2012届高考生物实验——能力考查的重心知识网络复习教案

高考理综生物学知识内容的网络构建（7）

第七单元 实验——能力考查的重心

考情分析:
在近年的理科综合能力测试中，实验作为重要的考查内容，以突出学生学习能力和科学素养的考查为目标，其分值比例逐年上升，试题呈现形式愈趋灵活多样，且常常作为理综全卷的压轴题。
从2006年起，全国的各套理科综合能力测试题，都对“实验与探究能力”的4个层次，作了较为全面的考查。
在高考理综生物学试题中，实验作为重要的考查内容，能突出学生学习能力和科学素养的考查，其分值比例逐年上升，而且常常作为理综全卷的压轴题。
目前，有关实验方面的考试要求，大都是以给出的部分信息，运用逻辑思维来进行验证性的实验为主。它不但考查了考生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（包括设立对照、重复实验）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，得出合理的实验结论。
认真研究修订后的考试大纲，可发现高考对实验与探究能力的考查明显加强。主要表现为以下3个方面：
①在继续注重考查教材实验的基础知识和技能基础上，已转向对实验原理、实验方法、实验技能的“移花接木”、迁移运用上；
②创设新的情景，联系生产、生活实际，对一些生物学问题进行初步探究，包括确认变量、作出假设和预期、设计可行的研究方案、处理和解释数据、根据数据作出合理的判断等科学实验的基本思想；
③培养创新意识，考查学生科学思维的过程，考查对一些简单实验方案作出恰当评价和修改的能力。
因此，明了实验必须遵循的三大原则，熟悉实验设计的基本步骤，是十分必要的。
1 高考生物学实验的类型
高考生物学实验包括两部分：①考试大纲规定的17个基础实验、实习和研究性学习；②以课本实验为基础适当拓展的实验设计与评价。
1.1 教科书中必考的17个实验
《考试大纲》中“考试范围”所列出的“实验、实习和研究性学习”共有17项，理解和掌握这些实验的内容，是最基本的高考复习要求，是实现复习高效率的出发点。对教科书中的这17个实验、实习和研究性课题，必须通过亲身经历各项实验活动，对实验原理的理解和应用，实验要用到的器材的选择、作用和使用方法，设计实验的思路和实验步骤的程序，以及实验数据的测量、数据的处理方法，对实验现象的观察分析、实验结论的归纳总结等，进行一个系统的、全面的熟悉。
实验类型考纲知识要点
生物组织有机成分的
提取、分离和鉴定（1）生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定
（2）叶绿体中色素的提取和分离
（3）DNA的粗提取与鉴定
使用显微镜的观察实验（4）高倍显微镜的使用和观察叶绿体
（5）细胞质流动的观察
（6）观察植物细胞的有丝分裂
（7）观察植物细胞的质壁分离与复原
有关酶特性的探究实验（8）比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率
（9）探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用
（10）温度对酶活性的影响
设计、观察和调查（11）植物向性运动的实验设计和观察
（12）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
（13）设计并制作小生态瓶，观察生态系统的稳定性
（14）观察SO2对植物的影响
（15）调查人群中的遗传病
（16）种群密度的取样调查
（17）调查环境污染对生物的影响

在教科书中17个实验的系统复习中，要力求做到：在实验思想、原理、方法以及操作技巧等方面，从基本的熟悉逐渐转向对实验原理、实验方法、实验技术的“移花接木”、迁移运用上。
考试大纲列出的“生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定”、“叶绿体中色素的提取和分离”、“DNA的粗提取与鉴定”等实验，在实验操作方法上虽然各有不同，但都体现出物质“提取、分离和鉴定”的基本方法，也有一些共同的注意事项。
显微镜是中学生物实验中的最常用的仪器。在考试大纲中，要求考生能熟练地使用高倍显微镜观察细胞质流动、叶绿体的运动、植物细胞的有丝分裂、植物细胞的质壁分离与复原等4个实验。高考试题中也不断呈现相关的内容。因此，教师一定要充分重视本部份内容的复习。实验条件较差的学校也最好要采用播放录像的方式，引导学生有序地回忆和记忆实验原理和操作要点。
新陈代谢从本质上来说，是指发生在生物体内的，由酶催化的一系列有序的化学反应的总称。绝大多数的酶都是蛋白质。作为生物催化剂，酶具有不同于无机催化剂的特点，这主要可通过3个具有探究性质的实验的系统复习，来进一步加深认识。
生物学实验中的观察法和调查法，是科学研究的主要方法，教材主要以“实习”、“研究性学习”为题，要求学生进行简单的实验设计，学会制定调查方案，以科学的态度完成一些简单课题的研究。本部份内容重点考查的是“植物向性运动的实验设计和观察设计实验”和“种群密度的取样调查”等。
1 一些常见的实验方法和技术：
（1）生物组织有机成分的提取、分离和鉴定 在生物学研究中，为了认识细胞内不同有机物的生理功能，常常需要采用物质的提取和分离技术，先把它们各自分离出来，再进行有关的研究。例如，淀粉+碘液(蓝色)；还原性糖+斐林试剂(砖红色)；脂肪+苏丹Ⅲ(橘黄)或+苏丹Ⅳ(红色)；蛋白质+双缩脲试剂(紫色)；大肠杆菌+伊红和美蓝(菌落为深紫色，有金属光泽)等。
