实验过程中可以变化的因素。
在设计实验时，要注意使自变量可控制、因变量比较好检测，并尽量避免无关变量对实验的干扰。
实验名称
自变量
因变量
无关变量
探究温度
对淀粉酶
活性的影响
不同温
度（至少
三种）
酶的活性（加碘液后溶液颜色的变化）
pH、底物量、酶量、试管的洁净程度、反应时间、操作程序等
探究pH对过氧化
氢酶活性
的影响
不同pH（至少三种）
酶的活性（气泡的数量或带火星的卫生香燃烧的猛烈程度）
温度、底物量、酶量、试管的洁净程度、反应时间、操作程序等
探究酵母菌的呼吸方式
氧的有无
CO2生成量（澄清石灰水的浑浊程度）；是否有酒精产生（用重铬酸钾检测）
葡萄糖溶液，石灰水的量、温度、pH、锥形瓶的洁净程度等
模拟探究
细胞表面
积与体积
的关系
琼脂块体积的大小
物质运输的效率
琼脂块的一致性、NaOH溶液的量、浸泡的时间、测量的准确性等
探究生长
素类似物
促进插条
生根的最
适浓度
不同浓度的生长素类似物
扦插枝条的生根数量或根长度
实验材料的一致性、生长素类似物浓度的准确性、处理时间的一致性等
探究培养
液中酵母
菌数量的
动态变化
时间
酵母菌种群数量
培养液的成分、培养条件、空间等
探究水族箱中的群落演替
时间
群落的演替
水族箱的培养条件和环境等
实验变量实例分析
1．（2016·湖南长沙二模）下列对有关实验中变量的叙述，正确的是（ ）
A．在探究温度对酶活性影响的实验中，温度和pH是自变量
B．在模拟探究细胞大小与物质运输关系的实验中，正方体琼脂块的体积是无关变量
C．在探究植物生长调节剂对扦插枝条生根作用的实验中，插条生根数是因变量
D．在探究酵母菌呼吸方式的实验中，酒精是无关变量
解析：
选C。
在探究温度对酶活性影响的实验中，温度是自变量，pH是无关变量，A错误；在模拟探究细胞大小与物质运输关系的实验中，正方体琼脂块的体积是自变量，B错误；在探究酵母菌呼吸方式的实验中，酒精是无氧呼吸的产物，是因变量，氧气的有无是自变量，D错误。
2．（2016·江苏苏北四市二模）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．探究唾液淀粉酶的最适pH的实验中，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。
验证光合作用能产生淀粉的实验中，将实验植物做饥饿处理，避免植物自身原有的有机物对实验结果产生影响属于控制无关变量的操作，A正确；探究唾液淀粉酶的最适pH的实验中，将每一组温度都控制在37℃，是控制无关变量温度对实验的影响，B正确；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，这是设置自变量，不是控制无关变量，C错误；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，淀粉的量也影响实验的结果，需要控制，D正确。
实验设计原则实例分析
3．下列实验中，有关实验组和对照组的设置，正确的是（ ）
选项
实验名称
实验组
对照组
A
探究过氧化氢酶作用的最适pH
氢氧化钠溶液或盐酸＋过氧化氢溶液＋过氧化氢酶
蒸馏水＋过氧化氢溶液＋过氧化氢酶
B
验证过氧化氢酶具有催化作用
过氧化氢溶液＋肝脏研磨液
过氧化氢溶液＋FeCl3溶液
C
验证酶的专一性
新鲜蔗糖溶液＋新鲜蔗糖酶液
新鲜淀粉溶液＋新鲜淀粉酶液
D
验证某种酶是蛋白质
待测酶溶液＋双缩脲试剂
标准蛋白质溶液＋双缩脲试剂
解析：
选D。
探究过氧化氢酶作用的最适pH应设置成相互对照实验，无特定的对照组，多个实验组的pH不同，表中A项对应的设置是验证pH对酶活性影响，A项错误。
验证酶具有催化作用，对照组应设置为用等量蒸馏水＋过氧化氢溶
液。
B项对应的设置是验证酶具有高效性，B项错误。
验证酶的专一性应设置为：
实验组为反应物＋相应酶液，对照组为另一反应物＋同一酶液或同一反应物＋另一种酶液，C项错误。
验证某种酶是蛋白质的实验中，对照组设置成标准蛋白质溶液＋双缩脲试剂是为了排除无关变量的干扰，D项正确。
