专题二 实验设计与分析专题.docx
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专题二实验设计与分析专题
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专题二实验设计与分析专题
【学法导航】
实验设计及探究历来是高考的重点和热点。
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，而且它在高考中占有相当大的比重。
从近几年高考实验题题型变化来看，借助实验方法创设新情境，越来越侧重于考查学生的实验思维能力，主要考查学生理解实验原理的情况、分析实验结果的能力和灵活运用实验知识的能力，考察不同情境下迁移知识的能力。
复习建议如下：
1.从典型例题入手，分析实验中的要素和基本原则，结合平时做题中常见的错例，及常见的实验操作中的中的易错点，改正错误思路，力争突破。
2.要能从所学的实验中提炼、归纳可以应用到生活的知识，如建立模型进行研究的方法等，并能迁移到新的情境中，运用其解决问题。
从而逐渐提高自己的综合分析能力，归纳总结能力等方面的能力。
【专题要点】
1.实验设计题型分类——实验题按能力要求可划分为四大题型：
（1）实验分析题型——根据提供的实验方案，分析其中的步骤、现象、结果，作出解答；
（2）实验方案的纠错或完善题型——对实验方案中的错误或不完善处，进行改正、补充，使实验方案趋于完善；
（3）实验设计题型（验证性实验；探究性实验）——根据题目提供的条件，自行设计实验方案；
（4）实验有关的综合类题型——以实验为背景，主要涉及代谢、遗传和生态相关知识。
2.“假设”“预期”“结果”与“结论”的区别
（1）假设：
“假设”也称假说或猜测，是指用来说明某种现象但未经证实的论题，也是对所提出的问题作出的参考答案，即依据发现的事实材料或科学原理，通过创造性思维，提出初步假定。
如“孟德尔分离现象解释验证”的测交实验中，提出的假说是：
“FI（Dd）产生配子时，因等位基因分离，使得FI产生含基因D和基因d的两种配子，且其数目相等。
”再如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验中，提出的假说应为：
当细胞外溶液浓度＞细胞液浓度→细胞失水
当细胞外溶液浓度＜细胞液浓度→细胞吸水
（2）预期：
“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，对实验可能出现的结果的判断，是依据提出的假说进行推理，得出假定性结果或推论，即“假如假设成立，则应有何种结果”，如“孟德尔分离现象验证实验，假如假说成立则有测交的后代应出现Dd与dd为1：
1的结果，即高茎与矮茎数量比应为1：
1”，而“观察植物细胞质壁分离与复原实验”中，假若假设成立，则应有处于高浓度（30％）蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞因不断失水→质壁分离，而处于清水中的已分离细胞因细胞吸水→质壁分离复原
（3）结果：
结果应为实验实际出现的情况，如“孟德尔分离现象解释实验”中出现的结果为“得到的64株后代中，30株高茎，34株矮茎，两种性状分离比为1：
1”而“质壁分离复原实验”中处于30％蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞果真发生了质壁分离，而处于清水中的已分离细胞果真发生了复原现象。
（4）结论：
结论的得出须依据实验结果，即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”。
由此可知，“假设”应对应“结论”，“预期”应对应“结果”，在实验讨论时应注意描述的科学性即“如果出现何种结果，则应有何种结论”，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”。
3.实验设计遵循的原则——科学性原则、单因子变量原则和等量原则、对照组原则、平行重复性原则
（1）科学性原则是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和手段的选择要恰当，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的基本原则。
（2）单因子变量原则和等量原则
单因子变量原则是指控制其他因素不变，只改变其中某一因素，观察其对实验结果的影响，不论一个实验有几个实验变量,都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量，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。