（2）分级离心法（细胞匀浆的制备和超速离心技术） 常常用于对不同细胞的微细结构进行分离以检测其功能，例如，叶肉细胞的分级离心处理，可确定线粒体、叶绿体、核糖体等细胞器的功能；肝细胞、酵母菌的分级离心，可认知线粒体和细胞质基质与细胞呼吸的关系等。
（3）显微观察法：主要有①固定观察法，如细胞的显微结构、植物细胞的有丝分裂等；②活体观察法，如细胞质流动、植物细胞的质壁分离和复原等。
（4）同位素示踪法：例如，用18O2和14CO2追踪光合作用中氧原子和碳原子的转移途径；用噬菌体侵染细菌实验证明DNA是遗传物质； DNA的半保留复制等。
此外，还有溶液培养法、纸层析技术以及生物学史中的一些实验研究等。
3 实验中常用的药品：在高考有关的生物学实验中，常常要涉及到药品的用途和使用。
NaOH：用于吸收CO2或改变溶液的pH。 Ca（OH）2：鉴定CO2
HCl：解离或改变溶液的pH。 NaHCO3：提供CO2
斐林试剂：可溶性还原性糖的鉴定。 碘液：鉴定淀粉。
苏丹Ⅲ、Ⅳ：脂肪的鉴定。 双缩脲试剂：蛋白质的鉴定。
二苯胺试剂：鉴定DNA。 丙酮（或酒精）提取叶绿体中的色素。
琼脂：激素或其它物质的载体，用于激素的转移或培养基。
亚甲基蓝：用于活体染色或检测污水中的耗氧性细菌（细菌的氧化可使之褪色）。
酒精：用于消毒处理、提纯DNA、叶片脱色及配制解离液。
蔗糖：配制蔗糖溶液，用于测定植物细胞液浓度或观察质壁分离和复原。
龙胆紫溶液或醋酸洋红：碱性染料，用于染色体染色。
要点探究
这里对基础实验的归类复习，主要是熟悉那些共同的一些操作程序和注意事项。包括：显微镜的使用、临时装片的制作、实验材料的选择，等等。
探究点1 使用高倍显微镜必须注意几个原则
在理科综合的考试卷中，虽然不可能直接涉及到与显微镜操作有关的内容，但作为中学理科学习中一项十分重要的操作技能的掌握，是不可忽视的。在显微镜使用的内容复习中，除了熟悉显微镜的基本结构和使用方法外，还有必要把握好以下几个原则：
① 用眼原则：左眼注视目镜，右眼睁开。这样，一可减轻左眼疲劳，二方便绘图。
② 物镜选用原则：先低倍后高倍，由低倍到高倍，可以用低倍物镜观察清楚的就勿需使用高倍物镜。
③ 准焦螺旋使用原则：先粗后细，由粗到细。
此外，目镜和物镜选用的混淆以及反光镜和光圈的选用、装片移动方向的确定、显微镜下视野中污物的判定等，都是应该引起注意的。
【例1】用显微镜的一个目镜分别与4个不同倍数的物镜组合来观察血细胞涂片。当成像清晰时，每一物镜与载玻片的距离如图所示。如果载玻片的位置不变，用哪一物镜在一个视野中看到的细胞最多?
Ａ. a Ｂ. b Ｃ. c Ｄ. d
【答案】 D
【解析】 显微镜的视野（是指在显微镜下一次所能观察到的被检玻片标本的范围）中看到细胞数目多少，与视野面积有关，而视野面积的大小与显微镜的放大倍数成反比。放大倍数越高，物镜与置于载玻片上的观察材料之间的距离越小，视野范围越小，看到的细胞数目越少；放大倍数越低，物镜与置于载玻片上的观察材料之间的距离越大，视野范围越大，看到的细胞数目越多。
通过分析可以知道：D选项的工作距离最大，应当是倍数最低的物镜，所观察到的视野面积最大。当用这样的物镜来观察同一张涂抹均匀的血细胞涂片时，因为视野面积最大，所看到的细胞数目较用其它物镜时就最多。
探究点2．实验成功的关键——材料的选择和试剂的配制
（1）还原糖的鉴定：要选择含还原糖量较高、颜色较浅的材料，这样颜色反应才明显。通过实验比较，颜色反应的明显程度依次为苹果、梨、白色甘蓝叶、白萝卜。
（2）脂肪的鉴定：要选择富含脂肪的材料，如花生、蓖麻等，提前浸泡3~4 h。如果是新花生种子，可以不必浸泡，否则切下的薄片不易成形。
（3）蛋白质的鉴定：最好的实验材料是鸡蛋清，其蛋白质含量相对高，配制的提取液透明，与双缩脲试剂反应后，颜色反应明显，但蛋清液需要稀释。
（4）在观察叶绿体时，宜选用叶绿体大、数目少的材料。如阴生植物藓类的叶、菠菜叶的下表皮（稍带叶肉）等。由于在不同的光照下，叶绿体可以运动并改变在细胞中的分布位置。所以，在不同光照下采集的材料，其叶内叶绿体的形态有所不同。
（5）在观察细胞质的流动时，要选用细胞质流动较快的植物，如黑藻的幼嫩叶片、南瓜幼苗的表皮毛、小麦的根毛、向日葵舌状花瓣的表皮或大白菜内层叶片叶脉的表皮细胞等。选取实验材料时，最好将所要取材的植物体置于温暖的阳光下照射1~2小时，以使植物细胞处于旺盛的生活状态。
（6）在植物细胞的质壁分离和复原的实验时，要选择生活的、成熟的（具有大液泡）、有颜色的（如紫色洋葱）植物细胞；没有大液泡的植物细胞则质壁分离现象不明显。死的植物细胞中的细胞膜，由于失去了选择透过性，所以不能发生质壁分离。
（7）在有关酶的催化特点的探究实验中，常选用动物新鲜肝脏做实验材料，原因是细胞内的过氧化氢酶未被破坏，从而提高实验现象的对比程度。也可选用植物的组织（如马铃薯的块茎、萝卜的肉质根等）做实验材料。因为过氧化氢酶广泛存在于动植物组织细胞中。
（8）正确配制和使用斐林试剂与双缩脲试剂：配制这两种试剂时，都要用到NaOH溶液和CuSO4溶液，但配制时，溶液浓度不同，使用原理和方法也有明显区别。（见下表）
斐林试剂双缩脲试剂
配 方甲(A)液0.1g/mLNaOH0.1 g /mLNaOH
乙(B)液0.05 g/mLCuSO40.01g/mL CuSO4
使用方法 甲、乙液混合均匀，现配现用先A液后B液，不能混用
反应原理
及注意事项斐林试剂中起实质作用的是生成的Cu(OH)42-络离子，放置过长就会形成Cu(OH)2沉淀或CuCO3沉淀，因而无法反应。双缩脲试剂中起作用的是碱性环境中Cu2+(与蛋白质结合形成紫色络合物)，因而必须先后使用。使用CuSO4时，溶液不能过量，否则蓝色的CuSO4溶液将遮蔽显色反应中产生的紫色。
