高中生物实验设计宝典.docx

1、高中生物实验设计宝典高中生物实验设计宝典高中生物实验设计宝典一、专题内容范围1.必修及选修教材实验；实习；研究性课题。2.实验设计基本理论及题型题例剖析。二、考试大纲考查要求和命题角度（一）考查要求2006年考试大纲对实验提出了以下要求： 1.独立完成实验的能力：包括理解实验原理、实验目的及要求，了解材料、用具，掌握实验方法步骤，会控制实验条件和使用实验仪器，会处理实验安全问题，会观察、分析和解释实验中产生的现象、数据，并得出合理的实验结论。2.能根据要求灵活运用所学的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题，对实验能力的考查提出了具体要求。 3.对实验考查要求主要

2、有两方面变化：一是关于能力要求“分析综合能力”中增加了定量描述自然科学的现象和规律，用简单的图表和数据描述生命活动的特征等方面；这一要求体现在生物命题上可能是绘制坐标曲线图、设计图表归纳等方式，不可能是生物形态图，如果是形态图，不可能进行定量描述；二是考试范围与去年不同，去年分五块体现的，今年则是分必修、选修及实验、实习与研究性课题三块体现的，从这一变化我们可以看出，今后高考将特别重视实验、实习与研究性课题的考查。（二）命题角度 综观多年高考实验题目，命题角度主要有如下几个方面的特点： 1.以实验，尤其是经典实验、新技术的各项实验为背景，重点考查学生的基础知识、基本理论及运用已有知识在新情境下

3、解决有关问题的能力。如2002年全国理综试题中“验证镁是植物生活的必要条件”的错误实验分析和正确的实验设计。 2.以教材所列实验内容为命题材料，考查学生对实验技术的掌握，对实验原理、实验程序等内容的分析、归纳和总结，重点考查学生的具体实验水平、实验洞察与分析推导能力，运用恰当的语言对实验结果作出科学描述和解释的能力。 3.以给出材料为基础，根据现有条件，设计实验程序、预测实验结果，并对实验结果进行合理的分析和解释，以考查考生使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并对结果进行解释和分析的能力等。如2001年全国理综合测试中“设计实验证明生长素在植物体只能从形态学上端向下端运输”，再如2003年理科

4、综合能力测试(新课程卷)中“验证脊神经背根、腹根的传导功能”等，该类试题能较好地反映考生的综合素质(如自学能力、收集处理信息的能力、语言表达能力、知识迁移能力与创新能力、实验研究的方法和能力、逻辑思维的条理性与严密性等)，已成为当前命题的热点。4.今后的高考实验命题将有可能在以下两个方面有所突破：一是增加题目的开放性，主要是实验题目、材料、方法和步骤等部分环节的开放，而不是完全开放。二是给出相关的实验数据，让学生对实验结果进行处理，包括分析、描述、表达等，以体现考试大纲中“用简单的图表和数据描述生命活动的特征”能力要求。三、生物实验的理论和方法 生物学作为一门以实验为基础的自然科学，实验是获取

5、生物学知识的重要手段，是科学研究过程的重要环节，从孟德尔对遗传定律的研究中便不难发现实验的重要性，并且可从中了解科学研究的基本过程。（一）生物实验程序生物科学实验的一般程序为： 观察并提出问题提出假说设计并完成实验分析数据，得出结论。1.观察，提出问题在观察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，指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出的问题所做出的参考答案。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科学原理，通过创造性的思维，提出初步假定。 第二步，作出预测推断，依据提出的假说，进行推理得出假定性结论。 如：孟德尔“对分离现象解

6、释的验证的测交”实验的假说是：F1(Dd)产生配子时，产生含有基因D和含有基因d的两种配子，并且它们的数量相等。而预期是测交结果的后代中高茎与矮茎之比为1：1。3.设计完成实验 实验是完成假设和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物变化的一种方法。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、实验的目的在于获取验证性的结果。所以在实验中要记录实验的事实、现象、数据，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。如果所获取的结果与假设相符，则肯定假设；如果结果与假设不相符，

7、则否定假设；如果结果与假设无关，则无从判断，可另做假设。实验过程必须客观、真实。（二）生物实验的基本步骤一个完整的生物学实验包括以下基本步骤：1.确定课题，明确目的原理做什么实验；解决什么问题；依据什么原理。2.提出假设提出初步假定，并对可见现象提出一种可检测的解释，具体为： 例如，孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验假设是：“F1(Dd)产生配子时，产生含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”。3.作出实验预期在检测实验假设前，先提出实验预期结果(一个假定的结果)，若预期结果没有实现，说明假设不成立；若预期结果实现，则假设成立。4.设计实验根据实验目的和提出的假设，确定实验基本

