生物实验设计题的解题思路与技巧.doc

生物实验设计题的解题思路与技巧四川省广汉中学 管于春摘要：高考实验能力的考查，明确指出要求学生能够通过简单的实验设计验证或探究某些生物学现象。因此，本文结合自己的教学实践，就如何指导学生做好简单实验设计，从实验设计的内容、解题思路与注意技巧方面，作了一些初步的探讨。关键词：实验设计 解题思路 注意技巧高考实验题的创新设计，正在由验证性实验向探究性实验的方向突破和发展，并将成为今后一段时间内实验命题的方向和热点。那么，如何才能答好生物实验设计题，取得优秀的分数呢？这就必须了解一份完整的实验方案的设计，掌握实验设计的基本思路和技巧，在理科综合实验能力测试中就能够做到有据可依，有法可循，总体考虑，综合分析，达到事半功倍，获得高分的效果。本文结合自己近几年的教学实践，谈谈生物实验设计题的基本解题思路与技巧。1什么是实验设计所谓实验设计，就是要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验的现象等。但在理科综合能力测试中由于受时间和卷面的限制，实验设计能力考查无法面面俱到，或者是考查实验步骤的设计、续写或修改，或者是实验现象的观察和分析，或者是实验数据的加工和实验结果的分析，或者是考查实验结果的预期与讨论，或者是实验装置的检验或改进等等。2实验设计的基本内容设计一个较完整的实验方案一般应包括：明确实验目的确定实验变量分析实验原理提出实验假设落实实验用品设计实验步骤预测实验结果得出实验结论3实验设计的基本解题思路31明确实验目的，分清实验类型明确实验目的就是要弄清“做什么”的问题，即探究或者是验证什么生物学现象或原理。明确实验目的才能明确运用哪一原理进行实验设计，才能明白实验设计中哪一因素是实验变量。例如“设计实验验证烟草花叶病毒的遗传物质是RNA而不是蛋白质”。此实验原理或实验思路与教材中“肺炎双球菌转化实验”、“噬菌体侵染细菌实验”的实验原理相同，因此采用教材中相似的实验设计思想：将烟草花叶病毒的RNA和蛋白质分开，单独观察它们的作用。再如“探索温度对酶活性影响的实验”，探讨的问题是温度与酶活性之间的关系，那么在实验设计中，“温度”这一因素应是实验变量。实验设计一般有两种类型：验证性实验设计和探究性实验设计。验证性实验具有明确的结果，通过实验加以验证；而探究性实验的现象和结果是未知的或不确定的，应针对多种可能分别加以考虑和分析，得到相关的结论。如2002年高考广东卷第37题“探究淀粉和碘液能否通过人工膜”；2003年安徽春季高考卷第21题“探究光的有无对种子萌发的影响”就属于探究性实验设计。32 找出两类变量，确定对照类型321找出两类变量在实验过程中，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：实验变量与反应变量：实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。反应变量，又称因变量，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、适温和高温条件的变化，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。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。实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。322确定对照类型通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又增强了对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。实验组是接受自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量处理的对象组，一般是随机决定的。如“探究光对种子萌发的影响”，接受光处理的种子是实验组，不接受光处理的种子为对照组。设置对照通常有以下四种方法：空白对照：设计一个不加任何实验处理的对照组。即不给对照组做任何处理因素。自身对照：指实验组与对照组都在同一研究对象上进行，即不另设对照组。如“植物细胞质壁分离和复原的实验”是典型的自身对照实验，这种对照实验的关键是比较实验前后的变化。条件对照：给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。