此外，在尿糖的鉴定等临床研究或检测中（如2004年全国理综Ⅱ?31），需选用班氏试剂（Benedict试剂），因为班氏试剂较斐林试剂要稳定一些，测定的效果也要灵敏一些。
例2（2005年?全国卷）将小麦种子分别置于20℃和40℃培养箱中培养４天，依次取等量的萌发种子分别制成提取液Ⅰ和提取液Ⅱ。取３支试管甲、乙、丙，分别加入等量的淀粉溶液，然后加入等量的提取液和蒸馏水，45℃水浴保温５分钟，立即在３支试管中加入等量斐林试剂并煮沸２分钟，摇匀观察试管中的颜色，结果是 （ ）
Ａ．甲呈蓝色，乙呈砖红色，丙呈无色
Ｂ．甲呈无色，乙呈砖红色，丙呈蓝色
Ｃ．甲、乙皆呈蓝色，丙呈砖红色
Ｄ．甲呈浅红色，乙呈砖红色，丙呈蓝色
答案：D
解析：（1）小麦种子在适宜温度条件下萌发，胚所消耗的养料和能量全部来自于胚乳的分解，其中淀粉酶是麦芽中含量最丰富的酶之一。淀粉酶的产生受培养温度影响较大，40℃时比在20℃时产生的快，因此在相同时间内酶合成的量要大一些。
（2）由于温度、时间和试剂用量相同，决定反应速率的关键因素是酶的浓度，而酶浓度与反应速度或催化效率是正比关系。在实验中甲和乙是实验组，酶的浓度是甲试管?乙试管，丙是对照组，不含淀粉酶。实验结果，甲试管中有少量还原糖（麦芽糖）生成，乙试管中有较多还原糖（麦芽糖）生成，丙试管中无还原糖（麦芽糖）生成，故３支试管中加入等量斐林试剂并煮沸２分钟后，显色反应不一样。
例3：分别在Ａ、Ｂ、Ｃ三个研钵中加２克剪碎的新鲜菠菜绿叶，并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液，即：深绿色、黄绿色（或褐色）、几乎无色。试回答：
处理ＡＢＣ
SiO2（少量）＋＋＋
CaCO3（少量）－＋＋
95%乙醇（10 mL）＋－＋
蒸馏水（10 mL）－＋－
（注：“＋”表示加；“－”表示不加。）
（１）Ａ处理得到的溶液颜色是 ，原因 。
（２）Ｂ处理得到的溶液颜色是 ，原因是 。
（３）Ｃ处理得到的溶液颜色是 ，原因是 。
答案：（１）黄绿色 部分叶绿素遭到破坏 （２）几乎无色 叶绿体不溶于水
（３）深绿色 大量叶绿素溶于乙醇中
解析：先弄清几种处理的目的。少量CaCO3的作用是保护色素，免遭破坏；乙醇的作用是提取色素（乙醇是有机溶剂，依据相似相溶原理，它可溶解有机物色素）。色素不溶于蒸馏水，故色素不能被提取。
例4 在观察叶肉细胞的细胞质流动时，显微镜下视野中可看到如下图所示的图像：
（1）为看清细胞质处于流动状态，最好选择图中 作为标志物。叶绿体作为观察依据的原因是 。
（2）图中箭头表示 ，细胞质流动对活细胞的意义是 。
（3）若使细胞质流动速度加快，应采取什么方法处理（ ）
Ａ．适当升高温度 Ｂ．减弱光照
Ｃ．用一定浓度的麻醉剂处理 Ｄ．用适当浓度的生长素处理
（4）若在实验前把黑藻分成两份，一份放在０℃的水中培养（Ａ），另一份在原条件下培养（Ｂ），请预测实验的结果会怎样？说明了什么？
【答案】（1）叶绿体 叶绿体呈绿色，光镜下可见
（2）细胞质流动方向 细胞质既是细胞器生存的环境，又是各种物质的贮存库。通过细胞质的流动，为细胞内各种生理活动提供所需的物质和能量，确保新陈代谢的正常进行。
（3）Ａ、Ｄ（促进细胞代谢的因素会使细胞质流动加快）
（4）在Ｂ条件下，能清楚看到叶绿体随细胞质流动而运动。而在Ａ条件下几乎不动；但一段时间后，如随室温温度升高，细胞内又可见到叶绿体随细胞质流动而运动。说明细胞质的流动与温度有密切关系。
【解析】观察细胞质流动时，应先找到叶绿体并以此为参照物，观察细胞质的流动及速度、方向。细胞质流动的速度与温度有关。
探究点3 植物细胞质壁分离的诱发复原与自动复原
在植物细胞的质壁分离与复原实验中，一般选用的外界溶液是蔗糖溶液。当用一定浓度（0.3 g/mL）的蔗糖溶液处理活的植物细胞后，蔗糖溶液的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物细胞通过渗透作用失水而发生质壁分离。要使发生了质壁分离的植物细胞恢复原状，必须用清水处理，使外界溶液的浓度低于植物细胞液的浓度，才可发生植物细胞的质壁分离复原，这种复原称为诱发复原。（因蔗糖分子是不能通过选择透过性的膜的。）
如果在植物细胞的质壁分离与复原实验中，选择的外界溶液是具一定浓度的硝酸钾溶液、尿素溶液（或甘油溶液、乙二醇溶液）等，当外界溶液的浓度大于植物细胞液的浓度时，植物细胞发生质壁分离后，不再进行实验处理来降低外界溶液的浓度，随即也可观察到植物细胞出现分离复原的现象，这种复原称为自动复原。用硝酸钾溶液处理植物细胞发生质壁分离后的自动复原，是因为当水分子通过渗透作用自由进出细胞时，硝酸根离子和钾离子（植物细胞生活所必需的矿质离子）可经主动运输进入细胞液，细胞液的浓度不断增大，水分渗入的速率增大，由此出现自动复原。而用尿素溶液（或甘油溶液、乙二醇溶液）处理植物细胞，是因为这些物质分子也可自由进入细胞。但这些外界溶液的浓度如果过大，同样可导致植物细胞过度失水而死亡。
例5（2008江苏卷）某同学进行实验，甲图为实验开始状态，乙图为实验结束状态。请在乙图所示实验结果的基础上继续实验，探究蔗糖的水解产物能否通过半透膜。
增添的实验材料：蔗糖酶溶液、斐林试剂、试管、滴管、水浴锅等。
（1）设计出继续实验的简要步骤：
① ；
② 。
（2）预测实验现象并作出结论。