等量原则则指实验组与对照组所加试剂应该是等量的。
（3）对照组原则通过对照可消除无关因子对结果的影响，增加实验的可信度。
在实验过程中要设立实验组和对照组。
实验组：
是接受实验变量处理的对象组。
对照组：
亦称控制组,对实验假设而言,是不接受实验变量处理的对象组。
至于哪个作为实验组,哪个作为对照组,一般是随机决定的。
这样,从理论上说,由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的、被平衡了的,故实验组与对照组两者之差异,则可认定为是来自实验变量的效果,这样的实验结果是可信的。
按对照的内容和形式上的不同,通常有以下对照类型:
①空白对照指不做任何实验处理的对象组。
例如在“生物组织中可溶性糖的鉴定”的实验中,假如用两个试管，向甲试管溶液加入试剂,而乙试管溶液不加试剂,一起进行沸水浴,比较它们的变化。
这样,甲为实验组,乙为对照组,且乙为典型的空白对照。
空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果,增加了说服力。
②自身对照指实验与对照在同一对象上进行,即不另设对照。
如“植物细胞质壁分离和复原”实验,则是典型的自身对照。
自身对照,方法简便,关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异,实验处理前的对象状况为对照组,实验处理后的对象变化则为实验组。
③条件对照指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理作为对照意义的,或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的，或不是所要研究的处理因素。
例如,“动物激素饲喂小动物”实验,其实验设计方案是:
甲组:
饲喂甲状腺激素（实验组）;乙组:
饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）;丙组:
不饲喂药剂（空白对照组）。
显然,乙组为条件对照。
该实验既设置了条件对照,又设置了空白对照,通过比较、对照,更能充分说明实验变量---甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。
④相互对照指不另设对照组,而是几个实验组相互对比对照。
如“植物激素与向光性向重力性实验”和“温度对唾液淀粉酶活性的影响的实验”中,所采用的都是相互对照,较好地平衡和抵消了无关变量的影响,使实验结果具有说服力。
（4）平行可重复性原则 是指所设计的实验在相同条件下可以重复多次进行。
任何实验都必须有足够的实验次数，才能得出正确可靠的结论，设计的所以不能只能进行一次，在无法重复的情况下，把只那进行一次的实验结果作为正式结论是不符合原则的。
4.验证性实验的基本内容
（1）实验题目
（2）实验原理即完成实验所用的理论依据
（3）目的要求通过实验要解决的问题
（4）材料用具
（5）方法步骤为加强说服力，有时往往对实验要设立“实验组”和“对照组”。
设计对照实验时切记：
只有遵循“单一变量”原则，这样才有对照价值。
补充实验步骤时，对每一步有必要先打腹稿然后下笔，并要编号清楚（如
（1）……
（2）……，表达清晰。
（6）实验结果（预测实验现象）
验证性实验由于有明确的实验目的，预测的结果是科学的、合理的、惟一的。
有实验（题目）中需要记录实验结果，这就要搞清楚记录什么？
如何记录？
①用文字描述：
②表格的设计：
Ⅰ.首先要读懂题目要求在表格“工作区”记录的内容。
（题目中有明确的要求）
Ⅱ.其次要明确表格的第一列写什么？
第一行写什么？
注意在第一列或第一行中肯定要写组别，即实验组和对照组（相互对照中组数可能更多）。
Ⅲ.再绘制表格（切记：
表格“工作区”是预留给所设计的实验中记录到的数据，而不是要学生造出数据来填入其中。
因此只要设计完成一张空白表格即可。
设计表格时，要先在草稿纸上画出表格轮廓，再写入答题纸中。
）
Ⅳ.表格设计好后，切勿忘记给表格添上题注（即表格名称）。
③坐标图的设计：
要理清横轴的含义？
纵轴的含义？
纵横轴的单位？
曲线的走势？
关键点？
④分析实验结果：
用书本理论分析实验结果。
（7）实验结论联系实验目的得出结论。
结论是合理的、科学的、肯定的。
不少结论是在实验要验证的内容中寻找。
注意：
①验证性实验中，实验目的、实验（或预测）结果和实验结论三者是一致的。
结果是指通过实验所观察到的实验现象或通过实验直接得到的“成果”。
②验证性实验中，由于要验证的结论是肯定的，因此无实验假设。
③在验证实验中，如果实验记录作为题目条件已出现，那么就可得到肯定的实验结论。
5.探究性实验的基本内容
（1）实验课题如试题需要学生写出实验课题，那对课题的文字描述大多渗透在题干的字里行间，仔细阅读便可领会。
