生物实验设计探究专题

生物实验设计探究专题第一页，共五十九页，2022年，8月28日一.《高中生物课程标准》中的实验安排《高中生物课程标准》指出：教师应尽可能多地让学生参与实验和其他实践活动。1.高中生物实践活动包括：*以教师操作为主的演示实验；*以学生动手为主的观察、验证和探究实验；*以实验探索为核心的研究性学习；*以个性发展为目标的特长生动作技能训练2.学生实验的安排必修部分的各个模块选修1“生物技术实践”第二页，共五十九页，2022年，8月28日《标准》必修部分的活动建议活动类型活动项目观察实验观察DNA、RNA在细胞中的分布观察线粒体和叶绿体观察细胞的减数分裂观察植物细胞的质壁分离及复原生理实验检验生物组织中还原糖、脂肪和蛋白质叶绿体色素的提取与分离探究影响酶活性的因素探究酵母菌的呼吸方式低温诱导染色体加倍的实验探究植物生长调节剂对扦插枝条生根的作用模拟实验通过模拟实验探究膜的透性模拟探究细胞表面积与体积的关系模拟植物或动物性状分离的杂交实验利用计算机软件模拟人体某方面稳态的维持模拟尿糖的检验第三页，共五十九页，2022年，8月28日续表：活动类型活动项目实验探究活动探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化探究水族箱（或鱼缸）中群落的演替逻辑推理探究用数学方法讨论基因频率的变化模型制作制作DNA分子双螺旋结构模型设计并制作生态瓶资料搜集活动搜集有关细胞研究进展和应用的资料搜集恶性肿瘤防治方面的资料搜集有关试管婴儿的资料，评价其意义和伦理问题搜集DNA分子结构模型建立过程的资料，进行交流搜集生物进化理论发展的资料搜集有关利用神经调节原理的仿生学资料搜集应用生物技术保护生物多样性的实例第四页，共五十九页，2022年，8月28日续表：活动类型活动项目调查活动调查常见的人类遗传病调查某种动物激素的应用调查青少年中常见的免疫异常土壤中动物类群丰富度的研究调查当地自然群落中若干种生物的生态位调查或探讨一个生态系统中的能量流动调查当地生态环境中的主要问题，提出保护建议或行动计划参观活动有条件的学校可以组织学生参观电子显微镜室第五页，共五十九页，2022年，8月28日模拟实验

在研究工作中，由于对研究对象不能或不允许进行实际实验，为了取得对研究对象的认识，根据已有的事实、经验和一定的科学理论，设计或构想出研究对象的“替代物”，通过对替代物的实验，以获取研究对象的信息和资料。这种实验叫模拟实验。模拟实验是将对模型实验的结果类推到原型上去，以揭示研究对象的本质和规律。1.模拟实验的原理2.原型和模型相似性原理实际存在的研究对象研究对象的“替代物”原型模型理论模型实物模型图象模型逻辑模型数学模型抽象性直观性第六页，共五十九页，2022年，8月28日案例：模拟探究细胞表面积与体积的关系目的：通过模拟探究细胞大小，即细胞的表面积与体积之比，与物质运输效率之间的关系，探讨细胞不能无限长大的原因。质量分数为0.1%的NaOH溶液含酚酞琼脂块10分钟酚酞与NaOH相遇呈紫红色第七页，共五十九页，2022年，8月28日2表面积cm表面积/体积扩散体积/整块体积琼脂块边长cmNaOH扩散深度体积cm3321模型：琼脂块大小不等的细胞实物模型理论模型逻辑相对表面积与细胞的物质运输效率的关系限制细胞生长的因素之一第八页，共五十九页，2022年，8月28日生物体的长大，是靠细胞数量的增多还是靠细胞体积的变大？实例1012个1014个第九页，共五十九页，2022年，8月28日1.细胞为什么都那么微小？什么因素限制了细胞的长大？2.随着细胞的长大，细胞膜的面积不也在扩大吗？支原体细菌动植物100nm0.5—5.0μm20—30μm资料☆