4．某校生物兴趣小组将体重、大小和年龄均相同的成年小鼠分成甲、乙、丙三组，分别进行如表所示的连续实验，下列有关该实验的叙述中，错误的是（ ）
组别
第一步操作
第一步现象
第二步操作
第二步现象
甲组
腹腔注射适量适宜浓度的胰岛素溶液
小鼠活动减弱直至昏睡
腹腔注射适量适宜浓度的胰高血糖素溶液
小鼠逐渐苏醒、活动恢复正常
乙组
腹腔注射适量适宜浓度的胰高血糖素溶液
检测小鼠尿糖呈阳性
腹腔注射适量适宜浓度的胰岛素溶液
检测小鼠尿糖逐渐呈阴性
丙组
腹腔注射适量的生理盐水
小鼠活动正常、尿糖检测呈阴性
腹腔注射适量的生理盐水
小鼠活动正常、尿糖检测呈阴性
A.该实验可验证胰岛素和胰高血糖素的功能以及它们在调节血糖过程中的拮抗作用
B．该实验的对照有同组内的自身对照，甲、乙间的相互对照，设计丙组作空白对照无必要
C．该实验所用的胰岛素溶液和胰高血糖素溶液应用生理盐水与相应激素配制而成
D．该实验同一步所用的三种溶液量必须相等，同一组前后两步所用溶液量可以不等
解析：
选B。
该实验通过甲组和乙组的自身对照，可验证胰岛素和胰高血糖素的功能以及它们在调节血糖过程中的拮抗作用。
实验要严格遵循对照原则和单一变量原则，因此该实验同一步所用的三种溶液量必须相等，但是同一组前后两步所用溶液量可以不等。
该实验有组内的自身对照（第一步与第二步对照），也有甲、乙两组的相互对照，但是丙组的空白对照也很有必要，因为只有与空白对照相比较才能够看出实验组的情况是否异常。
考点二 探究性实验与验证性实验[学生用书P268]
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
（1）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。
（2）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”。
（3）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”。
为研究雄性家兔体内睾酮（ST，一种雄性激素）与生长激素（GH）含量的关系，某研究小组进行了以下实验（手术过程不影响结果），请补充完成方案并回答问题：
研究课题：
雄性家兔体内ST含量对GH含量的影响。
（1）实验假设：
________________________________________________________________________。
（2）实验步骤
①将1月龄体重相同的健康雄性家兔分为甲、乙两组，每组6只。
测定和记录每只家兔血液中ST和GH的浓度。
②甲组兔切除性腺，乙组兔____________。
③在相同且适宜的条件下饲养1个月，测定和记录________________________________________________________________________。
（3）预测结果
测定时间
ST浓度（μg/mL）
GH浓度（μg/mL）
甲组
乙组
甲组
乙组
前测
m1
m1
n1
n1
后测
小于m2
m2
大于n2
n2
注：
m1、m2、n1、n2均为某测定值。
（4）分析与讨论
①要使实验更严谨，在上述步骤之后，还应给甲组家兔注射________，乙组家兔注射________，然后测定和记录每只家兔血液中的GH浓度，并求各组的________。
②与后测比，进一步实验处理后甲组GH浓度________，乙组GH浓度不变。
③根据预测结果，请举出能促进雄性幼年家兔体重增加的一种处理方法：
________。
[解析]
（1）根据生活经验，雄性激素（ST）能够抑制生长激素（GH）的分泌，故作出假设：
雄性家兔体内ST含量对GH含量起抑制作用。
（2）②自变量为ST含量，可通过是否切除性腺来控制，故实验组（甲组）兔切除性腺，对照组（乙组）兔不切除性腺。
③实验的因变量为家兔血液中GH的浓度，故在相同且适宜的条件下饲养1个月，通过测定和记录每只家兔血液中ST和GH的浓度，来反映雄性家兔体内ST含量对GH含量的影响。