实验课题的格式有：
“×××××××××××研究”、“×××××××××××实验”、“××××××××××的影响”
（2）实验原理完成实验所应用到的理论依据。
有的是书本学到的理论知识，有的在题目中作为条件出现。
（3）实验目的大多是写做了该实验后要解决的问题。
（4）材料用具包括实验材料、仪器、试剂等，有时省略。
大多数试题是作为条件提供给学生。
（5）实验假设指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出问题所作出的参考答案。
如果要学生写出来，请参阅实验课题的名称，但要比实验课题的名称在文字上写得更具体一些。
（6）实验步骤的设计（即实验设计方案或曰实验设计思路）主要包括：
①实验设计思想
②器材药品
③实验步骤（要体现单一变量对照原则）。
故要设立“实验组”和“对照组”。
设对照组时，只需明确写出单一变量内容，其余条件（无关变量，如培养条件等）用“其他……条件与（甲）对照组相同”即可。
④观察记录（图表、曲线等。
表格的设计要求同验证性实验）
（7）实验预测及分析探究性实验是对本不知道，现在需要知道的实验现象或结果进行探究。
即使我们能用掌握的理论知识作出科学的、唯一的预测，但由于我们是作理论上的实验设计，因此实验预测应该是开放性的，即要写出所有可能出现的实验现象或结果。
探究性实验不象验证性实验能得出一个肯定的结论，往往有几种预测结果，相应的就有几种可能的结论。
实验设计题的内容虽然较多，但在实际考试中由于种种原因，如试题考查内容、试卷长度等，内容往往是不完整的，主要选取其中部分内容对学生进行考查。
6.验证性实验和探究性实验有关内容的比较
目的
步骤
假设
预测
结果
结论
验证性实验
验证……
相同
无
结果惟一
解题前已知
有惟一肯定的结论
探究性实验
探究……
有
结果多种
解题前后都未知
几种预测就有几种结论
7.实验设计题的应试技巧
（1）明确实验目的弄清该题要验证或探究的是什么样的生物学事实。
一般在题干中有“验证……”、“证明……”、“探究……”，其后内容就是实验的目的。
[例题]为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。
（1）材料和用具：
日龄相同体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。
（实验提示：
给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定。
）
（2）方法与步骤：
_____________________________________________。
（3）结果预测与分析：
________________________________________。
[解析]（接上例）此实验目的就是题干中“为了验证甲状腺激素的生理作用”这句“验证”后面的内容，即“验证甲状腺激素的生理作用”。
（2）分析实验原理就是完成该实验的理论依据是什么？
这就需要分析实验中所涉及的生物学及相关学科中的知识、方法，以及所依据的科学科学原理。
另外提供的实验仪器的使用方法和原理也是应考虑在内。
此过程要求学生利用储备知识独立分析、运用。
[解析]接上例：
实验原理是甲状腺激素的生理作用，即加速物质的氧化分解，耗氧量增加，提高神经系统的兴奋性，使活动量增加。
（3）独立设计实验根据题目给出的材料、用具（一般情况下要用全所给的材料用具），实验设计应从三个方面入手，即实验设计“三步曲”：
①编组标号。
研究对象、器皿等要编组标号，设立实验组和对照组；
②实验处理。
实验处理要遵循“单一变量，对照原则”。
单一变量，就是对实验结果有关键影响的单一因素；对照原则，就是要有正反两个方面的实验。
即在实验中设置对照组，与实验组进行比较，以显示实验的效果，增强实验结果的可信度和说服力。
在对实验组和对照组进行处理的时候，要注意下图所示的程序：
③培养（或饲养）、观察、记录等。
观察记录实验现象和实验数据，最后根据实验原理对实验结果进行预测与分析。
[解析]接上例：
方法步骤：
1）将两组大白鼠分别标号为甲组和乙组，并分别用给出仪器测定与记录耗氧量和活动量。
——编组标号
2）每日用灌胃器给与甲组鼠灌喂甲状腺激素溶液，给与乙组灌胃等量的蒸馏水，饲养一段时间。
——实验处理，设立实验组（甲组）和对照组（乙），操纵实验变量“甲状腺激素和蒸馏水”。
3）定期测量与记录甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量。
——培养（或饲养）、观察、记录
（4）实验结果分析要弄清题目的目的是“验证型的”还是“探究型的”。
如果是“验证型的”实验，则要根据所学知识和原理，分析得出应有的实验结果和推出相应的结论，（此时一般只有一个结果和相应的结论，且结论与实验目的相对应）。