细胞不能无限长大第十页，共五十九页，2022年，8月28日模拟实验细胞大小与物质运输的关系第十一页，共五十九页，2022年，8月28日边长表面积体积比值表面积/体积扩散深度比值着色体积/整个体积a6a2a36a2/a3=6/a321542722483616相对表面积扩散效率[a3-(a-2b)3]/a3b细胞直径表面积体积相对表面积5微米30微米S=4πr2V=4/3πr33/r1.20.2第十二页，共五十九页，2022年，8月28日边长cm相对表面积着色深度cm扩散效率320.30.488230.30.657160.30.93610分钟第十三页，共五十九页，2022年，8月28日二、新课程探究实验分析探究性实验主要是与验证性实验对比,属于慢性实验.如“探究培养液中酵母菌种群的动态变化”、“探究水族箱（或鱼缸）中群落的演替”等。这些实验一般需要7—10天。讨论：在开展探究性实验教学时，需要注意什么？第十四页，共五十九页，2022年，8月28日发展科学探究能力1．客观地观察和描述生物现象；2．通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题；3．分析问题，阐明与研究该问题相关的知识；4．确认变量；5．作出假设和预期；6．设计可行的实验方案；7．实施实验方案，收集证据；8．利用数学的方法处理、解释数据；9．根据证据作出合理判断；10．用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点；11．听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改。第十五页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析1.客观地观察和描述生物现象

科学探究中的观察（即科学观察）与日常生活中的观察不尽相同。日常生活中的观察是指人们通过自己的感觉器官对周围事物进行的察看；科学观察是指在自然发生的条件下，通过自身感觉器官或仪器设备，有目的有计划地对研究对象进行观察。科学观察是搜集科学事实的基本途径，是生物学研究的基本方法之一。第十六页，共五十九页，2022年，8月28日客观地观察和描述生物现象科学观察必须遵循客观性原则。由于观察者总是在一定的知识背景、生活经验和思维方式下进行观察的，因此，观察结果容易受到观察者主观因素的影响。为了保证观察结果的客观性，观察者一定要克服先入为主的观点，不能以主观臆测代替客观事实。此外，还必须认真仔细，不能马虎，必要时要进行多次重复观察。第十七页，共五十九页，2022年，8月28日对观察到的现象还要进行客观的描述，包括及时、如实、清楚的记录，用生物学术语描述自己的观察结果等。第十八页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析2．通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题

观察固然很重要，但是没有引出问题的单纯的观察，即使是观察到了新的现象，也并不能引发真正的科学探究。科学探究的逻辑是：提出问题→解决问题→提出新问题。可以说，提出问题是科学探究的逻辑起点。

第十九页，共五十九页，2022年，8月28日要高度重视培养学生发现问题提出问题的能力。第二十页，共五十九页，2022年，8月28日李政道：求学问，先学问；只学答，非学问杨振宁：“中国学生普遍学习成绩出色，特别在运算和推理方面比国外学生有明显优势，但中国学生最大的缺撼，就是不善于提出问题，缺乏创新精神。”第二十一页，共五十九页，2022年，8月28日爱因斯坦：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能，从新的角度去看旧的问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”英国科学哲学家波普尔：“科学和知识的增长永远始于问题，终于问题——越来越深化的问题。”数学家希尔伯特：“只要一门科学分支能提出大量问题，它就充满生命力；而问题的缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”第二十二页，共五十九页，2022年，8月28日提什么样的问题？第二十三页，共五十九页，2022年，8月28日1.问题的分类角度1

科学的问题

非科学的问题

三人面对一棵枝繁叶茂的松树的三个问题：科学家：这棵树树龄有多长？有没有病虫害？诗人：（感叹）它经历了多少风霜？商人：这棵树值多少钱？第二十四页，共五十九页，2022年，8月28日1.问题的分类角度2

可以探究的问题——可以通过科学探究来回答，需要证据和逻辑不能探究的问题——不能通过科学探究来回答，不需要证据和逻辑例如：（1）播放音乐是否有助于奶牛产奶量提高？（2）奶牛是否爱听音乐？第二十五页，共五十九页，2022年，8月28日1.问题的分类角度3

真实问题——问题指向的解的应答域是真实的。所谓应答域是指预设的解答的存在范围，指示着解答者到哪个域限中去寻找答案。虚假问题——问题指向的解的应答域是虚假的。例：“学不会气功的人是由于心不诚吗？”“天堂的玫瑰有没有刺？”问一个很久不生病的人“你的病好了吗？”“长生不老药真得能让人长生不老吗？”都是虚假问题例：“怎样延长发动机的使用寿命？”是真实问题，“怎样制造一部永动机”则是虚假问题。

