生物實驗設(shè)計的基本技能 深圳市紅嶺中學(xué)高中部

劉樺

實驗題是高考試題的難點，也是重點，靈活多變。實驗設(shè)計類實驗從題型方面看可分為驗證性實驗、探究性實驗和評價性實驗，從命題的切入點來看以新的信息材料呈現(xiàn)，重點考查實驗設(shè)計能力。

二、實驗設(shè)計的一般思路

三、實驗設(shè)計的基本技能

1.驗證性實驗

【典例分析】

例1：為了驗證葉片光合作用受到光質(zhì)的影響，請用所提供的實驗材料與用具，在給出的實驗步驟的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完成實驗步驟的設(shè)計和預(yù)測實驗結(jié)果，并對你的預(yù)測結(jié)果進行分析。

（1）實驗材料與用具：小燒杯三只、三棱鏡（注釋：白光通過三棱鏡色散形成紅光、黃光、綠光等單色光）、打孔器、注射器、40 W燈泡、燒杯、富含CO2的NaHCO3稀溶液（為光合作用提供原料）、綠葉（如菠菜葉）。（實驗過程中光照和溫度等條件適宜，空氣中O2和CO2在水中的溶解量忽略不計）

（2）實驗步驟：① 取生長旺盛的綠葉，用直徑為1 cm的打孔器打出小圓形葉片30片（注意避開大的葉脈）;② 將圓形葉片置于注射器內(nèi)，并讓注射器吸入清水，待排出注射器內(nèi)殘留的空氣后，用手堵住注射器前端的小孔并緩緩拉動活塞，使小圓形葉片內(nèi)的氣體逸出。這一步驟可重復(fù)幾次;③ 將內(nèi)部氣體逸出的小圓形葉片，放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用（這樣的葉片因為細胞間隙充滿水，所以全都沉到水底）;④ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;⑤ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ⑥ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（3）預(yù)測結(jié)果并分析： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（4）結(jié)果討論：增強單色光光照強度，能否對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響？ ;試在同一坐標(biāo)圖中畫出不同類型的單色光（光質(zhì)）照射下，光照強度與光合作用強度的關(guān)系曲線來說明這個問題。

解析：（2）④在進行實驗操作時，要遵循單一變量原則，即光質(zhì)不同，其他如葉圓片的數(shù)量、NaHCO3稀溶液的量、燈泡的功率和距離等均屬于無關(guān)變量，應(yīng)保持相同且適宜，故步驟為取三只小燒杯，分別倒入20 mL富含CO2%的NaHCO3稀溶液，并分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片。⑤在進行實驗操作時，要遵循單一變量原則，即光質(zhì)不同，用40 W燈泡照射，三棱鏡色散形成紅光、黃光、綠光分別作用于三只小燒杯。⑥由于不同光質(zhì)導(dǎo)致光合速率有所區(qū)別，因此實驗的因變量就是產(chǎn)生的氧氣的多少，故觀察并記錄的指標(biāo)是同一時間段內(nèi)各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數(shù)量（或上浮相同數(shù)量圓葉片所需時間）。

（3）在結(jié)果預(yù)測時，根據(jù)色素的吸收光譜，色素主要吸收紅光和藍紫光，對綠光吸收最少，因此單位時間內(nèi)紅光作用的小燒杯內(nèi)的小圓形葉片浮起的數(shù)量最多，綠光作用的小燒杯內(nèi)的小圓形葉片浮起的數(shù)量最少。結(jié)果分析：因為綠葉中的色素吸收紅光和藍紫光的能力最強，吸收綠光的能力最弱，所以在紅光照射時產(chǎn)生O2的速度最快，葉肉細胞間隙的O2增加最快，葉片上浮的速度也就最快;相反綠光照射的燒杯葉片上浮最慢。

（4）光照強度影響光合速率，故會導(dǎo)致實驗結(jié)果的變化，畫曲線圖時，橫坐標(biāo)為光照強度，縱坐標(biāo)為光合作用強度，首先它們均會隨著光照強度的增強光合速率提高，只是紅光斜率最大，綠光斜率最小，并且都會達到飽和點，三條曲線的最大光合速率相等。