若是“探究型的”实验，则要根据原理、目的，预测出可能的结果和推出相应的结论（此时一般有几个不同结果及相应的结论）。
①实验预测
1）验证性实验如“验证……”、“证明……”都可预测到与实验目的一致的结果。
2）探究性（预测结果“三步曲”）实验如“探究……”预测的实验结果不惟一，大多有三种可能：
“变量促进结果；变量抑制结果；变量与结果无关”，或“全肯定；全否定；一肯定一否定”等。
[解析]接上例：
实验目的中有“验证……”，因为是验证性实验，所以实验结果可预测为：
未给甲状腺激素时，甲、乙两组鼠的耗氧和活动量相近。
给甲组鼠甲状腺激素后，其耗氧和活动量均大于乙组。
②很多实验是化学反应类型，肉眼观察不到，应该考虑加入指示剂，借助颜色变化或仪器辅助观察。
实验结果可采用文字描述、表格、坐标曲线等方式描述。
[解析]接上例：
甲状腺激素促进物质氧化分解的化学反应无法观察，但可以以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标。
（5）实验结论通过现象、结果的分析，概括出规律性的问题，结论一般就是实验的目的。
[解析]接上例：
此实验的目的是：
验证甲状腺激素的生理作用；结论是甲状腺激素能促进新陈代谢，加速体内物质的氧化分解，提高神经系统的兴奋性，从而使耗氧量和活动量加大。
（6）实验步骤设计
下面总结一条书写模式，能够使书写条理，思路清晰。
①选材：
选材应保持条件相同（如上例中：
日龄相同、体重相近的雄性成年大白鼠）
②分组：
体现操纵实验变量。
从实验目的中分析出实验变量是什么，如“验证甲状腺激素的生理作用”即变量为甲状腺激素，实验组有甲状腺激素，对照组无甲状腺激素。
（每日用灌胃器给与甲组鼠灌喂甲状腺激素溶液，给与乙组鼠灌喂等量的蒸馏水）
③培养、观察：
除实验变量外，对实验组和对照组的培养、饲养等条件应要相同，即控制无关变量。
④统计分析结果：
（定期测量与记录甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量）
⑤得出结论：
这一规范并非一成不变，在运用时掌握基本原则，灵活处理，才能以不变应万变。
8.实验题型分析
判断实验设计过程正确与否
【例1】证明“唾液淀粉酶对淀粉有消化作用”，某同学制订了下列实验方案：
（1）实验目的（略）
（2）实验材料和用具（略）（3）实验方法和步骤
取1支试管，注入2ml浆糊。
用凉开水漱口后，用小烧杯收集唾液。
向试管内加入2ml唾液。
往试管中滴加2滴碘液。
将试管振荡后放十分钟。
取出试管，观察溶液颜色的变化。
（2）结论：
唾液中含有淀粉酶能将淀粉分解成麦芽糖。
该实验方法和步骤及结论有没有错误？
如有，请指出并改正。
【解题思路】获取信息-发现谬误-改正完善
补充实验步骤，分析实验结果
【例2】黄瓜花是单性花，雄花和雌花容易分辨。
现在生物园里有几株黄瓜正在开花，为你提供必要的器具和药品，请你完成下面的实验方案，证明：
黄瓜子房发育成果实需要种子提供的生长素。
器具药品：
透明纸袋、回形针、小纸牌、剪刀、镊子、毛笔、烧杯、适宜浓度的生长素溶液。
步骤一：
选择一批发育正常，即将开放的黄瓜雌花，为每朵花套上透明纸袋，用回形针将纸袋固定好，然后，将这些雌花分为3组，分别挂上1、2、3的小纸牌。
步骤二：
结果预测：
第一组雌花________；第二组雌花__________；第三组雌花________。
【解题思路】获取信息-分析加工-依题作答
实验过程细节分析
【例3】右图实验装置用于研究温度对凝乳酶催化乳汁凝固的影响，先将酶和乳汁放入2个试管，然后将2个试管放入同一水浴（温度用T℃表示）环境中持续15min，再将酶和乳汁倒入同一试管中混合，保温并记录凝乳所需的时间。
装置
水浴温度（℃）
凝乳时间（min）
A
10
∞不凝固
B
20
7.0
C
30
4.0
D
40
1.5
E
50
4.0
F
60
∞不凝固
通过实验记录在不同的温度下凝乳所需的时间，结果如右表：
（1）为什么酶和乳汁混合之前在同一水浴环境中保温15min，实验结果更准确？
（2）若将酶和乳汁直接放入同一试管内混合并保温对实验结果有何影响？
（3）比较并解释装置B和D的结果。
（4）解释以下两种处理时实验结果有无什么变化。
①将装置A内混合物加温至40℃______________。
②将装置F内混合物冷却至40℃______________。
（5）除了温度，再指出一种能影响酶活性的因素。
______________。
【解题思路】获取信息---分析加工---依题作答
完整设计实验（要求学生掌握实验设计的基本过程，全面考查）
【例4】现有一种植物种子，已知它的萌发受水分、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，请依据所给材料用具设计实验的方法步骤，预测可能的实验结果，并分别得出相应的结论。
