逍遥右脑 2014-05-10 11:38
一、背景叙述
高中生物实验分两种类型，验证性实验和探究性实验（包括研究性课题），由于后者更能体现探究能力、实验设计能力和运用生物学知识和方法分析和解决实际问题能力；更能体现科学态度、科学精神和创新意识，是高考中为高校选拔人才的较好材料，近年来一直被沿用。由于缺乏实验设计的有关理论知识，平时的练习也偏少，因此，遇到这类题型，就会感到茫然。为解决这一问题，现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的类型作一介绍，以期增加理论知识，提高分析问题和解决问题的能力之目的。
二、基本内容
探究性实验一般包括：课题、假设、设计实验、预期、完成实验、观察并记录结果（有时需收集数据）、分析结果（数据）并推导结论七个基本内容。
（一）提出课题
人们对事物作缜密观察以后，常常由于好奇心或想作进一步的了解而提出问题，虽然任何人都能提出问题，但只有意义的问题才值得探讨，课题即为实验的题目，是实验要达到的具体目标，例如“蚯蚓如何借肌肉的收缩和舒张而移动身体？”
（二）假设
科学方法的第三步是假设。假设，也称假说或猜测，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。假设一般分为两个步骤：第一步，提出假设，即依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过创造性思维，提出初步假定；第二步，做出预期(推断)，即依据提出的假设，进行推理，得出假定性的结论；例如，新编高中生物的“动物激素饲喂小动物的实验”，其假设是：“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”；其预期结果是：“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪，将促使蝌蚪的生长发育加速”。实验预期是较具体的推断。
一个问题常有多个可能的答案，但通常只有一个是正确的。因此，假设是对还是错，还需要加以验证，即依据假设或预期，设计实验方案，进行实验验证。
（三）设计实验
实验是验证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的变化的一种方法。这是科学方法的最大特色，也是科学方法中最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。在科学实验中，要掌握或贯彻以下几点：
1、单一变量原则
变量，或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为三类：实验变量、反应变量和无关变量
实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。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“温度对酶活性”的实验中，所给定的低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水浴)就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的活性也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于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。
无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。显然，无关变量会对反应变量有干扰作用，例如，上述实验中除实验变量(低温、适温、高温)以外，PH、试管洁净程度、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，实验操作程度，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量，以减少误差。
2、对照性原则
对照是实验控制的手段之一，目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比。既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。
通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组：对照组，也称控制组，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“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，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，增强了说服力。
（2）自身对照 指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。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。例如，“动物激素饲喂小动物”的实习实验，采用等组实验法，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。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量——甲状腺激素能促进动物的生长发育。