答案：(1)①向a、b两管分别加入等量蔗糖酶溶液，水浴加热(或隔水加热)U型管至适宜温度，观察a、b两管内液面的变化； ②吸取a、b两管内适量液体，分别加入A、B两试管中，并加入斐林试剂，(60℃—65℃)水浴加热，观察A、B试管内有无砖红色沉淀
(2)如果a、b两管液面高度差缩小且A、B试管内均有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物能通过半透膜；如果a、b两管液面高度差增大且A试管内无砖红色沉淀、B试管内有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物不能通过半透膜。
解析： (1)蔗糖是大分子物质，不能透过半透膜，故b管液面会上升。蔗糖在蔗糖酶作用下产生葡萄糖和果糖，葡萄糖和果糖是还原性糖，可以和斐林试剂共热产生砖红色沉淀。因此，要探究蔗糖的水解产物能否通过半透膜，可以向a、b管中加入等量蔗糖酶溶液，然后各吸取少量与斐林试剂共热，观察有无砖红色沉淀的产生来判断。(2)如果蔗糖水解产物能。通过半透膜，a、b两管液面高度会缩小，均能与斐林试剂共热产生砖红色沉淀。如果蔗糖水解产物不能通过半透膜，则两管液面高度会增大，且只有b侧管中液体能与斐林试剂共热产生砖红色沉淀。
变式题 将同一植物的细胞，依次在蒸馏水、质量浓度为0.3 g/mL 的蔗糖溶液和0.5mol的甘油溶液中，测得细胞的体积随时间的变化曲线如图所示。请回答：
（1）在Ａ、Ｂ、Ｃ中，细胞在蒸馏水中的是 ，在蔗糖溶液中的是 ，在尿素溶液中的是 。
（2）试简要分析出现Ｂ、Ｃ曲线差异的原因是：
① 。
② 。
答案：（1）Ａ、Ｃ、Ｂ
（2）①甘油分子可通过自由扩散的方式进入细胞液，细胞液的浓度不断增大，细胞由失水逐渐变为吸水，直至平衡。② 因蔗糖分子不能进入通过具有选择透过性的膜进入细胞，处在较高浓度蔗糖溶液中的细胞不断失水，原生质层收缩，使细胞液浓度升高，失水减慢，直至平衡。
解析：一定浓度的蔗糖溶液和甘油溶液都能使植物细胞发生质壁分离现象，细胞因失水收缩而体积变小，但由于植物细胞能不断吸收甘油，使细胞液的浓度不断增大，细胞吸水的能力不断增强，使细胞逐渐由失水状态变为吸水状态，植物细胞发生质壁分离自动复原的现象，所以，细胞体积开始逐渐减少随后又不断增大，因此曲线Ｂ表示的是甘油。在蔗糖溶液中，蔗糖分子不能通过选择透过性的膜，细胞因失水，原生质层收缩，使细胞液浓度升高，失水减慢直至平衡，细胞体积不再变小，因此，曲线Ｃ表示是蔗糖溶液中的细胞；在蒸馏水中的植物细胞由于不断吸收水分体积增大，因此曲线Ａ表示的是蒸馏水中的细胞体积的变化。
探究点4 温度和pH对酶活性的影响
酶促反应需要适宜的温度和pH。高温、过酸和过碱都会破坏酶的分子结构，从而使其丧失活性。
例3 ：下图为4种不同的酶（分别以a、b、c、d表示）在不同温度下酶活性变化的曲线。在37℃时酶活性最高的是 ( )
Ａ.a Ｂ.b Ｃ.c Ｄ.d
答案：D
解析：该题考查了酶的活性与温度之间的关系，以及通过实验数据的坐标曲线，分析实验结果的能力。
例4 为验证pH对唾液淀粉酶的影响，实验如下：
Ⅰ.操作步骤：
① 在1～5号试管中分别加入0.5%淀粉液2 mL。
② 加完淀粉液后，向各试管中加入相应的缓冲液3 mL，使各试管中反应液的pH依次稳定在5.00、6.20、6.80、7.40、8.00。
③ 分别向1～5号试管中加入0.5%唾液1 mL，然后进行37 ℃恒温水浴。
④ 反应过程中，每隔1 min从3号试管中取出一滴反应液，滴在比色板上，加一滴碘液显色，待呈橙黄色时，立即取出5支试管，加碘液显色并比色，记录结果。
Ⅱ. 结果见下表：(表中※“＋”的多少表示颜色深浅)
试管编号处理12345
pH 5.006.206.807.408.00
结果(颜色※)＋＋＋橙黄色＋＋＋
请回答：
(1)实验过程中，为什么要选择37 ℃恒温？
(2)3号试管加碘液后出现橙黄色，说明什么？
(3)如果反应速率过快，应当对唾液做怎样的调整？
(4)该实验得出的结论是什么？
答案　(1)在实验中，只有在恒温的条件下，才能排除温度因素对实验结果的干扰；37 ℃是唾液淀粉酶发挥催化作用的最适温度。
(2)淀粉已完全水解。 　(3)提高唾液的稀释倍数　
(4)唾液淀粉酶的最适pH是6.80；高于或低于此 pH时，酶的活性逐渐降低。
解析　酶的活性可受多种因素的影响。该实验的目的是验证pH对酶活性的影响，遵循单一变量原则，必须控制其他因素(如酶的浓度、淀粉液的浓度、反应时间和温度等)保持在同一和适宜条件下。在该实验中，唾液淀粉酶发挥良好催化作用的最适宜温度是37 ℃，所以要选择37 ℃恒温。
在反应过程中，每隔1 min从3号试管中取出一滴反应液，用碘液检验反应情况。如果3号试管内反应液的蓝色刚好褪去，呈现橙黄色(碘液的颜色)，说明淀粉已经完全水解，应立即终止反应。如果反应继续进行，各种pH条件处理的反应液内的淀粉也将彻底水解，也就无法对比出不同pH下的酶活性的差异。选择3号试管进行试测，是由于唾液淀粉酶的最适pH是6.80(即3号试管内的处理)，3号试管内的酶活性最强，淀粉水解最快。
该实验是通过检验淀粉的水解程度来检验不同pH对酶活性的影响。如果反应速率过快，淀粉将迅速彻底水解，来不及检验，无法得出实验结果。因此反应速率过快时，可通过稀释唾液来降低反应速率。
通过对实验设计原理的理解和实验结果的简要分析，可以得出：在pH为6.80的试管内，反应液遇碘液后呈现橙黄色，表明该反应液中的淀粉已彻底水解；pH偏离6.80越远，蓝色越深，说明反应进行得越不彻底，酶活性越低，所以唾液淀粉酶的最适pH是6.80。