如在“验证甲状腺激素促进幼小动物的个体发育”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：饲喂甲状腺素抑制剂（条件对照组）丙组：对蝌蚪不做任何处理（空白对照组）相互对照：指不另设置对照组，而是利用几个实验组相互对照。如证明植物根向地生长实验中不同方向放置的玉米种子之间的对照。根据实验要求，凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中，一般都需要设计对照实验。了解常用对照的类型，有利于学生在实验设计时针对不同的情况加以设置。33理解实验原理实验原理决定着实验中主要实验步骤的设计及相应实验试剂的选择。如“设计实验验证唾液淀粉酶是蛋白质”的实验。这一实验的实验原理同教材中常规实验“生物组织中蛋白质的鉴定”实验原理相同，因此可用双缩脲试剂与唾液的呈色反应来验证这一问题，明确了这一原理之后，也就明确了其主要实验步骤与“蛋白质成分的鉴定”类似。34提出假设和预期假设：是“可能会怎么样”，并对可见现象提出一种可检测的解释。具体为：提出假设寻找证据符合事实（不符合事实）假设成立（假设不成立）。预期：在检测提出的假设以前，先提出实验的预期结果（一个假定的结果），若预期没有实现，则说明假设不成立；若预期得到实现，则假设成立。35恰当选取实验材料正如孟德尔选择豌豆作为实验材料是其遗传实验成功的原因之一一样，正确的选材决定着实验的成败。实验的选材是受实验原理、实验目的制约的。如“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”实验目的是鉴定组织中存在可溶性还原糖，因而，取材应注意含糖量要高。鉴定的原理是“还原性糖与斐林试剂的呈色反应”，为使呈色反应易于观察，所选材料最好无色透明；又如“叶绿体中色素的种类及颜色”实验，所选材料应当是色素含量高的材料（新鲜菠菜）；“植物细胞质壁分离与复原实验”的选材应注意两点：一是所选材料必须有大液泡存在；二是为了便于观察，所选材料的细胞液最好有一定颜色。36细心研究实验条件和器材完成这一实验所必需的理化条件及生物学处理方法。如光照、温度、PH值、酶、缓冲剂、离心等。认真研究实验装置设计的严密性和合理性；在实验设计中，用具及材料的选择是十分重要的，要根据实验所提出的问题和要求，联系命题者所提供的器材，准确判断和选取实验所需的用具及材料。37合理设计实验步骤实验步骤的构思一般是：材料准备与前处理分组、编号对不同（或同一）对象施以不同的处理（对照原则）结果观察（或预测）、记录根据结果（现象）进行分析，得出结论实验步骤有一定的顺序，要注意实验步骤的关联性和实验操作的程序性。实验步骤的前后顺序一般不能颠倒，特别是关键环节。不同的操作顺序导致不同的结果并影响实验的严密性。如“PH值对酶活性的影响”实验，操作时必须先将酶分别置于不同的PH值中，再加入淀粉溶液。又如“还原性糖鉴定实验”中，先将斐林试剂甲液和乙液混合以形成Cu(OH)2后，再加入组织样液中，而“蛋白质的鉴定实验”中，先加入双缩脲试剂A液（NaOH）以创造碱性环境，再加入B液。再如利用碘液检测淀粉酶是否将淀粉完全水解，如果操作顺序为：淀粉+碘液+淀粉酶，再水浴加热一段时间。这样操作碘与淀粉结合呈蓝色络合物将影响淀粉酶对淀粉的水解，同时碘液会影响酶的活性。即使蓝色褪去也只能说明淀粉酶将络合物水解，无法排除碘对实验的影响，使实验的严密性欠缺。如在“探索温度对酶活性影响”的实验中，应“将三支试管先分别放入37、0、沸水中5分钟后再加淀粉酶”还是“先向三支试管中加入唾液后再将三支试管分别放入37、0、沸水中”呢？表面看两种操作无多大差别，其实前者的操作是正确的，因为如果先向盛有淀粉溶液的试管中加入唾液，此时唾液中淀粉酶对三支试管中淀粉均起消化分解作用。在实验步骤的构思或表述中一定要遵循科学性原则、可操作性原则、对照性原则、单因子变量原则。38观察和收集数据：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，并将观察的现象和结果如实地记录下来。39预测和分析实验结果，得出结论：对记录的数据（包括现象、结果），进行整理分析，一般常用的表达方法有文字描述、表格、坐标曲线、画出观察图象等，然后进行推导得出结论。4实验设计中的注意技巧41实验组别的编号：凡实验中涉及到两组或两组以上，需用1、2、3或A、B、C或甲、乙、丙等加以编号便于区分。