8、思路，确定选材、装置及实验对照等，设计实验的具体方法步骤，并按设计的方案进行操作。5.观察、记录实验现象和收集数据客观如实地观察、记录实验现象，得出实验结果，并通过一定方式将实验结果呈现出来。6.分析作结对记录的数据(包括现象和结果)进行整理分析，归纳出一般概括性判断，并用文字、表格、绘图等形式作出简明的总结。7.推论根据实验事实进行推理得出结论。 8.交流写出实验报告。（三）生物实验的变量、原则 生物实验设计应该注意以下几个方面的问题：1.科学实验应先确定实验变量 在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，可分为两类：(1)实验变量与反应变量 实验变量，也称为自变量

9、，指实验中由实验者操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于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。例如在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温、适温和高温是实验变量，而由于低温、适温和高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即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，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。显然额外变量会

10、对反应变量起干扰作用。如：上述实验中除实验变量以外，试管的洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度、实验操作程序、温度处理的时间长短等，都属于无关变量。如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。(3)教材中相关实验的变量实验自变量因变量无关变量实验4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

11、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、反应时间等实验5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、操作程序等实验8植物向性运动的实验设计和观察是否黑暗、单侧光照、均匀光照)改变幼苗空间位置以接受重力影响幼苗弯曲状况根的弯曲方向幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理的部位、装置的合理性等萌发种子的种类及

12、萌发状况、环境温度、培养条件等实验9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。实验12观察SO2对植物的影响不同浓度的SO2植物体的生长状态的变化实验装置及器材的一致性、实验植物生长状况、SO2浓度的控制、培养的环境条件、实验操作程序、观察时间的长短等实验13（选修）、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

13、长度、操作程序、碘液的加入量等研究课题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)的不同浓度扦插枝条的生根状况的差异果实发育状况的差异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.实验设计的原则(1)科学性原则 所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原则。科学性原则具有两个方面的含义。首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。具体地说，科学性原则体现在以下几个方面：实验原理的科学性

14、 实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须经前人总结或经科学检验得出的科学理论。如2000年全国高考试题中第25题，要求学生通过实验验证“钙离子在血液凝固中的作用”。题中给出了两个实验原理：血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，若缺少它则血液不凝固；草酸钾溶液能与钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，因此具有抗凝血作用。这两条原理科学而且完整，学生可由此产生明确的设计思路。实验材料选择的科学性 根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原实验”选用紫色洋

15、葱作为实验材料都是经典的成功选材的范例。再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；因其含水量多，故能保证细胞质流动的流动速度快，实验现象明显；因其含叶绿体，故能使细胞质的流动速度和流动方向清晰可见；因其叶片薄，故便于制片且能在显微镜下观察。另外，黑藻在一年四季都可以培养，取材方便。有了这样的实验材料，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。实验方法的科学性 只有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果，如证明植物的光合作用过程中释放CO2的实验是这样设计的：通入的空气先经过NaOH溶液除去其中的CO2，再经过Ca（OH）2溶液检验CO2是

16、否完全除尽，最后才通入装有萌发的种子的密封容器中。只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素，证明瓶中的CO2确实来源于种子的呼吸作用。实验结果的科学性 这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。如下面这个实验：用含有各种必需矿质元素的溶液培养大麦，48小时后测定几种离子的浓度占该离子开始浓度的百分比，实验结果如下：实验条件水分消耗(mL)Ca2KMg2光照109013527179黑暗53410535113 上面的结果因为经过了记录和整理，所以使人一目了然。观看这个实验结果，首先要看出该实验中设计了哪些对照组，由上表

17、可知，表中出现三组对照：一组是有光与无光；一组是水分的吸收与矿质元素的吸收；还有一组是不同的矿质元素的吸收情况比较。所以我们分析实验结果时，也应从这三个方面人手，得出如下结论：一是植物对水分和矿质元素的吸收与光有关；二是植物对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程；三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。(2)平行重复原则 任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。下面的这道题就是根据平行重复原则设计的实验。在用质壁分离法测定细胞液浓度的实验中，把剪成小块的洋葱表皮分别放人下面各组溶液中，结果如