第二十六页，共五十九页，2022年，8月28日1.问题的分类角度4有探究价值的问题无探究价值的问题

例如：见下页。第二十七页，共五十九页，2022年，8月28日第二十八页，共五十九页，2022年，8月28日1.问题的分类角度5

具体问题——问题指向的应答域较小，清晰明确抽象问题——应答域较大，抽象笼统。例如：见下页。

第二十九页，共五十九页，2022年，8月28日第三十页，共五十九页，2022年，8月28日从问题的具体、明确、可探究性的评价准则来分析，“昆虫的发育过程有蜕皮现象，这与他们的身体结构有关吗？”提得较好。因为生长发育是一个复杂的生理过程，既有遗传因素，又受环境影响，并且是进化的结果。第三十一页，共五十九页，2022年，8月28日1.问题的分类角度6低层次的问题——知识了解或理解层面的问题。高层次的问题——受好奇心驱使，发现现象与已有知识的矛盾、冲突或差距。

导致新知识产生的问题。例1：这个植物叫什么？同一种植物为什么这些开花，那些不开花？例2：见下页。

第三十二页，共五十九页，2022年，8月28日第三十三页，共五十九页，2022年，8月28日1.这是拟态现象，使枯叶蝶不易被天敌发现。2.枯叶蝶的祖先种群中出现翅似枯叶的变异个体后，由于这种变异是可遗传的有利变异，这种变异的个体生存和留下后代的机会多，久而久之，使这类蝴蝶具有翅似枯叶的适应性特征。3.这与对枯叶蝶适应性的解释看似矛盾。其实，翅色鲜艳的蝴蝶可能具有其他防御敌害的适应性特征，如翅上有类似猛禽眼睛的眼斑，等等。第三十四页，共五十九页，2022年，8月28日2.较高水平问题的特征较高的知识关联度较高的预设明确度较高的信息综合度较高的思维激活度第三十五页，共五十九页，2022年，8月28日小结：提什么样的问题从问题的类型看：要提科学的问题、真实的问题、具体的问题、可以探究的问题、有探究价值的问题、较高层次的问题。较高水平的问题具有以下特征：较高的知识关联度、较高的预设明确度、较高的信息综合度、较高的思维激活度。不能停留在“疑问词+现象描述+？”的水平。要通过较低层次问题的训练，逐步提高提出问题的水平。第三十六页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析3．分析问题，阐明与研究该问题相关的知识

提出问题以后，学生应当对问题进行分析：是不是科学问题，是不是可以探究的问题，是不是有探究价值的问题；问题的表述是否明确、具体，是否可以从多个角度去回答，是否很明确地预示探究的方向；问题的指向是定量的要求还是定性的要求，其解决的途径大致是观察还是实验或其他途径，等等。这样的分析有助于问题的进一步明确，有时，通过这样的分析还可以对问题作适当的修改。第三十七页，共五十九页，2022年，8月28日

阐明与该问题相关的知识例如，在《探究影响酶活性的条件》一节课上，某小组的同学提出的问题是：“温度高低是不是对酶的活性有影响？”，经过讨论，他们阐明了以下与研究该问题相关的知识：酶是生物催化剂，酶之所以能够起催化作用，是因为它能显著降低化学反应的活化能；酶的活性是指酶在特定的化学反应中的催化效率；酶具有高效性和专一性；细胞中的酶促反应一般是在常温常压下进行的；绝大多数酶是蛋白质；蛋白质具有复杂的结构，不同的蛋白质具有不同的功能，蛋白质之所以具有特定的功能与它的结构有关；高温能使蛋白质变性，也就是使蛋白质的结构发生改变。第三十八页，共五十九页，2022年，8月28日为什么要阐明相关知识？同学1：“既然高温能使蛋白质变性，而酶是蛋白质，因此，温度过高肯定对酶的活性有影响。我看我们的问题应该修改一下，改为‘温度过低是不是对酶的活性有影响？’”同学2：提出了新的问题：“温度过高肯定会影响酶的活性，但是，到底多高才算过高呢？在温度升高到‘过高’之前，温度升高会不会对酶的活性有影响呢？我们主张设置一系列温度梯度来做实验……”可见，“阐明与研究该问题相关的知识”这一环节，在科学探究中确有必要。第三十九页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析4．确认变量很多问题的探究都涉及控制变量。要控制变量首先要确认变量，其次要知道如何测定变量。实验中的变量包括自变量（亦称实验变量）、因变量（亦称反应变量）和无关变量（亦称干扰变量）。自变量是指实验中根据实验目的需要人为改变的因素，因变量是指随着自变量的变化而变化的因素，无关变量是指除自变量外，实验过程中可能还会存在的一些对实验结果造成影响的因素。例如，在“温度对酶活性的影响”实验中，温度是自变量，酶活性是因变量，反应物的浓度、pH、酶的剂量、反应时间等就是无关变量。第四十页，共五十九页，2022年，8月28日确认变量例如，对于“光照强度是否影响光合作用强度呢？”这一问题，光照强度是自变量，光合作用强度是因变量。同样波长的光照射时间长短不同，是否意味着光照强度不同？如果以白炽灯作光源，是以同样功率的灯泡不同距离照射来定义光照强度的不同，还是以不同功率的灯泡等距离照射来定义光照强度的不同？是以一定时间内淀粉生成量来定义光合作用强度，还是以一定时间内氧气生成量来定义光合作用强度？这些关于确认变量的问题明了之后，才能更好地作出假设和预期，才能更好地设计可行的实验方案。第四十一页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析5．作出假设和预期

