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高中生物实验设计专题

2010/01/25 阅读:

实验设计是生物实验中的一种常见题型,它能较全面的考查学生的实验知识和基本技能,分析问题和解决问题的能力以及创造能力,因而在高考中相对稳定。由于学生缺乏实验设计系统的理论知识,因此,遇到这类题型,就会感到无从下手,导致考试中严重失分。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题型等进行归纳总结,增加学生理论知识,提高学生分析问题和解决问题的能力。

一、实验设计的基本内容

(一)实验名称或课题(是关于什么内容的实验);

(二)实验目的(要探究或者验证的问题或事实);

(三)实验原理(进行实验所依据的科学道理,隐含着实验假设和预期);

(四)实验材料和条件(进行实验的主要对象,完成该实验必备的仪器、设备、药品等);

(五)实验方法与步骤(实验采用的方法及必需的操作程序);

(六)实验测量或观擦与记录(对实验过程及结果应有科学的测量手段、观擦指标与准确的记录);

(七)实验结果预测及分析(能够预测可能出现的实验结果并分析其原因);

(八)实验结论:对实验结果进行准确的描述并给出科学的结论。

二、实验设计的基本原则

(一)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要依据生物学基本知识和基本原理,不能主观臆造。如:酸碱度对酶活性的影响,酶的高效性实验的顺序等。

(二)单一变量原则

1、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,通常可分为两类:

(1)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“温度对酶活性的影响”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反应结果也随之变化,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。

(2)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以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量,也称干扰变量,指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然,额外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,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,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或减少额外变量,以减少误差。

(二)单一变量。在实验设计中仅仅改变实验中的某一项变量,其它因子不变,在此条件下,观察、研究该变量对实验材料和实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外,其他实验条件要做到前后一致。综合研究多变量时,也要求先研究一个变量,再研究一另个变量。

(三)对照性原则。对照是实验控制的重要手段之一,目的还是在于平衡或消除无关变量对实验结果的干扰。通过设置实验进行对照,可排除无关变量的影响,也可增加实验结果的可信度和说服力。

通常,一个实验可为实验组和对照组。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,故实验组与对照组的差异,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);

虽然,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--甲状腺激素能促进小动物的生长发育。

4、相互对照:指不另设对照组,而是几个实验组相互进行对照,在等组实验法中,大都是运用相互对照,如“植物的向性运动”的等组实验中,5个实验组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。

(四)可重复性原则。指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。目的在于尽可能消除无关变量所造成的实验误差,体现实验的准确性与科学性。

(五)简单可行性原则。指实验材料容易获得,实验装置简化,实验药品便宜,实验操作简便,实验效果明显并能在较短时间内完成。从实验目的、实验原理到材料用品的选择、实验操作等,都要符合实验者的一般认知水平,满足现有的条件,具有实验和完成实验的可能性。

三、实验设计的基本思路

(一)准确把握实验目的:看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果,是探究性实验还是验证性实验。

(二)明确实验原理:要解决题目所给的问题,要用到生物学上什么原理。

(三)确定实验思路:根据原理对实验作出假设,并充分利用实验材料设计实验思路。

(四)精心设计实验步骤:根据实验目的、原理和思路,设计合理的实验装置和实验操作步骤。并设置好实验组和对照组,遵循实验设计的原则。并将观察到的现象如实进行记录。

(五)准确预期实验结果并分析得出结论:实验步骤一般不连续描述,要分段叙述;试管、烧杯等要给予编号。在叙述实验步骤及预期结果时结论时,语言文字要简明扼要,准确科学。

四、实验设计的基本题型

类型一:设计实验方案型。

给出实验用具、材料、药品、实验目的,或只给实验目的,实验器材自选,设计实验方案。

[例1]请根据下述条件设计一个实验,鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液,写出实验步骤并分析结果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液,250ml烧杯一只,半透膜制成的透析袋l只,刻度玻璃管l只,细线一根,支架l个。

(一)实验步骤:

(二)结果分解:

[解析]本实验是考查渗透作用的原理和动手设计实验的能力,解题的关键是如何利用透析袋和两种液体形成一个渗透系统。当将两种液体之一放入透析袋,另一液体放大烧杯中,然后将盛放液体的透析袋用线扎实(插入刻度玻璃管)并浸浴在烧杯的液体中时,由于两液体具有浓度差,水分子便通过透析袋发生渗透作用,观察刻度玻璃液面数值变化即可将二者区别开来。根据实验设计理论,把所给器材的作用分析清楚,有助实验设计思路的形成。

[答案](1)实验步骤:①将一瓶中的液体倒入烧杯中;②将另一瓶中的液体倒满透析袋,刻度玻璃管插入袋内液体中,用线将袋口和玻璃管扎紧;③将插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液体的烧杯中,垂直固定于支架上,记录玻璃管液面刻度;④一段时间后,观察玻璃管液面刻度,确定液面上升还是下降。

(三)结果分析:如液面上升,则透析袋中的溶液为30%蔗糖溶液,烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液。反之,可推测透析袋中是10%蔗糖溶液,烧杯中的液体是30%的蔗糖溶液。

类型二:评价和纠正型

分析已有实验设计方案中不科学性,并提出改进。

[例2]北阿尔伯达的一个工厂把产酸的化学品排入到空气中,工厂东面有一个湖,湖底是石灰石的。但湖水的pH值已从原来的6儿降低到5.7。虽然酸性沉积一直在增加,湖水的pH值仍保持5.7不变。湖中原有的鱼是河鲈和鲤鱼。钓鱼爱好者抱怨说,自从工厂开办以来,鱼资源已经减少。工厂的工人设计了一个实验,证明工厂排放出去的化学药品与鱼资源的减少没有关系。