变式题 淀粉、蔗糖都是非还原糖。它们在酶的催化作用下都能水解成还原糖。还原糖能够与斐林试剂发生作用，生成砖红色沉淀。为了探索酶的催化具有专一性的特点，某中学研究性学习课题活动小组选取了淀粉、蔗糖、唾液淀粉酶、肠蔗糖酶、斐林试剂等，进行了如下图中甲、乙、 丙、丁4组实验，并作了实验记录。请分析回答有关问题。
(1)将上述实验装置放在37 ℃左右的恒温水浴中保持5 min后，如果分别向甲、乙、 丙、丁4组实验的试管中都加入斐林试剂并加热煮沸，观察到有颜色反应的是哪两组？　　　　；如果向甲、乙、 丙、丁4组实验的试管中都加入碘液，则呈现蓝色反应的是　　　　　。
(2)如果要证明淀粉酶具有专一性，则起对照作用的实验组是　　　　　。
(3)在整个实验过程中，甲、乙、 丙、丁4组试管都需要在37 ℃左右的水浴中恒温保持5 min，其目的是　　　　　　　　　　　　　。
(4) 如果以上述实验中的甲组来说明酶的催化作用具有高效性，则应怎样补充设计实验？
答案　(1)甲和丙　 丁　(2)乙　(3)提供酶发挥良好催化作用所需的适宜温度；排除温度变化对实验结果的干扰　(4)增加一支试管，加入无机催化剂(强酸或强碱)，其他添加物和反应条件应与甲组相同。
解析：解答此题的关键是明确探究对象，寻求恰当的实验组合。在（1）题中，淀粉酶能将淀粉水解成还原糖（麦芽糖和葡萄糖），蔗糖酶能将蔗糖水解成还原糖（葡萄糖和果糖），故甲和丙试管中加入斐林试剂并加热煮沸，可观察到砖红色沉淀产生。甲、乙、 丙、丁4支试管真只有甲和丁加入淀粉，而甲中淀粉已经被水解，加入碘液就只有丁试管呈现蓝色反应。
为了证明淀粉酶具有专一性，首先要确定正确的实验组合，在4支试管中，甲和乙为一个实验组合，可证明淀粉酶只能催化淀粉的水解，甲是对照租，乙是实验组；若甲和丁为一个实验组合，则是底物相同，酶的种类不同，可从另一角度证明酶的催化的专一性。
既然该实验是探索酶的催化具有专一性，遵循实验的单一变量原则，这里的变量应该是酶的不同或者底物不同，其他反应条件都应相同。37 ℃是酶催化的最适温度。
要用实验中的甲组来说明酶的催化作用具有高效性，只能另外添加一支试管进行实验处理。

第56讲 实验设计与评价（2课时）
实验设计是着重考查考生：确定实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计实验数据的处理方法和分析实验现象，得出正确的实验结论，以及对提供的一些实验方案进行评价等。无论是哪种类型的实验设计，都是根据实验提出的问题，运用已具备的生物学知识和实验基本技能，或者根据实验题目中给出的信息、提示，构思出解决问题的实验方案。近年对高考对实验与探究能力的考查已由原来单一的验证性的实验，转向了设计性、评价性、探究性的实验。
知识框架
1 实验必须遵循的三大基本原则：
（1）设置对照原则：在实验设计中，为排除无关条件的干扰，常常要设立对照实验。通过干预或控制研究对象，以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素同非处理因素的差异。常见对照方法主要有：
① 空白对照 不给对照组任何处理因素。如：在研究甲状腺激素促进蝌蚪发育实验中，先取等量的同龄且发育状态相同的小蝌蚪60只，分为两组放入容积相同的两个玻璃缸，加入等量的自然水和蝌蚪饲料；一组加入甲状腺激素，另一组不加任何药品，就是空白对照。
② 条件对照 给对照组施以部分实验因素，但不是所要研究的实验因素。如：在上述空白对照的举例中，如果取等量的同龄且发育状态相同的小蝌蚪60只，分为三组（编号甲、乙、丙）放入容积相同的三个玻璃缸，加入等量的自然清水和蝌蚪饲料；甲组加入甲状腺激素，乙组加入甲硫咪唑(甲状腺抑制剂)，是条件对照，丙组不加任何药品，是空白对照。
③相互对照 不单设对照组，而是几个实验组相互对照。例如：验证植物根对矿质离子有选择吸收的特性，可把蕃茄和水稻分别培养在成分相同的培养液中，过一段时间后，测定培养液中各种矿质元素离子浓度的变化，就会发现蕃茄吸收Ca多，吸收Si少；而水稻吸收Si多，吸收Ca少。以上就是两个实验组的相互对照。
④自身对照 对照和实验都在同一研究对象上进行。如：要研究植物根具有向重力性，茎具有背重力性，可把某一植株横放于培养基上，让其自然生长，经过一段时间后，便可观察到根向重力生长，茎背重力生长。这里，对照和实验都在同一个体上进行，属于自身对照。
（2）单一变量原则：控制其它因素不变，只改变其中一个因素，观察其对实验结果的影响。如探索温度对酶活性的影响时，只能改变反应的温度，其它如pH、酶浓度等就要完全一样。
（3）平行重复原则：对所做的实验在同样条件下，进行足够次数的重复，不能只进行1－2次便轻易得出结论。任何一项生物学实验，要有科学性，都必须能够重复，都必须经得起重复。
此外，还应注意科学性原则（指在设计实验时，必须要有充分的科学依据，也就是要以前人的实验为基础，而不是凭空设想，主观臆造）、简便经济原则（如，装置简单、实验步骤较少、使用材料用具少、实验时间较短等）等。
2 探究性实验和验证性实验的比较
探究性实验验证性实验
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研究对象的已知属性、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” 的形式表述，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性的解释 因结论是己知的，因此不存在假设问题
实验原理因探究内容而异因验证内容而异
实验过程应有的实验步骤实际上并未完成，因探究内容而异 实验步骤可以是曾经做过或尚未做过的，因验证内容而异
