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生物实验设计专题讲座一、实验的原则（1）对照性原则：只有比较才能看出差异，只有通过对照才能验证我们的推论，因此，在实验设计中，一般都要设置对照组。设置对照的目的通常有两种情况，一种是为了说明问题，验证推论；另一种是为了消除或减少实验误差。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与非处理因素的差异。设置对照组有3种方法：空白对照：即不给对照组做任何处理，或虽给对照组施以部分实验因素，但不是所研究的实验处理因素；如要验证甲状腺激素的作用，则对照组动物不做任何处理，让其自然生长，而对照组饲喂甲状腺激素制剂或甲状腺抑制剂，以观察甲状腺激素的作用；自身对照：指实验组和对照组都在同一实验对象上进行。如观察植物细胞的质壁分离和复原实验中，对照组即正常的洋葱表皮细胞和实验组即质壁分离和复原的细胞是同一组细胞，是典型的自身对照实验。相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。如“比较过氧化氢酶和Fe3+催化效率”实验中，分别用过氧化氢酶和Fe3+去催化过氧化氢分解，进行相互对照，以得出酶的高效性结论等。通常采用空白对照的原则：即不给对照组以任何处理因素。但是要注意，不给对照组以任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对对照组也要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素而已。如探索光对种子萌发的影响中，实验组不给光照，对照组给予光照，其他的如空气、水分、温度都要适宜且相同。（2）随机性原则：实验设计中的随机性原则是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。这样做是由于：可以消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。（3）平行重复原则：平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。如果重复实验结果不一样，则不能得出结论，只能是偶然的结果。（4）单因子变量原则：单因子变量原则上指实验组和对照组的处理只能有一项条件不同，其他条件都应相同。即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。例如：在验证酶是催化剂的实验中，A试管加入淀粉酶，在对照试管（B试管）中应加入等量的清水；观察温度对酶的影响时，各组其他条件一样，只有温度不同。观察pH对酶的影响时，各试管只能是pH不同，其他如温度、酶、反应物的量等必须相同。（5）平衡和消除额外变量原则例如：BTB溶液在中性条件下呈绿色，酸性条件下呈黄色，碱性条件下呈蓝色。现有水草、试管、绿色BTB溶液、黑纸等实验材料和用具，试设计实验证明光合作用需要光。 图1如图1所示，设A、B两组时不能排除BTB溶液在照光时可能变蓝，故需设置C组（只放BTB溶液，不放水草，置光下）。以平衡和消除额外变量对实验结果的影响。（6）科学性原则例如：以CO2为指标，设计并测定植物呼吸速率的实验如图2所示 图2（1）为什么要遮光？消除绿色植物光合作用吸收CO2对实验的干扰。（2）Ca（OH）2溶液的应用：前者是检验空气中CO2是否完全被NaOH吸收；后者是检验植物是否进行了呼吸作用，并可对生成物作干燥处理后进行定量分析。（7）可行性原则设计步骤简单方便，材料易获取，条件易控制，又能说明问题。例如：验证酶专一性的实验中，用唾液淀粉酶（或商店售的淀粉酶），而不用胰淀粉酶或肠淀粉酶（不易获得）二、实验设计的相关概念1 实验目的 要探究或者验证的某一事实，实验设计的每一步操作都是为实验目的服务的。2 实验假设 “假设”，也称假说或猜测，是指用来说明某种现象但未经证实的论题，也是对所提出的问题作出的参考答案，即依据发现的事实材料或科学原理，通过创造性思维，提出初步假定。如“孟德尔分离现象解释验证”的测交实验中，提出的假说是：“FI（Dd）产生配子时，因等位基因分离，使得 FI产生含基因D和基因d的两种配子，且其数目相等。”再如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验中，提出的假说应为： 当细胞外溶液浓度细胞液浓度细胞失水 当细胞外溶液浓度细胞液浓度细胞吸水3 实验原理 进行实验依据的科学原理4 实验变量变量 亦称因子,指实验操纵控制的特定因素或条件。按性质不同,通常有以下两类4种变量:（1）实验变量（自变量）与反应变量（因变量）：实验变量指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。反应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。