工人取一只大容器,盛放湖水,维持pH值在5.7。从湖里找来大鱼放在该容器内,喂以蛋白质饲料。在这样的条件下,鱼正常成长。

假定你是一个独立的仲裁员,受雇于垂钓爱好委员会委拖,来对该项实验进行评估,列出你要得到的附加信息,并列举说明你要用什么方法去得到这些信息。

[解析]本实验设计方案中没有考虑鱼的生活中受着多种因素影响,这与单一变量原则是相违背的。分析问题不全面,只考虑单一因素的影响,设计实验无说服力,也不符合实验设计的要求。本题考查思维的全面性,在认定两个问题时,除了看有无直接联系外,也要注意考虑间接联系。

[答案]该实验设计测量不出下列因素。而这些因素都是对河鲈和鲤鱼的影响的:

(l)酸对河鲈和鲤鱼的食物数量多少的影响;

(2)酸对河鲈和鲤鱼的鱼卵或幼鱼的影响;

(3)由于春季干涸造成pH值季节性涨落的影响;

(4)由于酸的分解作用而进入水域的重金属量是多少;

为了说明上述第一点,必须完成一项研究,即确定各种浮游生物,水生昆虫和小鱼的多少。如果这个食物网的某些环节正在丧失,则有必要去研究酸是否对此有影响。为了说明上述第二点,可以在酸化水中饲养鱼卵和幼鱼。鱼的数量减少可能是上述第一点和第二点结合的产物,所以人工饲养幼鱼可能会给出不可靠的结果。

对于季节性涨落,应该对全湖长期取水样。做仔细彻底的记录至少一年。这一因素可能和第二点相符合,因为鱼卵或繁殖更受低pH值的影响。重金属是累积的有毒物质,人工饲养和鱼与湖里吃污染食物的鱼相比,并不处在相同水平的毒素中。应该在湖水中、鱼饲料中以及河鲈和鲤鱼身体中检测如铅这样的重金属含量。

所有这些因素都说明,酸的影响是长期的,在容器里短期饲养的鱼不可能给出可靠的结果。这种研究必须以年为周期来实施,而且要与该工区其他湖水情况作比较。

类型三:补充完善型

对已有的实验设计进行补充和完善。

[例3]向你提供的条件仅有健康活泼的家兔一只,75%酒精、无菌干棉球、解剖刀、洁净的载玻片10块(编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、红墨水、秒表,请在上述提供的条件范围内,设计一个测定血液凝固时间的实验。

实验步骤:①用酒精棉球消毒兔耳;②用消毒解刮刀剖开兔耳边缘的小静脉;

请将实验步骤补充完整:

[解析]这类题目的题干中已经提供了一定的信息,基本上划定了答题的模式,目的明确,前面的方法步骤等信息已为续答作了铺垫,只要明确题目中的实验变量和反应变量,然后设计对照组,再根据有关原理分析,一般就能比较正确地写出答案。本实验设计方案很巧妙地看出血液是否凝固。

[答案]③把从刀口流出的血液分别在ABCDEFGJIL10块载玻片上滴一滴(第一滴血弃去不用);④取血后对兔耳刀口外进行消毒止血;⑤在L载玻片上滴一滴红墨水(起对照作用);⑥开始记录时间,过l分钟后将A载玻片竖立,第二分钟后将B载玻片竖立(在它们竖立的同时,都将L载玻片竖立),其余类推,看血液是否完全凝固(血液不向下流,且血液表面保持半球形而不改变为凝固);⑦血液完全凝固,而墨水仍然流动,即为血液凝固时间。

五、生物实验设计题解题策略

(一)生物高考实验设计的三种题型虽然在形式上有一定的差异,但在答题中却有共同点,先要认真研究课题,找出其中的实验变量和反应变量,其次是构思实验变量的控制方法和实验结果的显示方法,最后再选择适宜的实验材料,在注意实验步骤逻辑性的前提下表达实验的方法步骤。在实验方法和步骤设计中最重要的是把握好变量控制。

(二)重视课本实验的复习,掌握书本知识是提高实验设计能力的基础。要熟悉教材,心中有书。题在书外,理在书内。因此要深入理解与灵活应用基础知识。在考试说明中明确提出了,要求“理解所学实验的实验内容,包括实验原理、方法和操作步骤、实验变量的控制、掌握相关的操作技术”。

(三)挖掘课本中所蕴含的实验因素,深刻领会教材有关实验的本质与特点是提高实验设计能力的前提。要认真分析教材所涉及的实验,包括学生实验,演示实验,经典实验等。生物学的每一个知识结论都是在观察、实验的基础上得出的,在平时的复习中要注意多挖掘知识结论中所蕴含的科学思想和方法,深入分析实验的条件、过程、现象、结果和结论的科学性。例:生长素的发现过程中,涉及生长素产生的部位、感光的部位、作用的部位、运输的方向等,这些都可以思考如何设计实验来证明。

(四)学会对已知实验进行变换和转化是提高实验设计能力的有效手段。求变、求异思维的发展有助于提高实验设计能力。善思会变才能应答自如,通过换位思考提高素质,才能将所学知识,技能迁移到新情景中来,才能依据实验目的、原理和材料安排实验步骤等,并作出分析、评价和结论。

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