答案：（2） ④ 取三只小燒杯，分別倒入20 mL富含CO2的NaHCO3稀溶液，并分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片 ? ⑤ 用40W燈泡照射，三棱鏡色散形成紅光、黃光、綠光分別作用于三只小燒杯 ? ⑥ 觀察并記錄同一時間段內(nèi)各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數(shù)量（葉片全部浮起經(jīng)歷的時間） ? ?（3）預(yù)測結(jié)果：單位時間內(nèi)紅光作用的小燒杯內(nèi)的小圓形葉片浮起的數(shù)量最多，綠光作用的小燒杯內(nèi)的小圓形葉片浮起的數(shù)量最少。結(jié)果分析：因為綠葉中的色素吸收紅光和藍紫光的能力最強，吸收綠光的能力最弱，所以在紅光照射時產(chǎn)生O2的速度最快，葉肉細胞間隙的O2增加最快，葉片上浮的速度也就最快，相反綠光照射的燒杯葉片上浮最慢 ?（4）能 ? ?曲線如圖所示

【技能技巧】

（1）實驗原理一般由“自變量和因變量之間的關(guān)系（目的原理）+實驗具體過程的描述（操作原理或書本原理）+自變量的觀察指標(biāo)（檢測原理）”組成。如“為了驗證胰島素具有降低血糖的作用，以小鼠的活動狀態(tài)為觀測指標(biāo)”的實驗原理可描述為：胰島素具有降低血糖的作用（自變量和因變量之間的關(guān)系）。體內(nèi)胰島素含量過高時，引起血糖水平下降，機體出現(xiàn)活動減少，甚至昏迷等低血糖癥狀（自變量的觀察指標(biāo)），此癥狀可通過補充葡萄糖溶液得到緩解（實驗具體過程的描述）。

（2）對照組是指保持原有狀態(tài)（未做處理）或已知影響因素所造成結(jié)果的一組實驗。實驗組是人為改變條件（人為特別處理）或未知實驗結(jié)果的一組實驗。值得說明的是鑒定性實驗及遺傳規(guī)律實驗可以不設(shè)置對照?？刂谱宰兞康脑恚杭臃ㄔ砘驕p法原理來控制自變量。加法原理：與常態(tài)相比，人為增加某種影響因素的原理。如探究不同酸堿度對唾液淀粉酶的影響實驗，加酸和加堿的一組為實驗組。減法原理：與常態(tài)相比，人為去除某種因素的原理。如驗證光合作用產(chǎn)生淀粉的實驗，施加人為因素的一組，即遮光組為實驗組。

（3）實驗結(jié)果、結(jié)論：依據(jù)實驗原理寫結(jié)果，依據(jù)實驗?zāi)康膶懡Y(jié)論。

【解題模板】

取材分組 把（生長狀況、大小、性別、身高、體重和發(fā)育狀況等）相同的××隨機均分為若干組，記為A（對照組）、B（實驗組）組

材料處理 A組加適量的××（自然條件或模擬自然條件——對照組處理）;B組加等量適量的××（施加實驗變量——實驗組處理）;其他條件相同且適宜

觀察記錄 在相同且適宜的條件下培養(yǎng)（生理實驗）或反應(yīng)（生化反應(yīng)）一段時間后，觀察（特異顏色變化、沉淀反應(yīng)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征等變化）記錄（生長發(fā)育速度、生化反應(yīng)速度等）數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的處理（求平均值等）

2.探究性實驗

【典例分析】

例2：以下是一個測定某植物細胞液濃度的實驗：

實驗步驟 實驗示意圖

①在每組試管中注入等量不同濃度的蔗糖溶液

②在每組的a試管中加入等量葉圓片和少量亞甲基藍晶粒（對溶液濃度影響可忽略不計）并定時輕搖

③從每組a中吸取1小滴藍色液滴，小心放入對應(yīng)b試管的溶液中部，觀察藍色液滴沉浮情況并記錄

說明：若a管溶液濃度上升，藍色液滴將在b管的無色溶液中下沉;反之藍色液滴將上浮;若a管溶液濃度不變，藍色液滴將均勻擴散。

實驗結(jié)果如下表：

請回答下列問題：

（1）本實驗的原理是： ? ? ? ? ? ? ? ?，這種變化可通過藍色液滴的浮沉反映出來。

（2）本實驗的結(jié)論是：植物葉肉細胞的細胞液濃度大約相當(dāng)于 ? ? ? ? M的蔗糖溶液濃度。

（3）本實驗不同組別間的自變量是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，因變量是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（4）若在某組a試管中的植物細胞發(fā)生了質(zhì)壁分離現(xiàn)象，則在第③步操作中，將發(fā)現(xiàn)藍色液滴 ? ?。