材料用具：
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___________________________________________________________________；
实验结果及相应的结论：
①___________________________________________________________________；
②___________________________________________________________________；
③___________________________________________________________________；
9.高考真题再现
【例5】分析有关科学探究的资料，回答问题。
【实验一】
研究背景：
某植物的种子自植株开花后60天开始逐渐成熟，至开花后81天完全成熟。
研究目的：
研究该植物不同成熟度种子自然干燥不同天数后的发芽率差异。
材料准备：
（1）根据研究目的和研究背景，为测种子发芽率而准备实验材料的合理方案是__________
________________________________________________________________。
实验过程：
（2）按照方案准备好种子后，将种子合理分组并发芽。
下列不属于实验时需控制的因素是______。
A．每组种子的数量B．发芽的温度和湿度C．发芽时的光照D．芽的长度
数据采集及处理：
（3）将实验数据绘制成下图，则该直角坐标系的横坐标名称是__________，纵坐标名称是_________。
【实验二】
研究背景：
该植物种子春播萌发后，对缺水环境很敏感，遇干旱后表现为胚根萎缩甚至脱落，发芽停止。
研究目的：
对发芽不同天数的种子，干旱处理后再补水，通过比较干旱前后胚根的生长能力，研究发芽不同天数种子的耐旱能力，以便于指导农业灌溉。
实验材料：
根据实验一的结果，选取最佳发芽率的种子。
实验过程：
（4）此实验宜将种子固定在直立玻璃板上发芽，而不是用培养皿发芽的主要原因是____________________________________________________________。
（5）下列①~④为实验步骤：
①将种子固定在直立玻璃板上②干燥脱水4天（模拟春播干旱）
③种子发芽不同天数④测量发芽不同天数的胚根长度等
使用实验步骤①~④（步骤可重复使用），针对研究目的，用实验步骤的编号写出合理的实验流程：
_________________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
【例6】为了探究植物矿质吸收是否与水分吸收同步（即植物根系是否等比例吸收矿质和水分），特设计如下实验（右图）：
通过光照控制大麦叶片的蒸腾作用（水分蒸发忽略不计），然后测定大麦根系所处溶液中矿质元素含量的变化。
【探究假设】植物根系等比例吸收矿质和水分。
【实验设计】依据上述研究目的设计的实验记录表如下表。
（1）上表中，如果实验条件X1代表光照，检测变量Y2代表大麦培养液中的Ca2+浓度，那么X2应为_______，而作为Y1的大麦根系水分吸收（或蒸腾量）可借助于__________测得。
（2）上表中的实验数据应按_________方式处理方可初步证实探究假设的成立与否。
A．比较Z1：
Z3和Z2：
z4两个比值B．比较Z1+Z2和Z3+Z4两个加和
C．比较Z1-Z3和Z2-Z4两个差值D．比较Z1×Z2和Z3×Z4两个乘积
（3）为了进一步调查上述假设的普遍适用性，上表中的Y3至Yn应为_________。
（4）实验条件X1的光照既有光能因素又有热能因素，为区分两者，增设一实验条件x3___。
A．将Ⅱ号杯置于晨光或夕照之下B．在Ⅱ号杯中加装散热搅拌装置
C．在光源与Ⅱ号杯之间加装滤色玻片D．将Ⅱ号杯置于不同温度的恒温水浴中
（5）在本探究中，检测变量Y2的初始浓度（大麦插入前）不宜过高，否则____________。
【探究结论】植物根系以不等比例的方式吸收矿质和水分。
【例7】为研究柳条鱼对水生昆虫捕食的选择性，进行如下探究：
假设：
柳条鱼对实验所选用幼虫无偏好，但对水体表层活动的幼虫具有优先选择性。
实验步骤：
1.选择在水体表层活动的甲幼虫和乙幼虫，以及在水底部生活的丙幼虫和丁幼虫为代表，作为柳条鱼捕食对象；
2.在每个水缸1－3中柳条鱼在水表层对幼虫的捕食量，以及水缸4－6中柳条鱼在水底部对幼虫的捕食量。
3.分别记录水缸1－3中柳条鱼在水表层对幼虫的捕食
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