18、下表：培养皿蔗糖溶液浓度(mol/L)发生质壁分离细胞占观察细胞数目的百分比1O.2无2O.3无30.4154O.5405O.68060.7997O.8100 请回答： (1)该洋葱细胞液等渗浓度范围为 。 (2)在以上基础如何改进实验，将测定的洋葱表皮细胞的细胞液浓度范围精确到小数点后两位数。 A.需设置的蔗糖溶液浓度分别为 。 B. 。 C.观察。 D.结果与分析。 实验的第二步需要根据平行重复原则设计实验来得出结论。(3)单一变量原则 该原则可使实验中的复杂关系简单化，使结果更准确。其含义是： 不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个变量对应观测一个反应变量。 实验中要尽可能避免无关变量

19、及额外变量的干扰。例如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的淀粉和蔗糖是单一变量，而加入的淀粉酶的量、反应温度、pH则应控制成相同条件，否则这些因素的差异将作为无关变量，干扰实验结果及对实验结果的分析。 再如：某兴趣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，并设计如下实验： 花盆 阳光 温度 水 I 光照 20 充足 暗室 20 不充足在这一实验设计中，应该改正的错误是( ) A.两个花盆应该放在向阳的地方 B.两个花盆都应放在暗处 C.两个花盆的温度不应该一样高 D.两个花盆都应该浇给充足的水 这个实验要研究的是阳光对大豆发芽的影响，因此阳光应该为自变量。根据

20、单因子变量的原则，其他因素都应相同，两花盆该浇给同样充足的水，这样既保证了单一变量，又使大豆不会因为缺水而影响发芽。而如果两个花盆都浇水不足，两个花盆中的大豆就会因为缺水而使发芽不良，也会导致实验的失败。因此，在考虑单因子变量原则时，还应尽量使常量能够满足实验成功的条件。(4)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。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

21、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复原观察，这就是单组实验法。由于对象同一，无关变量的影响也就被平衡和抵消了。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。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，这样能有效的平衡和抵消无关变量的影响。自然，操

22、作起来要麻烦一些。例如，“植物向光性”实验，可随机取2株(组)生长状况并不相等的玉米幼苗，做如下实验处理：实验结果则是ad(“不透光”)和bc(“单侧光”)的比较，这就是轮组实验法。无论先用单侧光处理，还是先用不透光处理，两株长势不同的玉米均表现向光性，均由单侧光引起，可见这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量更有说服力。(5)对照原则 对照原则是中学实验中最常用的原则，如有关酶的高效性、专一性和影响酶活性的条件的实验，观察植物细胞质壁分离和复原实验都采用了对照。通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。 在一个对照实验中，可包括实验组和对照组。实验组是接受

23、自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量的处理的对象组，一般是随机决定的。常用的对照组类型有以下几种：空白对照对照组为不作任何处理的对象组。如“探索影响淀粉酶活性的条件”实验中，1号试管加1 mL蒸馏水，2号、3号试管分别加等量的NaOH、HCl溶液，1号试管即为典型的空白对照组；用小狗做活体材料设计实验，证明动物生长激素的分泌器官及作用时，用不做任何处理的小狗作对照，与切除了脑垂体的小狗进行比较。自身对照实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既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。条件对照给实验组某种处理，给对照

24、组另一条件的处理。如在验证唾液淀粉酶发挥作用的最适温度的实验中的O和80下的对照。再如在“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)相互对照指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。如验证温度对唾液淀粉酶活性影响的实验中60、O、37之间的对照；验证pH对唾液淀粉酶活性影响的实验中，不同pH溶液之间的对照。再如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，2与l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l对照，也可与2对照。 （四）生物实验设计的方

25、案内容 (1)实验课题（题目）：即实验研究的课题名称。 (2)实验目的；明确要解决什么问题，探索哪方面的生物学规律，预期要取得何种成果。 (3)实验原理：即实验依据和思路。 (4)实验内容：根据实验目的确定具体的研究内容。一般方法是把研究问题分解为许多小课题，分别进行研究，然后再将实验结果加以综合分析。 (5)实验材料：取材是实验成败的关键因素之一，一定要按科学的要求选好实验对象。 (6)实验方法：即采用哪些研究方法能获得明显的实验结果。应尽量地减少人为或偶然的实验误差。同时应注意：根据研究内容确定实验类型和方法。如野外生物种类考察，主要采用观察实验法；探明某一生命现象的性质和含量，用定性、定

26、量实验分析法。根据实验的类型明确具体的研究方法。如观察实验要明确是采用解剖观察还是野外观察，要明确观察的项目和标准。设置对照，适当增加重复，保证实验的准确性。进行田间实验时，应根据实验性质的不同，分为大区实验和小区实验。田间试验要作合理的田间规划，根据土地条件、作物种类、实验要求和工作方便，规划小区面积、重复次数和田间排列方式；另外，还要注意设置对照小区和保护行。设计实验方法应尽量采用先进的实验技术和仪器设备，确保研究结果的准确性。 (7)实验用具和药品：即实验采用哪些设备和仪器，使用哪些药品，从而实现有计划和有效地观测与分析。 (8)实验程度：即实验流程，也就是如何运用仪器设备作用于实验对象