（5）在操作正確情況下，若發(fā)現(xiàn)在所有的組別中藍色液滴都上浮，則實驗應(yīng)該如何改進？ ? ? ? 。

解析：（1）測定植物細胞液濃度的實驗，原理是根據(jù)植物細胞液與外界溶液存在濃度差時會發(fā)生滲透吸水或失水現(xiàn)象，引起外界溶液濃度的改變，這種變化可通過藍色液滴的浮沉反映出來。（2）從實驗結(jié)果可以看出，在0.05M的蔗糖溶液濃度時，液滴均勻擴散，說明植物細胞的細胞液濃度大約相當(dāng)于0.05M的蔗糖溶液濃度。（3）本實驗不同組別間的自變量是蔗糖溶液的濃度，因變量是a管中蔗糖溶液濃度的改變。（3）若在某組a試管中的植物細胞發(fā)生了質(zhì)壁分離現(xiàn)象，說明蔗糖濃度高于細胞液濃度，則在第③步操作中，將發(fā)現(xiàn)藍色液滴上浮。（4）在操作正確情況下，若發(fā)現(xiàn)在所有的組別中藍色液滴都上浮，說明蔗糖溶液濃度偏高，則實驗應(yīng)設(shè)置低于最低溶液濃度的系列，讓溶液組別重新進行試驗。

答案：（1）植物細胞液與外界溶液存在濃度差時會發(fā)生滲透吸水或失水現(xiàn)象，引起外界溶液濃度的改變 ? ? （2）0.05 ? ? ?（3）蔗糖溶液的濃度 ? ?a管中蔗糖溶液濃度的改變 ? ? ?（4）上浮 ? ? （5）設(shè)置低于最低溶液濃度的系列蔗糖溶液組別重新進行實驗

【技能技巧】

（1）實驗原理的書寫方法：利用××（理論或器材或反應(yīng)原理），通過××（方法），出現(xiàn)××（現(xiàn)象），就能達到××（目的）。

（2）書寫預(yù)期實驗結(jié)果：實驗組和對照組的觀測指標(biāo)都要進行描述。

（3）書寫實驗結(jié)論常用語言是：如果“結(jié)果”，則“結(jié)論”。要分類討論，一般為：實驗組比對照組好，實驗變量有利、促進;實驗組比對照組差，實驗變量不利、抑制;實驗組與對照組無顯著差異，實驗變量無影響。

（4）分析實驗結(jié)果，套用實驗原理。

【解題模板】

取材

分組 將若干生長發(fā)育狀況、大小、長勢、體重（體長）、年齡、性別等相同的材料用具隨機均分為若干組，并用字母進行標(biāo)號 分組編號，等量對照（描述無關(guān)變量）

材料

處理 不施加實驗變量（自然條件或模擬自然條件）設(shè)為對照組;施加實驗變量，設(shè)為實驗組（或均施加實驗變量，設(shè)為相互對照）;控制無關(guān)變量，即其他條件相同適宜，試劑適量且等量 處理實驗組（描述自變量，平衡無關(guān)變量）

觀察

記錄 反應(yīng)（生化反應(yīng)）或培養(yǎng)（生理實驗）相同時間后，觀察指標(biāo)（特異顏色變化、沉淀反應(yīng)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征變化等）或測定指標(biāo)（生長發(fā)育速度、生化反應(yīng)速度等），記錄并處理數(shù)據(jù) 處理實驗結(jié)果（描述因變量）

3.評價性實驗

【典例分析】

例3：某興趣小組為驗證2，4-D對插條生根的促進作用，進行了如下實驗。

A.剪取同一楊樹植株上長勢與長度相同、部位相近且有3個芽的健壯枝條20根，隨機均分為甲、乙兩組;B.甲組每根插條上都保留3個芽，乙組每根插條上的芽全部去除;C.將甲組插條的下端插入適量蒸餾水中，乙組插條的下端插入等量適宜濃度的2，4-D溶液中。兩組均置于相同且適宜的環(huán)境中培養(yǎng);D.每天觀察、記錄插條上芽的數(shù)目。

