高中生物探究性实验设计专题

高中生物探究性实验设计专题一、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。