（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，在等组实验法中，大都是运用对照，如“植物的向性”的等组实验中，5个实验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。
3、科学性原则
所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，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领域的基本原则，都要具有可行性。如：淀粉酶水解淀粉的顺序问题。要有明确的观测指标（a. 有无特异颜色、沉淀反应 b. 有无气泡、气味产生 c. 在形态结构、生长发育等方面具有明显的特征）
4、重复性原则
在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验部必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性，尤其是有数据计算的实验，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，作为正式结论，这样的结论易被推翻。
（四）预期
（五）完成实验
（六）观察并记录结果
（七）分析结果（数据）并推导结论
三、考查点及解题技巧
七个基本内容中，除实施实验笔试无法考查外，其它各项均是考查点。
（一）课题的考查
通常对课题的考查要求考生以合乎规范的方式写出或补充课题，难度不大，但要注意以下两点：
1、要紧扣试题的意图，不能偏题。
2、课题是具体的、有明确的目标，不能大而空洞，如果试题的意图是“探究不同光照强度对光合作用的影响”，而回答成“探究光照对光合作用的影响”即为偏题，不具体。
（二）假设的考查
一般要求根据试题中给出的材料、用具和药品，提出一种可检测的解释，因为后面的实验步骤的设计具体就是寻找证据检验假设成立与否，从而得出结论。等同于验证性实验的实验原理，
（三）实验预期的考查
是常考点，有两种情况，一是预期最可能的结果，二是预期各种可能的结果。该点一般和结论一起考查。答题时注意题目的意思，扣题回答，还要注意实验的性质，若是验证性实验，只回答一种结果预期。
（四）实验步骤设计的考查
最常见的几种考查形式是：写出实验步骤、补充关键步骤、续写步骤或找出设计中的错误。该考查点对考生来说最难，跨度最大，需熟知仪器、药品的使用方法，掌握生物学实验的一些基本技术、方法，掌握设计的原则并能准确运用，还需有具体实验情境中获取信息和灵活处理能力。但并非毫无办法，只要考生基本功扎实、思维冷静，总能找到解题的正确思路。
解答的关键是把握好下面的几个原则：１、对照原则（单因子变量原则）；２、重复原则：平衡偶然误差，尤其是有计量的实验；３、科学原则。
设计步骤之前先要明确以下内容：实验变量是什么？如何控制？反应变量是什么？用什么观测指标来表示反应变量的变化？
步骤的一般顺序：
１、分组并编号、前期共性处理；
２、实验变量处理；
3、后期共性处理；
4、观察现象，记录结果；
5、分析结果，推导结论。
四、附录：实验中常用的技术和方法
（一）显微技术
（1）临时装片制作技术
（2）显微镜使用方法
（二）生物鉴定方法
1、物质鉴定：还原糖、脂肪、蛋白质、DNA、染色体、光合产物（淀粉、氧气）、呼吸产物（CO2）、大肠杆菌、必需矿质元素等。
2、遗传鉴定：
（1）遗传方式判断
（2）变异来源鉴定
（三）生物分离技术：分离原生质体、分离动物组织单细胞、分离叶绿体、生物大分子的分离（离心分离、电泳分离、透析分离、层析分离）等。
（四）生物测量方法：细胞周期测定、呼吸作用强度测定、光合作用强度测定、酶的活性测定、生长素对植物生长影响的测定、种子发芽率测定、种群密度调查、微生物数量测定等。
（五）其它：放射性同位素标记的应用、温控技术、缓冲技术、微生物培养方法（包括配制培养基、培养基灭菌、接种）、微生物分离方法、遗传杂交试验(植物杂交试验、动物杂交试验)、遗传育种方法（植物育种、动物育种、微生物育种）、遗传病调查方法、体细胞或原生质体融合法（包括：获取植物原生质体或动物单细胞、促融、筛选、后期培养即组织培养法、动物细胞培养法）。
四、例题
(2001年理科综合)有人设计了下列实验，试图证明“生长素(IAA)在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端(顶端)向下端(基端)运输，而不能倒转过来运输(如生长素只能从胚芽鞘的上端向下端运输)。”
一、材料、用具：胚芽鞘、琼脂、刀片等
二、方法、步骤与结果：
(一)制备琼脂块(下图左)
(二)取一段胚芽鞘中间部，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块(上图右)
(三)取步骤(二)下面琼脂块(a)的一部分放在去尖的胚芽鞘的一侧(右图)