实验现象未知，可以不描述已知，应准确描述
实验结果预测对应假设，分类讨论。一般需讨论“如果出现结果①会怎样，如果出现结果②或③又会怎样” 。但有时也会出现“预测最可能的结果”的问题．此种情况应根据已有知识推测最合理的结果。无
实验结论无 对应实验目的做出肯定结论
复习策略
实验设计与评价是近年高考的亮点之一。它要求考生对实验原理，实验器材，实验步骤，实验数据处理的方法及分析实验现象，都必须有一个全面的了解。所以这部分内容的复习，要在基础实验熟悉中进行一个明显的层次提升。主要训练考生是否能够通过对实验原理的理解，利用提供的部分信息，对实验方案进行设计和补充，分析实验结果，做出正确判断。
使用建议
由于高考侧重于对实验与探究能力的考查，实验设计与评价类型的试题是近几年高考理综的一个热点和重点。因此，我们对实验的复习，应该立足于对基本实验方法、实验技能、实验思维的强化和巩固着手，培养我们的实验分析、实验改错、实验设计和具有在不同情景下迁移知识的能力。
编读互动
由于高考一方面是考查考生设计实验方案、验证生物学事实的能力，考查考生对实验结果分析、解释和推导结论的能力，以及根据某些实验条件和部分结果，推测下一步实验结果的能力；同时也考查考生对生物学实验中常以图、表等抽象形式所表达的生物学意义的理解能力，准确描述相关的现象、原理的能力。这种考查目标更适应对学生创新能力的自我展现。这就要求考生能明确掌握生物学实验设计的基本原则和基本步骤，惟其如此，才能设计出一个完整严谨的实验方案，也才能有根有据地分析解释实验结果、推导结论，根据部分实验结果推测、预期后续实验步骤的结果及理解、表述等。
课前热身
1 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（见下图）

（二）取一段胚芽箱中间部分，上面放合IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块（见下图）
（三）取步骤（二）下面琼脂块（a）的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧
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】 本题着重考查运用对照实验的原理和方法，来全面评价题中所示的实验方案，并将其完善以进行严密地论证。同时也考查考生将已经学过的知识通过解答高考试题，得到进一步的深化和发展，即在考试中再学习的能力，充分体现了高考必须“选拔具有潜在学习能力的学生”之功能。
求解该题应具备的基础知识虽然在新教材中已明确指出，但是要通过缜密而又周到的实验，对“生长素在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端向下端运输”的现象进行严密论证，则是一个有较高能力要求的问题。
科学实验必须遵循基本的实验原则，对照就是一个十分重要的原则。在实验设计中必须要有对照，以对所研究的有关生物学现象通过正反两个方面的实验观察和比较分析，由此得出的结论才无懈可击。
题中所示的实验步骤是将胚芽鞘中段正放情况下，证明生长素可从胚芽鞘上端向下端运输。而仅有这样一个实验是不够的，必须设置一个对照实验，即在其它条件、方法相同的条件下，将胚芽鞘中段倒放进行实验，观察结果，才能充分证明生长素在植物体内的运输特点。
【答案】 （2）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。
补充方法、步骤与结果（二）：取补充步骤（一）下面琼脂块（b）的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧。

2为了确定生长素类似物促进扦插枝条生根的适宜浓度，某同学用两种浓度的生长素类似物分别处理扦插枝条作为两个实验组，用蒸馏水处理作为对照组进行实验，结果发现三组扦插枝条生根无差异。参考该同学的实验，在下一步实验中你应该如何改进，才能达到本实验的目的?请说明理论依据。
解析：该题仍取材于教科书中的经典实验，但在能力要求上却有了明显的提升。题中已告诉某同学用两种浓度的生长素类似物和蒸馏水处理，三组扦插枝条生根无差异，说明配制的两种浓度的生长素类似物都不是促进扦插枝条生根的浓度范围。
由于生长素作用具有两重性的特点，即浓度过高或过低都不能促进扦插枝条生根。所以该实验改进的方法是增加一系列实验组，即配制一系列浓度梯度的生长素类似物，扩大实验浓度的范围，以寻找生长素类似物促进扦插枝条生根的适宜浓度。
答案：在某同学使用的两种浓度生长素类似物的基础上，分别在低于低浓度的范围设置一组浓度梯度、高于高浓度的范围设置一组浓度梯度，以及两浓度之间设置一组浓度梯度进行实验从而找到促进枝条生根的适宜浓度。
理论依据：生长素促进生根的浓度范围是一定的浓度过高或过低都不能促进生根。
考点整合:
1 实验设计方案应包括的的内容：
① 拟订实验题目：
② 提出假设：即对观察的现象提出一种可检测的解释。
③ 预期结果：即在检测一个假设之前，先提出实验的预期结果。如果预期没有实现，则说明假设不成立；如果预期得到实现，则假设成立。
④ 实验操作：根据实验的目的和提出的假设，来具体设计实验的方法步骤。
⑤ 观察记录：在实验方案中，要事先设计定时观察的内容和观察的次数，同时应按要求进行观察，并将观察到的现象和结果如实地记录下来。有的实验还需要采集数据。
⑥ 分析结论：对实验记录下来的现象、结果、数据进行整理、分析，有的可用图表表示出来。