42实验现象的观察：找准实验观察的对象并准确描述。如“比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率”实验中，观察的实验现象为气泡的大小和气泡产生的速率；又如测定植物光合作用及其强度，依不同的实验材料等因素确定观察现象。若水生植物可依气泡的产生量或产生速率；离体叶片若事先沉入水底可依单位时间内上浮的叶片数目；植物体上的叶片可依指示剂（如碘液）处理后叶片颜色的深浅。再如2002年上海卷43题“不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响”请回答：（1）采用何种指标来确定香烟浸出液对水蚤的影响？（4）设计一张表格用于实验时记录数据。本题就考查如何确定实验观察的对象。43实验结果的表达：针对实验现象，分析单一实验变量对结果的影响并选用文字、表格、坐标曲线图等形式进行具体、准确表达。如上述上海卷43题也考查以表格形式来记录数据，呈现结果。在预期实验结果时，注意验证性实验具有明确的实验结果和结论；而探究性实验的现象和结果是未知的或不确定的，应针对多种可能分别加以讨论和分析，得到相应的结论。如2002年高考广东卷第37题“探究淀粉和碘液能否通过人工膜”，其预期结果就有四种可能。44对照实验的科学性对照实验中除变量外，其他条件应相同，同时要确保实验的正常进行。如2002年理综高考卷第23题“验证镁是植物生活的必需元素”，实验一的设计思路为对照组：蒸馏水，实验组：蒸馏水+Mg2+。该实验不能达到目的是由于蒸馏水中缺乏植物必需矿质元素而使两组植物均不能正常生长（即不能保证实验的正常进行）。甲乙乙甲AA BA BB图一图二排除实验因素对结果的干扰，如上述实验二、三设计思路：在土壤浸出液中加入或不加入Mg2+，同样不能达到实验目的是因为土壤浸出液中含有Mg2+，不能排除Mg2+对实验结果的干扰。其实该实验变量由Mg2+有无变成了多少，这也是错误的。又如2003年理综高考卷第27题“验证背根具有传入功能，”，在背根上取两点分别给予电刺激之前，必须将这两点间的背根剪断，以排除实验因素（即背根上相连两点）的相互干扰。45语言的准确描述451在实验设计中，学生一般在时间、温度、物质的量上难以做到准确的量化描述，故尽可能用“定性”的语言表达，在实验步骤表述中巧用下列词语：如“一段时间”、“适宜的温度”、“适量的”、“一定量的”、“等量的”、“相同条件下”、“适宜条件”等。452 注意避免“词不达意”。如图一，有些学生描述为“分别在甲、乙两试管中加入A、B物质”，如此表达则成了图二的含义，显然与图一不符。准确的描述应为“在甲乙两支试管中分别加入A、B物质”或“在甲试管中加入A物质，乙试管中加入B物质。”总之，解生物实验设计题时，既要掌握答题的基本思路（准确地把握实验目的确定实验变量设置实验变量理顺设计思路表达实验步骤找准观察对象预测和分析结果得出实验结论），同时又要了解实验设计中的注意技巧，并结合实践多训练，定能提高实验设计能力。例（2002年上海卷）某生物学兴趣小组开展“不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响”的课题研究。他们已将香烟和蒸馏水按照1：1的重量比浸泡24h，过滤后的滤液作为原液。如果你是其中一员，请回答：1） 采用何种测定指标来确定香烟浸出液对水蚤有无影响？（只要1种指标）。2） 做该实验时必备的实验器材是_。3） 写出实验的主要操作步骤_。4） 设计1张表格用于在实验时记录数据。【思路方法】本题主要考查探究性实验的设计。基本解题思路如下：明确实验目的确定实验变量分析实验原理提出实验假设落实实验用品设计实验步骤预测实验结果得出实验结论实验目的：探究不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响。实验原理：烟草细胞中所含烟碱、焦油等对动物有毒害作用（生物学科知识定位），通过测定不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响，如：每分钟心跳次数，单位时间内的死亡率或相同的水蚤全部死亡所需要的时间等任一种明确的、可量度的指标进行评价。实验假设：假设香烟浸出液中含有烟碱等有毒物质，对水蚤生命活动有重大影响。实验预期：香烟浸出液浓度越高，单位时间内水蚤死亡率越高（或心跳次数越慢）。实验变量：不同浓度的香烟浸出液。反应变量：水蚤的运动速度、单位时间内水蚤死亡率（心跳次数）的变化等