实验的目的即在于捕获解释这种前因后果。例如,在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中,所给定的低温(冰块)、适温(60)、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反应也随之变化,这就是反应变量,该实验即在于捕获解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系及其经验事实。（2）无关变量（控制变量）与额外变量（干扰变量）：无关变量指实验中除实验变量以外的影响实验变化和结果的因素或条件。额外变量指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然,额外变量会对反应变量起干扰作用。例如,上述实验中除实验变量(低温、适温、高温)以外,试管洁净程度、唾液新鲜程度和稀释浓度、可溶性淀粉溶液浓度、试剂溶液的剂量和浓度、实验操作程序、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额外变量,出现干扰,造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量和减少额外变量。单一变量原则 是处理实验中复杂变量关系的准则之一。它有两层意思:一是确保“单一变量”的实验观测,即不论一个实验有几个实验变量,都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量;二是确保“单一变量”的操作规范,即实验实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如,上述实验遵循单一变量原则,第一在观测上要做到:低温处理观测记录低温下的变化和结果,适温处理观测记录适温条件下的变化和结果,高温处理观测记录高温下的变化和结果,反应变量不能混淆;第二在操作上要做到:对3个实验一要在预先的低温、适温、高温条件下做实验处理,常见的错误是先在常温(譬如25)下做处理再放到低温、适温、高温条件中进行观测,这样就混入了“常温”这个无关变量及额外变量。总之,实验设计、实施的全过程,都应遵循单一变量原则。5 实验中的对照就是控制其他因素不变，而只改变其中一个变量，观察其对实验结果的影响。对照与实验对照原则 对照是实验控制的手段之一,目的仍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：亦称控制组,对实验假设而言,是不接受实验变量处理的对象组。一个实验通常分为实验组和对照组（控制组）。实验组是施加实验变量处理的被试组；对照组是不施加实验变量处理的对象组，两者对无关变量的影响是相等的，两组之间的差别，被认为是来自实验变量的结果，如 2005年春季高考 3题中为研究光对幼苗生长的影响时实验变量应为撤掉光照，因而暗处生长的小麦幼苗应为实验组，而自然状态（即来接受实验变量处理）的小麦幼苗应为对照组，通过对照组能增强实验的信度。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“生物组织中可溶性糖的鉴定”的实验中,假如用两个试管，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,增加了说服力。（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。如“植物细胞质壁分离和复原”实验,则是典型的自身对照。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，或不是所要研究的处理因素。例如,“动物激素饲喂小动物”实验,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。该实验既设置了条件对照,又设置了空白对照,通过比较、对照,更能充分说明实验变量-甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。（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。如“植物激素与向光性向重力性实验”中,所采用的都是相互对照,较好地平衡和抵消了无关变量的影响,使实验结果具有说服力。6 观察的指标实验的本质是通过实验现象来推测实验结论，不观察记录现象的实验是没有任何意义的，所以实验方案的最后一步一般是确定观察的指标，记录实验现象。观察的指标应是容易观察的，容易测量的，如颜色变化、单位时间气泡产生量等等。