在具体的实验设计中，还可根据实验题目的具体要求，选择的材料以及实验要用到的技术手段，作出灵活多样的考虑。

要点探究
探究点1 选择材料用具、设计实验装置、观察实验现象、预期实验结果、
【例1】下图是未完成的实验装置，请利用A、B、C三支试管、新鲜叶片和必要的辅助材料，设计一个证明光合作用吸收CO2 与呼吸作用释放CO2 的实验，并预计实验结果。(注:实验开始时,各试管中的指示剂均呈绿色。)
（1） 当A管用于证明光合作用吸收CO2的实验时，需要 ，指示剂呈 色。
（2）当B管用于证明呼吸作用释放CO2的 实验时，需要 ，指示剂呈 色。
（3）C管在实验中起 作用，指示剂呈 色。
（4）用几层纱布包上照光的D管，实验结果表明指示剂颜色没有发生变化，试分析其原因： 。
答案：（1）放入新鲜叶片，蓝色 （2）放入新鲜叶片并遮光，黄色 （3）对照，绿色
（4）光合作用吸收CO2的量与呼吸作用释放CO2的量相等（或光合速度等于呼吸速度；光合作用合成有机物的量等于呼吸作用分解有机物的量）
解析：求解该题的基本方法是：①审清题意（包括看懂图），找到解题的关键所在。②联系化学知识，判断实验中CO2的增加和酸碱度的变化，题中指示剂颜色的变化就可反映。③从未完成的实验装置中找出设计实验的思路、方法。该题中D试管的装置是最完整的，这就暗示了其它试管的装置设计。④在设计实验要证明某些问题时，为了排除无关条件的干扰，常常要设计对照。然后根据各小题的设问，逐次再进行分析，回答问题。
第（1）问：由于光合作用场所是叶绿体，在A试管内必须加入新鲜叶片。试管内的叶片给予了充足的光照和适宜的温度（25℃），在这样的条件下，光合作用吸收CO2 的量必然大于呼吸作用释放CO2的量。又因为叶片处于一个相对密闭的环境中，试管中CO2的含量便逐渐减少，指示剂逐渐变碱性，呈现蓝色。
第（2）问：呼吸作用是绿色植物一刻也不停顿地进行着的一项生理活动。要证明呼吸作用释放CO2，除了在B试管内放入新鲜叶片外，还应将试管进行遮光处理，以避免在光照下光合作用吸收CO2对该项实验的影响。在遮光并密闭的B试管环境中，随着叶片呼吸作用的进行，试管中CO2的含量便逐渐增多，指示剂逐渐变酸性，呈现黄色。
第（3）问：在该题中，C管在实验中起对照作用，就可以证明只有叶片加入试管才能有光合作用和呼吸作用，也才能有指示剂颜色的变化。C管内未放入新鲜叶片，光合作用和呼吸作用都不能进行，管内气体不发生任何变化，指示剂仍然呈现绿色。C管作为B管的对照，还必需与B管同时进行遮光处理。
第（4）问：D管由于有几层纱布包上并照光，顾管内叶片光合作用吸收CO2的量与呼吸作用释放CO2的量大致相等，因此管内指示剂颜色没有发生变化。
变式题 将青蛙脑破坏保留脊髓，在脊柱下部打开脊椎骨，剥离出脊髓一侧的一对脊神经根（包含一个背根和一个腹根，见下图）。分别电刺激背根与腹根均可引起蛙同侧后肢发生运动反应。已知背根含有传入神经，腹根含有传出神经，背根和腹根合并成脊神经。
请根据上述提供的实验材料（实验用具自选）设计实验步骤,并预测实验结果，以分别验证背根具有传入功能，腹根具有传出功能。
答案 实验步骤1：在背根中央处剪断（或用麻醉药阻断），分别电刺激背根向中段、外周段，观察蛙后肢是否发生运动反应。
预期结果：电刺激背根向中段发生蛙后肢运动反应；电刺激背根外周段不发生反应，说明背根具有传入功能。
实验步骤2：在腹根中央处剪断（或用麻醉药阻断），分别电刺激腹根向中段、外周段，观察蛙后肢是否发生运动反应。
预期结果：电刺激腹根向中段不发生反应，电刺激腹根外周段应发生蛙后肢运动反应，说明腹根具有传出功能。
解析 本题材料虽来自学生在初中所学过而又基本遗忘的知识，但题中的图文都明确给出了求解该题所必需的背景知识：脊神经是混合性神经，其背根由感觉（传入）神经纤维组成，腹根由运动（传出）神经纤维组成。因此该题不仅考查对模式图的阅读和理解能力，更突出对逻辑推理和论证能力以及探究思维过程的考查。
因此，在缺乏对探究性对象的了解和对探究性实验的准备不足情况下，面对这样的试题，首要是平和自己的心态，在细心阅读和冷静思考中，寻找破题处。
然后简要梳理出回答该题所需要的背景知识：一个反射活动的完成是建立在完整的反射弧的基础上，按照神经冲动传导的方向，反射弧包括5个环节，即：感受器→传入神经纤维→神经中枢→传出神经纤维→效应器。该题中“蛙后肢发生运动反应”的中枢在脊髓。
既而作推理性的分析：既然脊神经的背根含有传入神经，要验证背根具有传入功能，可将背根在中央处剪断，然后分别电刺激背根的向中段（朝脊髓方向）和外周段（朝感受器方向），观察蛙后肢是否发生运动反应。同样要验证腹根含有的传出神经具有传出功能，也可将腹根在中央处剪断，然后分别电刺激腹根的向中段和外周段，观察蛙后肢是否发生运动反应。
探究点2 设计实验方案，验证实验原理
【例2】（2000年?浙江?25）血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，缺乏则血液不能凝固，草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝作用。请根据提供的实验材料和用具，简要写出第二步以后的实验步骤和实验结果，验证钙离子在血液凝固中的作用，并回答问题。
一、实验材料和用具：（1）家兔 （2）生理盐水 （3）酒精棉 （4）适宜浓度的草酸钾溶液 （5）适宜浓度的氯化钙溶液 （6）试管、注射器（针管、针头）
二、实验步骤和实验结果
第一步：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水（见下图）
第二步：......