（4）①通过对预测结果分析，雄性家兔体内ST含量对GH含量起抑制作用，为进一步证明ST含量确实对GH含量起抑制作用，在上述步骤之后，还应给甲组家兔注射一定量的ST，乙组家兔注射等量生理盐水。
测定和记录每只家兔血液中的GH浓度，并求各组的平均值。
②与后测比，进一步实验处理后甲组由于血液中ST含量恢复正常，对GH含量起抑制作用，故甲组GH浓度下降，而乙组GH浓度不变。
③根据预测结果，可以对雄性幼年家兔进行切除性腺（阉割），促使其生长激素含量增加，体重增加。
[答案]
（1）ST含量的增加能使GH含量下降
（2）②不切除性腺（不作处理） ③每只家兔血液中ST和GH的浓度 （4）①适量ST溶液 等量生理盐水 平均值
②下降 ③切除性腺（阉割）
评价、修订类实验题的解题策略
此类试题要求考生对相应实验的实验原理、目的要求、材料用具、方法步骤、实验现象、结果或结论等内容非常熟悉，能找出实验中错误的地方并给予纠正，常以生物学中一些经典实验或教材实验为基础而设计，要求考生有扎实的基础知识和基本技能，突出了对“双基”的考查。
解此类题的一般步骤：
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，包括
（1）漏做某个实验步骤或颠倒某两个实验步骤的顺序；
（2）操作方法错误；（3）有没有设置对照实验，如果有，看对照实验设计是否合理；（4）实验是否遵循单一变量原则；（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常。
考查实验步骤设计
1．用某种降血糖物质X做以下实验（注：
用生理盐水配制X溶液）。
回答下列问题：
（1）某同学要验证X的降血糖作用，进行如下实验：
选择一批体重相同的正常小鼠，测定________，并将小鼠随机等量分成实验组和对照组，实验组注射适量的________，对照组注射等量的________，一段时间后测定两组小鼠的________，若________________________________________________________________________
____________________，则表明X有降血糖作用。
（2）若要验证一定量的X能使患糖尿病小鼠的血糖浓度下降到正常范围，进行如下实验：
用________________小鼠作为实验组，用患糖尿病小鼠作为对照组1，用________小鼠作为对照组2；实验组注射________________，对照组1、2注射等量的生理盐水，一定时间后若实验组和对照组____的血糖浓度均在正常范围内，而对照组____的血糖浓度高于正常范围，则表明一定量的X能使患糖尿病小鼠的血糖浓度下降到正常范围。
解析：
（1）实验过程中可以变化的因素称为变量，其中人为改变的变量称为自变量，本题中实验鼠是否注射X溶液为自变量；随自变量的变化而变化的变量称为因变量，本实验中血糖浓度的变化是因变量。
除了一个因素以外，其他因素都保持不变的实验叫做对照实验。
本实验过程中设置了对照实验，即注射X溶液与生理盐水形成对照，并且在实验前后均要测定小鼠的血糖浓度。
本实验为验证性实验，故预测实验结果是对照组血糖浓度不变，实验组血糖浓度下降。
（2）要验证一定量的X能使患糖尿病小鼠的血糖浓度下降到正常范围，除需要用患糖尿病小鼠作空白对照外，还需要增设正常鼠作恢复到正常范围的对照，预测结果是实验组和增设的正常鼠的血糖浓度在正常范围内，对照组1患糖尿病小鼠的血糖浓度高于正常范围。
答案：
（1）血糖浓度 X溶液 生理盐水 血糖浓度 对照组血糖浓度不变，实验组血糖浓度下降
（2）患糖尿病 正常 一定量的X溶液（或X溶液） 2 1
考查实验设计是否完善
2．某兴趣小组为验证2，4D对插条生根的促进作用，进行了如下实验。
A．剪取同一杨树植株上长势与长度相同、部位相近且有3个芽的健壮枝条20根，随机均分为甲、乙两组；
B．甲组每根插条上都保留3个芽，乙组插条上的芽全部去除；