7 实验的预期、结果和结论（1）预期 “预期”是在实验设计方案确定以后，实验正式实施之前，根据假说和原理，对实验可能出现的结果的判断，是依据提出的假说进行推理，得出假定性结果或推论，即“假如假设成立，则应有何种结果”，如“孟德尔分离现象验证实验，假如假说成立则有测交的后代应出现Dd与dd为1：1的结果，即高茎与矮茎数量比应为1：1”，而“观察植物细胞质壁分离与复原实验”中，假若假设成立，则应有处于高浓度（30）蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞因不断失水质壁分离，而处于清水中的已分离细胞因细胞吸水质壁分离复原 （2）结果： 结果应为实验实际出现的情况，如“孟德尔分离现象解释实验”中出现的结果为“得到的64株后代中，30株高茎，34株矮茎，两种性状分离比为1：1”而“质壁分离复原实验”中处于30蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞果真发生了质壁分离，而处于清水中的已分离细胞果真发生了复原现象。 （3）结论： 结论的得出须依据实验结果，即若出现的结果与预期结果一致则得出与先前的假说一致的结论或“假说成立”，若实验出现的结果与预期结果不符，则得出的结论应为“假说不成立”。由此可知，“假设”应对应“结论”，“预期”应对应“结果”，在实验讨论时应注意描述的科学性即“如果出现何种结果，则应有何种结论”，例如用检测呼吸装置的红色液滴检测酵母菌呼吸类型时，应为若液滴向左移动则推出什么结论，若液滴向右移动则推出什么结论，而不能描述为“若为有氧呼吸，则液滴向哪移动”，再如在验证淀粉，碘液能否通过半透膜时应描述为“若袋内外液体均变蓝（结果或现象），则淀粉、碘液均能通过半透膜。”而不能描述为“若淀粉、碘液均能通过，则袋内外液体均变蓝”。三、生物实验方案设计的“四步曲”生物实验设计是高考的重点，又是难点，其中最难的是具体方案的设计。许多学生感到无从下手，在考试中得分较低。笔者在教学中总结了生物实验方案设计的“四步曲”，供参考。第一步：选材分组、编号选材应同质，即所选材料应该形态、大小、生理状态一致。例如，动物多选用同窝纯种或纯系动物，种子常选用同株所结的大小一致的种子。这样可以排除实验材料的不同对实验结果的影响。材料选好后，应该随机均匀地分配到实验组、对照组。至于实验材料到底应该分几组，应根据实验目的来确定。生物实验设计都要遵循对照的原则，对照的方法有四种：自身对照、空白对照、条件对照、相互对照，相应的材料可分为一组（自身对照）、两组（实验组、空白对照组）、三组（实验组、空白对照组、条件对照组）、五组（相互对照）。第二步：对实验组、对照组的处理这一步的关键是确定好实验原理和实验变量。实验原理是科学上已证明的定理、定律，是进行实验设计的理论依据。生物实验应遵循单因子变量的原则，即实验组和对照组只能有一个条件不同，这个不同的条件就是实验变量，而其它条件应该相同且适宜。准确地确定实验变量是答好这一步的关键。如设计一个实验验证“Mg是植物必需的矿质元素”，实验原理是采用“溶液培养法”，实验变量是Mg，实验组应用缺Mg的完全培养液，对照组应用含Mg的完全培养液，而其它条件如材料、光照、温度等条件应相同。第三步：培养或饲养 各组在其他条件相同且适宜的条件下，培养（植物或微生物）、饲养（动物）或反应（鉴别物质）一段相同的时间，该步要注意控制好无关变量，保证实验遵循单一变量原则。第四步：观察记录现象 实验的本质是通过实验现象来推测实验结论，不观察记录现象的实验是没有任何意义的，所以实验方案的最后一步一般是确定观察的指标，记录实验现象。观察的指标应是容易观察的，容易测量的，如颜色变化、单位时间气泡产生量等等。例1：（2004理四川理综）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： 解析：题目提供的小白鼠有两只，可分两组，即一个实验组，一个空白对照组。本实验的目的是研究胰高血糖素的生理作用，因此实验变量是胰高血糖素，根据实验提示，实验组应采用腹腔注射适量胰高血糖素的方法给药，对照组应用等量的生理盐水代替胰高血糖素。给药一段时间后，才能取两只小白鼠的尿液，以保证药物充分地发挥其生理作用。最后用班氏糖定性试剂检测尿液中是否含有葡萄糖。检测的方法是将尿液与班氏试剂放入试管内进行水浴加热煮沸，待冷却后，观察两支试管的颜色变化，如果出现砖红色沉淀，表明尿液中有葡萄糖；如果试管中仍为蓝色溶液，表明尿液中无葡萄糖。整个实验过程必需注意给药的量、两试管加入的班氏试剂的量应相等。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。例2：（2007理四川理综）萝卜的生长发育过程受多种激素的共同调节，其中细胞分裂素起着重要作用。（1） 细胞分裂素主要存在于_ _的部位，其主要生理功能是促进_和_。 （2）研究还发现，氨基酸等营养物质可以向细胞分裂素浓度高的部位移动。为验证这一结论，有人设计了下列实验方案。请根据提供的实验材料和用具，写出第二步及以后的实验步骤并预测实验结果。材料用具：生长状况相同的萝卜成熟叶片若干，适宜浓度的细胞分裂素溶液，含14C 标记氨基酸的溶液（氨基酸可被叶片吸收并在叶片内移动），蒸馏水，棉签，检测放射性强度的设备等。实验步骤：第一步：取生长状况相同的萝卜成熟叶片若干，在叶片左半叶某一部位涂抹含14C 标记氨基酸的