三、结论：以上实验证明了“生长素(IAA)在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端(顶端)向下端(基端)运输，而不能倒转过来运输“。
我们认为，仅用该实验步骤(一)、(二)、(三)还不足以严密论证以上结论，请在上述实验的基础上补充相应的实验方法，步骤和结果。
[解析]典型的实验设计的要求是：①设置对照实验，②严格控制实验条件、努力减少误差；③要考虑增加重复次数，反复验证结果。根据上述要求，仔细分析本题实验内容。可发现本题缺少对照实验。因此，实验结果不能成立，因此，应补对照实验的内容。
[答案]补充方法、步骤与结果(一)：另取一段胚芽鞘中间部分倒放，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块。
(三)下面琼脂块(b)的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧
[误区]受定势思维影响，不考虑实验设计的对照原则，而且是从生长素含量上做文章，难以找到正确突破口。
[说明]设置对照实验，是实验设计要证明问题的核心，此类题理应从原有实验内容中寻找实验内容是否全面，即可找到解题思路。
五、精选习题
1、（2003全国）（14分）麦品种是纯合体，生产上用种子繁殖，现要选育矮杆（aa）、抗病（BB）的小麦新品种；马铃薯品种是杂合体（有一对基因杂合即可称为杂合体），生产上通常用块茎繁殖，现要选育黄肉（Yy）、抗病（Rr）的马铃薯新品种。请分别设计小麦品种间杂交育种程序，以及马铃薯品种间杂交育种程序。要求用遗传图解表示并加以简要说明。（写出包括亲本在内的前三代即可）。
2、（2004全国）(22分)将等量萌发的种子和煮沸自然冷却后的种子分别放入甲、乙两试管中，如下图所示(本实验中石蜡油短期内不影响生物的生长)。两试管中均无空气存在。
据图分析回答：
⑴甲试管放置几个小时后，管内顶部出现气泡，其中的气体成分主要是 ；将该气体引入 溶液中，可使该溶液变混浊。
⑵甲试管中产生气泡的现象是种子 进行造成的，写出表示这一过程的反应式 。
⑶乙试管在与甲试管同样的时间内，试管内顶部未出现气泡，原因是 。
⑷乙试管继续放置几天，一些微生物开始繁殖，导致试管内顶部也出现少量气体，这是这些微生物从试管中的 获得了所需要的营养物质进行新陈代谢的结果。一般来说，微生物所需的营养要素可归纳成 、 、 、 和 五大类。
⑸这些微生物可能的来源是(答出两个来源即可) 。
3、（2004江苏）（7分）玉米正常植株叶片为绿色，患一种遗传病后植株的叶片具白色条斑，或为不能成活的白化苗。显微观察发现，白化苗和白色条斑处的叶肉细胞不含叶绿体。有人为了探索该病的遗传机理，用人工授粉的方法进行了如下两个实验。根据下列实验结果回答问题：
（1）实验一
P ♀条斑叶 × 绿色叶♂
↓
F1 绿色叶 条斑叶或白色叶
重复该实验后代的性状不出现一定的分离比。
①实验结果显示，母本患条斑病时，该病通过__________________方式遗传。
②实验中后代不同性状的个体的比例是随机的，其原因__________________
（2）实验二
P ♀绿色叶 × 条斑叶♂
↓
F1 绿色叶
↓（自交）
F2 绿色叶 条斑叶或白色叶
表现型比例 3 ： 1
重复该实验，后代的性状分离比始终为3：1。
实验二结果显示，母本正常时，该病的遗传受________________________的控制。
4、（2004江苏）（8分）科学家利辐射诱变技术处理红色种皮的花生，获得一突变植株，其自交所结的种子均具紫色种皮。这些紫色种皮的种子长成的植株中，有些却结出了红色种皮的种子。
（1）上述紫色种皮的花生种子长成的植株中，有些结出了红色种皮种子的原因是：
（2）上述紫色种皮的种子，可用于培育紫色种皮性状稳遗传的花生新品种。假设花生种皮的紫色和红色性状由一对等位基因控制，用文字简要叙述获得该新品种过程：
5、（2004江苏）（11分）环境污染对植物的生长发育有不同程度的影响。在一定程度上，植物在污染环境中也有继续保持正常生命活动的特性，这种特性称为抗性。研究植物的抗性对筛选具有净化环境的植物种类和保护环境有积极意义。
（1）一项研究表明，植物对SO2的抗性与叶片上气孔密度和气孔大小等有关。所得数据如下表
被测植物
平均受害面积
（％）
气孔
气孔密度
（个／mm2）
每个气孔面积
（mm2）
甲植物
13.5
218
272
乙植物
33.4
162
426
丙植物
57.7
136
556
①该研究说明，植物对SO2的抗性与气孔的密度呈______________关系，和每个气孔的面积呈_____________关系。
②在SO2污染严重的地区，最好选择表中________________植物为行道树种。
（2）工业生产中产生的SO2是酸雨（pH＜5.6）形成的主要原因之一。有人设计实验研究酸雨对植物的毒害作用。实验过程如下图所示（除图中特别说明的外，其他条件甲、乙均相同）：
实验结果表明，“酸雨”使植物叶片变黄，而对照实验中的植物没有变黄。该实验说明“酸雨”对植物的生长发育有影响。
参照上述装置和试剂以小麦种子为实验材料尝试设计实验，探究2种不同pH的酸雨对种子萌发率的影响。
① 探究的问题：不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响。