C．将甲组插条的下端插入适量蒸馏水中，乙组插条的下端插入等量适宜浓度的2，4D溶液中。
两组均置于相同且适宜的环境中培养；
D．每天观察、记录插条上芽的数目。
请对上述实验进行分析：
（1）每组选取多根插条的目的是________________________________________________________________________。
（2）请指出该实验设计的两项不合理之处。
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________。
（3）实验设计改正后，甲组起________作用。
解析：
首先明确实验性质是验证性实验；其次分析变量，自变量是2，4D的有无，因变量是插条生根的情况，无关变量有枝条的长势、长度、环境温度、溶液体积等。
（1）若每组只有一根插条，则受偶然因素的影响较大，若选多根插条则可以排除偶然因素对实验结果的影响。
（2）甲、乙两组插条上芽的数量不等，违背了实验设计的等量原则和单一变量原则；据题意本实验的实验目的是验证2，4D对插条生根的促进作用，因此应观察生根的情况，而不能观察芽的数目，观察指标不对。
（3）该实验设计改正后甲组是对照组，乙组是实验组。
答案：
（1）减少实验误差（排除偶然因素对该实验结果的影响或排除无关变量的影响）
（2）①甲、乙两组插条上芽的数量不等（或没有控制好变量）
②观察、记录插条上芽的数量不对（或观察记录的指标不对）
（3）对照
实验结果实例分析
3．（2016·宁波二模）研究人员探究蔗糖（Suc）、一定浓度的吲哚乙酸（IAA）对某植物幼茎细胞伸长的影响，与空白对照组相比，得到如图所示的实验结果。
据此可判断（ ）
A．Suc抑制幼茎细胞伸长
B．Suc和IAA还能促进根细胞的伸长
C．IAA是影响幼茎细胞伸长的主要因素之一
D．高浓度的IAA对细胞伸长具有抑制作用
解析：
选C。
据图可知用蔗糖处理后幼茎长度增加，所以蔗糖具有促进幼茎细胞伸长的作用；无法根据实验结果判断蔗糖和生长素对根细胞的作用；据图可知生长素促进细胞伸长的作用比蔗糖的促进作用强，所以可推出生长素是影响幼茎细胞伸长的主要因素之一；高浓度的生长素对细胞伸长具有抑制作用，但在本实验中没有体现。
4．（2016·南昌九校联考）为探究物质X增强学习记忆能力的分子机制，将初断乳大鼠随机分成4组，饲养8周后，测定大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性，实验结果如图所示。
下列叙述正确的是（ ）
A．乙组中，乙酰胆碱酯酶活性大于一氧化氮合酶活性
B．棕榈油能提高大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性
C．小剂量X能明显提高大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性
D．大剂量X能降低大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶与一氧化氮合酶的活性
解析：
选C。
曲线图和柱形图对应的纵坐标数值不同，乙组中乙酰胆碱酯酶活性小于一氧化氮合酶活性，A错误；乙组中一氧化氮合酶的活性小于甲组，说明棕榈油能降低大鼠脑组织中一氧化氮合酶的活性，B错误；比较图中的甲组、丙组和丁组可以看出，小剂量X和大剂量X都能提高大鼠脑组织中乙酰胆碱酯酶和一氧化氮合酶的活性，C正确、D错误。
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 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3 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。
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