问题：设置B管的目的是 。
答案：第二步：用酒精棉消毒（家兔耳廓缘静脉），用注射器取兔血（1-2mL）
第三步：立即将等量的鲜血分别加入到A、B试管中，经过一段时间后，
结果：A管：不凝固，B管：凝固
解析：本题试图以初中学过的有关血液凝固的知识为材料，要求通过设计实验程序、观察实验结果，来验证题目中提供的材料所告知的生物学事实。该题着重考查推理能力、收集处理信息的能力以及语言文字的表达能力等，是一道综合分析能力较强的实验题。
求解该题的基本程序是：① 明确实验目的和要求，联系实验原理 在认真阅读试题后，清楚题目中所要验证的生物学事实是：血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用（这个背景知识非高中所学内容，故题中作了交代）。
② 确定实验思路 仔细审查题目中提供的实验材料和用具，初步设想一下这些材料、用具在该实验中可能起的作用是什么？观察血液中有钙离子和无钙离子这两种情况下，血液的凝固情况，以验证钙离子在血液凝固中的作用。
③ 完成实验设计和分析 根据题意，在已设置好的第一步之后，把实验步骤有序地补充完整。
从题中第一步已经知道，A、B两支试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水。题中也告诉草酸钾能与血液中的钙离子形成草酸钙沉淀，起抗凝作用；而生理盐水则相当于人体内的细胞外液，不影响血液中钙离子的作用。因此，如果A、B两支试管中分别加入新鲜血液后，会出现A试管中血液不凝固（血液中的钙离子与草酸钾发生了反应），B试管中血液凝固的现象。由B试管对照（第一次对照）组可说明，缺乏钙离子血液不凝固，有钙离子血液能凝固。
如何肯定是血液中的钙离子而不是其它物质在血液凝固中起作用？可由题中提供的材料再做一次对照（即第二次对照）实验。即在A试管发生沉淀之后加入一定量的氯化钙溶液，至钙离子完全与草酸钾发生反应，继续加入氯化钙就会发现A试管中血液发生了凝固。从A试管加入氯化钙前后的现象对比，便可以验证在血液凝固中起作用的是钙离子而非其它物质。
在这个实验步骤的完成中，还必须注意取鲜血的方法，实验程序以及语言文字表达的简练、准确性。
变式题 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：
正常实验小白鼠2只，生理盐水，用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性试剂，注射器，试管，烧杯等。
（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：
答案（二）实验步骤：（l）确定1只鼠为实验鼠，腹腔注射胰高血糖素溶液；另一只鼠为对照鼠，腹腔注射等容量生理盐水。 （2）将两支试管分别编号为1号和2号，各加入等量的班氏糖定性试剂。
（3）给药1小时后，对两只小白鼠采尿液，实验鼠尿液放入1号试管内，对照鼠尿液放入2号试管内。
（4）将两支试管摇匀后，放入盛有开水的烧杯内加热煮沸，待冷却后，观察两支试管溶液颜色的变化。
（三）实验结果的预测、解释和结论：
l号试管中应该出现砖红色沉淀，表明实验鼠尿液中有葡萄糖；2号试管中仍为蓝色溶液，表明对照鼠尿液中无葡萄糖。
实验结论：实验鼠血糖升高，超过一定数值而出现糖尿，是胰高血糖素具有升高血糖的生理作用所引起的。
解析 ：题目中给出的班氏定性试剂，是用于检测还原性糖如葡萄糖的。实验提示：提取小白鼠尿液，通过尿液中含有葡萄糖可以推测小鼠血糖已超出一定数值。为提高实验的科学性和实验信度，实验设计过程中对照是必不可少的，对照组和实验组通常只能一个条件是不同的，所以给实验鼠腹腔注射胰高血糖素溶液的同时应注意给对照鼠腹腔注射等量生理盐水
探究点3 对实验设计方案进行评价与矫正
【例3】为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么？再写出你的设计思路。
（1）实验一：取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器进行培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。
答：
（2）实验二：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水，实验组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
答：
（3）实验三：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。
答：
（4）下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。
答：
答案：（1）不能。因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需的矿质元素而使两组植物生长均不正常。
（2）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。
（3）不能。因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。
（4）取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含植物必需的各种矿质元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气。观察比较两组植物的生长发育情况。
解析：该题提供的三种实验设计思路中，均含有程度不同的合理成分，在逐一评价时，不仅要重视分析和阐明实验设计不能取得预期结果的原因，而且要关注实验设计思路中隐含的合理成分，从而为提出一个合理的实验设计思路创造条件。
在设计实验一中，该同学知道要以合适的容器进行溶液培养，但不了解缺素培养的正确方法。蒸馏水和以蒸馏水配置的镁盐溶液都缺乏植物生活所必需的各种矿质元素，因而使两组植物均不能正常生长发育，从而无法进行比较，也就不能确定镁是否是必需元素。
在设计实验二中，该同学未注意到培养基中是否可能有镁离子存在。砂性土壤会含有各种矿质元素，不能保证缺素培养的严格性。在这样的情况下，浇蒸馏水和蒸馏水配置的镁盐溶液无助于实验的正确进行。
在设计实验三中，该同学知道要以完全培养液和缺乏该元素的“完全培养液”来培养对照组和实验组植物，但忽略了肥力均匀的砂性土壤中是否存在镁元素。因此，对照组和实验组的培养基中都因存在镁元素而不能达到实验目的。
根据上述分析，三个实验方案的思路均不能达到预定的目的。要得出正确的实验设计思路，可从三个实验方案中除去错误之处，取其正确的方面，组成完整简短的答案。
变式题 [2006年天津卷-31（2）] 绝大多数微生物最适生长温度为25～37℃。为了探究培养温度对谷氨酸棒状杆菌代谢产物（谷氨酸）合成量的影响，设计如下实验。在实验中有4处错误，分别标以①、②、③、④，请依次分析错误原因。
第一步：设定培养温度为28℃、29℃、30℃。①
第二步：将菌种接种到灭菌后的液体培养基中，分别在设定的温度条件下密闭培养。②
第三步：在衰亡期定时取样，分别测定谷氨酸合成量，记录结果并绘制曲线。③
实验结果预测及结论：若在30℃培养条件下，谷氨酸合成量最大，则认为，30℃为该细菌合成谷氨酸的最适培养温度。④
答案：（2）① 温度设定范围过窄。 ② 谷氨酸棒状杆菌是好氧细菌，不应密闭培养。
③从调整期至衰亡期均有谷氨酸的合成，故取样时期有遗漏。 ④实验结果有局限性，合成谷氨酸的最适培养温度有可能高于30℃。
解析：该题重点考查了对给定的实验方案进行评价和修改。依次分析可寻找出该实验方案中的错误及原因。① 由于绝大多数微生物最适生长温度为25～37℃，所以在第一步设定培养温度时，至少应有低于25℃和高于37℃的培养温度。② 谷氨酸棒状杆菌是好氧型细菌，在培养过程中应不断进行通气。③ 在利用谷氨酸棒状杆菌发酵时，虽然群体生长的4个时期都有谷氨酸的生成，但以稳定期谷氨酸的积累量最多。④ 由于第一步温度设定范围过窄，高于30℃的培养条件下的合成量无法得知，所以实验结果会有明显的误差，也就不能确定30℃为该细菌合成谷氨酸的最适培养温度
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