27、的程序或步骤，对全部实验过程作出总体设计。 (9)日程安排：根据整体实验的要求，按日程分阶段实施实验方案。（五）生物实验的方法技术、试剂、器材1.常规实验方法 教材中的实验方法可大致归纳为以下10种：显微观察法。如观察植物细胞有丝分裂的实验，观察植物细胞的质壁分离与复原实验等。 观色法：如动物毛色和植物花色的遗传实验。同位素示踪法。如噬菌体侵染细菌的实验，用18O2和14CO2追踪光合作用中氧原子和碳原子转移途径的实验等。 等组实验法。如小麦淀粉酶催化淀粉的实验，发现生长素的燕麦胚芽鞘实验等。 加法创意。如用饲喂法研究甲状腺激素的实验，用注射法研究生长激素的实验，用移植法研究性激素的实验等。

28、减法创意。如用阉割法或摘除法研究性激素、甲状腺激素和生长激素的实验，雌蕊受粉后除去正在发育的种子的实验等。 杂交实验法。如孟德尔发现遗传定律的豌豆杂交、测交的实验，小麦的杂交实验等。 化学分析法。如番茄和水稻对钙和硅选择吸收的实验，叶绿体中色素的提取和分离实验等。 理论分析法。如大、小两种草履虫的竞争实验，植物根向地生长、茎背地生长的实验，植物向光性实验等。 模拟实验法。如渗透作用的实验装置，分离定律的模拟实验等。 上述内容基本上可以包括一般的实验方法，通过复习理解了这些实验方法将有利于认识、分析和设计新的实验。此外上述多数的实验方法有一个共同的特点，就是实验结论的得出，都是一个逻辑推理过程，

29、或者说都是一个透过现象看到本质的思维过程。因此复习中要充分体会和体验这个过程。可以说构建实验的方法体系，为分析、解决和设计新的实验，以及形成实验能力，奠定了良好的方法基础和思维基础。2.实验材料的常用处理方法和技术熟悉常用的实验方法和技术，理解每种方法和技术的适用情况并熟练掌握其操作技能，以便在设计实验时能进行迁移和利用。主要包括以下几个方面： 光学显微镜观察。适用于观察生物微观结构，如细胞结构，包括光镜下看到的各种细胞器。要求学生熟练掌握显微镜的使用技术。 制作临时装片、切片和涂片。适用于显微观察，凡需在显微镜下观察的生物材料，必须先制成临时装片、切片和涂片。对于这些材料要求薄而透明，在制作

30、临时装片时要展平放置于水中，不得重叠；盖盖玻片时从一侧轻轻地斜放上去，防止产生气泡，若不小心产生了气泡，则可以在盖玻片的一侧滴加清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，引走气泡。如“观察植物细胞的质壁分离和复原”中要制作洋葱表皮细胞的临时装片，“在生物组织中脂肪的鉴定”中要制作花生种子的切片等等。 研磨、过滤。适用于从生物组织中提取物质，如酶、色素等，要求学生熟练掌握研磨、过滤的方法，如研磨时要先将生物材料切碎，然后加入摩擦剂(常用二氧化硅)、提取液及其必要物质，充分研磨之后，往往要进行过滤，以除去渣滓，所用过滤器具则根据需要或根据试题中提供的器材加以选用，如可用滤纸、纱布、脱脂棉、尼龙布等等。课本上涉及到研磨和过滤的地方有两处：一是研磨发芽的小麦，过滤制得淀粉酶；二是在提取和分离叶绿体色素时，研磨叶片，过滤得到滤液。概括加快研磨速度的方法，是加入一定量的SiO2，由于过滤只是粗略地去掉渣滓，因此为了提高速度并使实验明显，一般不选用滤纸，而是选用脱脂棉。 解离技术。用于破坏细胞壁，分散植物细胞，制作临时装片。 恒温技术。适用于有酶参与的生化反应，以及用热酒精脱去叶片中的色素等。一般用水浴或恒温箱。纸层析技术。纸层析法是利用物质随层析液在滤纸上的扩散速度不同的原理，达到将物质分离的目的。适用于溶液中物质的分离。主要步骤包括制备滤纸条，画滤液细线，层析分离。层