作出假设是指根据已有的知识和生活经验，对提出的问题作出尝试性的回答。第四十二页，共五十九页，2022年，8月28日“做假设”应注意的问题（1）作假设要有科学根据，而不是无端地猜测。对中学生而言，这里所说的科学根据主要是指他们已经掌握的科学知识和生活经验。作出假设也离不开逻辑思维、联想和想像等。例如，关于二氧化碳浓度是否影响光合作用强度的问题。（2）作出的假设应该是可以通过科学探究来检验的。（3）作出假设通常是科学探究的重要环节，但不一定是所有的探究所必需的环节。例如，调查某种双子叶植物的种群密度这一探究。第四十三页，共五十九页，2022年，8月28日预期是指根据假设对实验结果所做的符合逻辑的推论。

例如，根据“增加二氧化碳浓度能够提高光合作用强度”这一假设，可以作出“环境中二氧化碳浓度增加后，植物的放氧量会随之增多”这一推论，这就是预期。实际上通过实验直接检验的往往是预期而不是假设。第四十四页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析6．设计可行的实验方案

作出假设和预期后，就需要设计实验来检验。至少包含两方面的要求：一是实验设计是在科学性上是合理的、严谨的，二是实验方案在现有条件下是可以进行的。第四十五页，共五十九页，2022年，8月28日实验设计应遵循的原则（1）控制性原则（2）对照性原则：大多需设置对照（3）重复性原则第四十六页，共五十九页，2022年，8月28日关于实验弗朗西斯·培根：“观察是被动的偶遇，是漫无目的的找寻；而实验是主动的有目的的探索”.巴甫洛夫：“观察是收集自然现象所提供的东西，而实验则是从自然现象中提取它所愿望的东西。”根据一定的研究目的，对一定的研究对象运用一定手段（仪器、设备等），进行主动控制、干预研究，或控制环境、条件进行研究，也即创造一种典型环境或特殊条件，并在其中进行的探索生命现象及其运动规律的实践活动。

第四十七页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析7．实施实验方案，收集证据

实施实验方案对于培养学生的动手能力和观察能力至关重要第四十八页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析8．利用数学方法处理、解释数据

数学方法的引入是使生物学跻身精确科学行列的重要途径。高中生物课程中涉及的数学方法大致包括数学的基本运算方法、计算平均值的方法、统计学方法、运用统计表的方法、画坐标图的方法、建立和使用数学模型的方法等。利用数学方法可以使探究的结论更具说服力。第四十九页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析9．根据证据作出合理判断

科学的“基本特点是以实证为判别尺度、以逻辑作论辩的武器、以怀疑作审视的出发点。”只有恰当地运用证据和逻辑，才能对探究的问题的因果关系作出正确的判断，才能从实验结果中得出合理的结论。第五十页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析10．用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点

将自己的研究结果告知他人也是科学探究的重要环节。在高中阶段，要求学生能够使用准确的生物学术语（而不是口头语言）和图表将自己研究方法、结果和观点告知他人。这显然比初中生物课程的有关要求要高。第五十一页，共五十九页，2022年，8月28日对11条探究能力目标的解析11．听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改

在如何对待他人提出的不同意见方面，要求学生做到既要虚心听取，又要独立思考，不盲从他人，同时又不能固执己见。要本着实事求是的态度，利用证据和逻辑作出自己的判断，必要时对自己的结论进行修改和完善。第五十二页，共五十九页，2022年，8月28日新课程主要仪器及使用介绍为全量程连续可调移液器。专门针对中学教学的特点而设计，主要用于少量液体的精确定量移取。

在生物和化学实验教学中，液体的定量取样操作是实验教学中不可缺少的环节。传统的操作一般使用量筒或移液管，但随着中学教学改革的