請對上述實驗進行分析：

（1）每組選取多根插條的目的是 ? ? ? ? ? 。

（2）請指出該實驗設(shè)計的兩項不合理之處。

① ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;② ? ? ? ? ? ?。

（3）實驗設(shè)計改正后，甲組起 ? ? ? ? ? ?作用。

解析：（1）每組選取多根插條的目的是減少實驗誤差（排除偶然因素對該實驗結(jié)果的影響或排除無關(guān)變量的影響）。（2）依據(jù)實驗設(shè)計的等量原則和單一變量原則，分析該實驗設(shè)計的兩項不合理之處依次是：甲、乙兩組插條上芽的數(shù)量不等（或沒有控制好變量）;觀察、記錄插條上芽的數(shù)量不對（或觀察記錄的指標(biāo)不對）。（3）實驗設(shè)計改正后，甲組起對照作用。

答案：（1）減少實驗誤差（排除偶然因素對該實驗結(jié)果的影響或排除無關(guān)變量的影響） （2）①甲、乙兩組插條上芽的數(shù)量不等（或沒有控制好變量） ②觀察、記錄插條上芽的數(shù)量不對（或觀察記錄的指標(biāo)不對） （3）對照

【技能技巧】

（1）實驗材料用具的評價：材料選擇是否合理（包括生長狀況、大小、身高、體重、生長發(fā)育和性別等是否相同，分組是否隨機均分）;用具選擇是否合理;是否遺漏重要的實驗用具;材料用具是否充分利用;是否隨意增加材料用具;藥劑選擇、使用、用量是否準(zhǔn)確。如在做低溫誘導(dǎo)植物染色體數(shù)目的變化的實驗時，要將整株材料在低溫下處理才能達到實驗?zāi)康摹?/p>

（2）實驗變量處理的評價：有無實驗對照;實驗變量設(shè)置是否合理;是否有標(biāo)記;是否遵循單一變量原則;是否遵循了適量等量原則;是否排除了干擾因素。

（3）實驗步驟的評價：步驟是否完整;步驟順序是否合理;操作是否違反生物學(xué)原理;觀察指標(biāo)是否正確;實驗條件是否正確。如在做低溫誘導(dǎo)植物染色體數(shù)目的變化的實驗時，要先漂洗后染色。

（4）實驗條件的評價：是否需要攪拌、加熱;實驗所需的溫度和光照條件是否合理。

（5）實驗結(jié)果和結(jié)論的評價：實驗結(jié)果的種類是否符合實驗的類型;實驗結(jié)果與題目要求寫出的結(jié)果是否相符;實驗結(jié)果是否出現(xiàn)科學(xué)性錯誤;結(jié)果（實驗現(xiàn)象）與結(jié)論因果關(guān)系是否倒置;實驗結(jié)果的驗證方法是否得當(dāng)。如在做低溫誘導(dǎo)植物染色體數(shù)目的變化的實驗時，只能看到部分細胞的染色體加倍。

（6）實驗原理的評價：是否包括自變量和因變量之間的關(guān)系;是否包括因變量的觀測指標(biāo);是否包括對實驗具體過程的描述。

【解題模板】

對照原則 除遺傳學(xué)實驗分析、鑒定性實驗可不設(shè)置對照外，均要設(shè)置對照（自身對照、相互對照、空白對照和條件對照等）

單一變量原則 無論一個實驗有幾個實驗變量，都應(yīng)做到一個實驗變量對應(yīng)一個反應(yīng)變量;實驗中做到避免無關(guān)變量和額外變量的干擾

科學(xué)性原則 實驗原理的科學(xué)性、實驗材料選擇的科學(xué)性、實驗方法的科學(xué)性、實驗結(jié)果處理的科學(xué)性

平衡重復(fù)原則 設(shè)計的實驗必須有足夠的實驗次數(shù)，在無法重復(fù)的情況下不能得出正式結(jié)論

可行性原則 實驗的原理、實驗的實施和實驗結(jié)果產(chǎn)生的可行性

簡便性原則 實驗材料容易獲得且不得隨意添加、實驗裝置比較簡單、實驗藥品比較便宜、操作過程比較簡單、實驗步驟相對較少、實驗等待時間相對較短

在生物高考實驗復(fù)習(xí)過程中，既要牢固掌握教材實驗及教材拓展實驗的基本理論和基本技能，又要掌握實驗設(shè)計過程中的設(shè)計技能技巧。只有這樣，才能確保在高考奪分中立于不敗之地。