②作出的假设：________________________________________________________。
③实验步骤（简要叙述）：
④实验预期结果与分析（实验预期结果多种多样，写出其中3种并加以分析）：
6、（2004全国2）（20分）胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用。为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，请以小白鼠为实验对象设计实验步骤，预测和解释实验应出现的结果，并写出实验结论。
（一）实验材料和用具：
（二）实验步骤：
（实验提示：采用腹腔注射给药，给药剂量不作实验设计要求；给药1小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液。）
（三）实验结果的预测、解释和结论：
7、（2004天津）（18分）生态工作者从东到西对我国北方A、B、C三种类型的草原地行调查。下表是不同调查面积的物种数量统计结果：
（1）A、B、C三种类型的草原对放牧干扰的抵抗力稳定性由强到弱的顺序是 。导致这三种类型的草原物种数量不同的关键生态因素是 。如果将A草原与我国东北针叶林相比，两者之间恢复力稳定性较强的是 。
（2）调查B草原某种双子叶草本植物种群密度时，设计如下调查步骤：
① 选取为最佳样方面积。
② 在该物种分布较密集的地方取5个样方。
③ 计数每个样方内该植物的个体数。若计数结果由多到少依次为N1、N2、N3、N4、N5，则将N3作为种群密度的估计值。
请指出以上设计步骤中的错误并加以改正。
8、（2004天津）（20分）（1）人们不会在热泉中发现活着的嗜冷海藻，而经常可以在冷水环境中分离出嗜热微生物。请根据酶的特性分析产生这种现象的原因。
（2）淀粉酶可以通过微生物发酵生产。为了提高酶的产量，请你设计一个实验，利用诱变育种方法，获得产生淀粉酶较多的菌株。① 写出主要实验步骤。② 根据诱发突变率低和诱发突变不定向性的特点预期实验结果。
提示：生产菌株在含有淀粉的固体培养基上，随着生长可释放淀粉酶分解培养基中的淀粉，在菌落周围形成透明圈。
9、（2004广西）(6分) 番茄是自花授粉植物，已知红果(R)对黄果(r)为显性，正常果形(F)对多棱果(f)为显性。以上两对基因分别位于非同源染色体上。现有红色多棱果品种、黄色正常果形品种和黄色多棱果品种(三个品种均为纯合体)，育种家期望获得红色正常果形的新品种，为此进行杂交。
试回答下列问题：
(1)应选用以上哪两个品种作为杂交亲本?
(2)上述两亲本杂交产生的F1代具有何种基因型和表现型?
(3)在F2代中表现红色正常果形植株出现的比例有多大?F2代中能稳定遗传的红色正常果形植株出现的比例有多大?
10、（2004广西）(12分)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：
11、（2005全国）(21分)为了验证胰岛素具有降低血糖的作用，以小鼠活动状况为观察指标设计实验。某同学的实验方案如下：
①将正常小鼠随机分成A、B两组，观察并记录其活动状况。②A组小鼠注射适量胰岛素溶液，B 组注射等量生理盐水。一段时间后，A 组小鼠会出现四肢无力，活动减少，甚至昏迷等低血糖症状，B 组活动状况无变化。③A 组小鼠出低血糖症状后，分别给A、B两组小鼠注射等量葡萄糖溶液。一段时间后，A 组小鼠低血糖症状缓解，B 组活动状况无变化
该实验方案可以说明胰岛素具有降低血糖的作用，请回答：
（1）该实验原理是：
。
（2）分析小鼠注射胰岛素溶液后出现低血糖症状的原因：
。
（3）胰岛素在血糖平衡调节中的作用是
。
12、（2006年广东）(8分)为观察生态系统稳定性，设计4个密闭、透明的生态瓶，各瓶内的组成和条件见下表。经过一段时间的培养和观测后，发现甲瓶是最稳定的生态系统。
请回答以下问题：
(1)乙瓶中，藻类的种群密度变化趋势为 ，原因是 ；
(2)丙瓶比甲瓶有较多的有机物，原因是 ；
(3)丁瓶与甲瓶相比，氧气含量 ，原因是 ；
(4)根据观测结果，得出结论：① ；② 。
13、（2006年重庆）（21分）植物甲、乙是两种濒危药用植物（二倍体）。请按要求回答问题：
（1）以植物甲、乙的茎尖和叶片为材料，通过组织培养获得了再生植株，解决了自然繁殖率低的问题。这表明植物细胞具有 。由叶片等材料形成的愈伤组织的形态结构特点是 。
（2）右图分别是植物甲、乙的萌发花粉粒和未受精胚珠的示意图。
在分离球珠细胞的原生质体时，通常使用纤维素酶和果胶酶破除细胞壁，其原理是利用了酶的 性质。
如果将右上图中的1个精子与右下题图中的1个____细胞或2个 融合，可培育出三倍体植株。用适当浓度的秋水仙素处理该三体植株的幼苗，可能获得药用成分较高的六倍体植株。秋水仙素的作用机理是 。
（3）植物乙自然结实率低，主要原因是花粉粒萌发后多数花粉管不能伸长。为探究生长素对植物乙花粉管伸长的影响，某生物兴趣小组进行了课外实验，得到了表结果：
生长素浓度(mg/L)
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
花粉管平均长度(mm)
0.5
3.6
5.5
6.4
5.2
3.1
0.4
0.2
请结合表中数据对实验结果进行简要分析： 。
根据上述分析，可以得出的结论是： 。