生物学是一门以实验为基础的自然科学 ,生物科学的每一个原理,每一种现象,每一个知识点都可以通过实验来验证、探索,同时,观察和实验是生物科学研究的重要方法,是学生获取知识的重要源泉,是实践新课标的切入点。下面谈谈实验设计应注意的几个问题:

1、明确实验目的

明确实验设计要解决什么问题,或探索验证什么结论。只有明确实验目的才能明了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:①、"验证烟草花叶病毒的遗传物质是RNA而不是蛋白质"。该实验原理和实验思路同教材"肺炎双球菌转化实验"、"噬菌体侵染细菌实验":将烟草花叶病毒的RNA和蛋白质分开,单独地观察它们的功能。

②、"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"这一因素就是实验变量

2、遵循实验原理

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。

例如:"设计实验验证唾液淀粉酶是蛋白质",该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同"生物组织中蛋白质的鉴定"类似。

3、实验材料的选择

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。

例如:"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;"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:一是选材必须有液泡存在;二是为了便于观察,所选材料的细胞液最好有一定颜色。

4、对照实验的设置

一个完整的实验设计应包括实验组和对照组,实验组接受处理,对照组不进行处理。对照实验的设计常有如下四种类型:

⑴空白对照:

设计一个不加任何实验处理的对照组。

⑵自身对照:

指实验与对照在同一对象上进行,即不加设对照组。如"植物细胞质壁分离和复原实验"是典型的自身对照,这种对照的关键是比较实验处理前后的变化。

⑶条件对照:

给实验组某种处理,给对照组另一条件处理。如在"证明甲状腺激素促进幼小动物发育"的实验中,可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:饲喂甲状腺激素抑制剂(条件对照组)

丙组:对蝌蚪不做任何处理(空白对照)

⑷相互对照:

不另设对照组,而是利用几个实验组相互对照。如在"植物向光性"的实验设计中,2与1对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端,3也可与1对照,4也可与1对照,也可与2对照。

光 光 光 光

未经处理 尖端遮光 切去尖端 中部遮光

1 2 3 4

5、找准实验要素--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:

⑴实验变量与反应变量。实验变量,亦称自变量,指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。反应变量,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(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也随之变化,这就是反应变量,该实验即在于获取解释温度变化(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结果的因素或条件。额外变量,亦称干扰变量,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和条件,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。

6、关键实验环节的顺序

实验步骤有一定的顺序,实验步骤的前后顺序一般不能前后颠倒,特别是关键环节。如在"探索温度对酶活性影响"的实验中,是应"先将三支试管分别放入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,其实前者的操作才是正确的,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。

7、常见的经典性实验方法

⑴化学物质的检测方法:

淀粉 ---- 碘液

还原性糖 ---- 斐林试剂

CO2 ---- Ca(OH)2溶液或酸碱指示剂

乳酸 ---- pH试纸

O2 ---- 余烬复原

蛋白质 ---- 被蛋白酶分解或双缩脲反应

⑵实验结果的显示方法:

光合速度 ---- O2释放量或CO2吸收量或淀粉产生量

呼吸速度 ---- O2吸收量或CO2释放量或淀粉减少量

原子途径 ---- 放射性同位素示踪

细胞液浓度大小 ---- 质壁分离

细胞是否死亡 ---- 质壁分离或质壁分离复原

甲状腺激素作用 ---- 动物耗氧量、发育速度等

生长激素作用 ---- 生长速度(体重身高身长变化)

胰岛素作用 ---- 动物活动状态

菌量 ---- 菌落数或亚甲基蓝褪色程度

⑶实验条件的控制方法:

增加水中O2 ---- 泵入空气或吹气或放入绿色植物

减少水中O2 ---- 容器密封或油膜覆盖或用凉开水

除去容器中CO2 ---- NaOH溶液

除去叶中原有淀粉 ---- 置于黑暗环境

除去叶绿素 ---- 酒精隔水加热

除去光合对呼吸的干扰 ---- 给植株遮光

如何得到单色光 ---- 棱镜色散或薄膜滤光

血液抗凝 ---- 加入柠檬酸钠

线粒体提取 ---- 细胞匀浆离心

骨的脱钙 ---- 盐酸溶液

总结:

分析实验设计题要做到"三、四、五"。即:

1、三个原则

① 对照性原则:设立对照组,使实验结果具有说服力。

② 单因子变量原则:控制其他因素不变而只改变其中某一变量,观察其对实验结果的影响。

③ 平行重复原则:进行实验时,有的情况的出现是有偶然性的,多做几个对照实验,出现相同的结果,更有说服力,更具科学性(同时间同条件)。如多测几次脉搏,取其平均值的实验。

2、四种对照

① 空白对照:不给对照组任何处理因素。

② 条件对照:虽给对照组施以部分实验因素,但不是所要研究的处理因子。

③ 自身对照:对照和实验都在同一实验对象上进行。

④ 相互对照:不仅仅设对照组,而是几个实验组相互对照。

3、五步分析

① 了解题目要求,明确实验要验证(探究)的是什么。

② 分析实验原理:分析实验所依据的科学原理是什么;涉及的生物学及相关学科中的哪些方法和原理。

③ 确定实验器材的选择

④ 设置实验步骤:分析每一环节之间的关联性,或几个相关实验的延续性,安排实验的最佳程序。

⑤ 预期结果和分析

例1 现有同样大小的玻璃缸几只,发育状态相同的小蝌蚪60只、饲料、甲状腺激素、放在50℃的水中处理20分钟的甲状腺激素、溪水,请设计一个实验,探究甲状腺激素的生物活性是否会受50℃热水的影响。

⑴实验方案设计:

第一步:取三个玻璃缸,分别标记甲、乙、丙。

第二步:分别加入等量的溪水和20只小蝌蚪。

第三步:甲缸每天喂饲料;乙缸每天喂经过处理的甲状腺激素相拌的等量饲料;丙缸每天喂甲状腺激素相拌的等量饲料。

⑵预计结果并指出每一种结果说明了什么 ?

A、若乙、丙两缸蝌蚪发育同步,且迅速变态为青蛙; 而甲缸还是蝌蚪状态。说明经50℃热水处理,对甲状腺激素的生物活性没有影响。

B、若甲、乙两缸蝌蚪发育同步,而丙缸迅速变态为青蛙。说明经50℃热水处理,甲状腺激素失去活性。

C、若乙缸蝌蚪发育比甲缸快,比丙缸慢。说明经50℃热水处理,甲状腺激素丧失去了部分生物活性。

⑶该实验中设置甲组实验的目的是:对照

⑷该实验选用蝌蚪做材料的优点是:

蝌蚪发育成青蛙为变态发育,且时间短,便于观察。

⑸做该实验所选用的蝌蚪有什么要求 ?为什么?

同一种蛙同时孵化出的蝌蚪。

排除实验材料的差异而造成对实验结果的影响。

例2 某些植物能分泌一些化学物质用于抑制别种植物在其周围生长,这称为他感作用。大麦、玉米、大豆、向日葵等植物,是杂草的天然抑制者,又叫"闷盖庄稼"。

⑴为了验证大麦对邻近杂草生长具有他感作用。请根据所给材料器具,在给出的实验方法和步骤的基础上继续完成实验、预期实验结果。

材料器具:大麦种子、狗尾草,50厘米×50厘米×10厘米栽种盒、剪刀、洒水壶、 20厘米×10厘米纸袋、镊子、天平、两脚规、直尺

方法步骤:

第一步:选取A、B、C三个栽种盒,在栽种盒土壤表面画5厘米× 5厘米的小方格,每方格中心放一粒大麦或杂草种子。三个栽种盒的播种方式依次是:

A盒:间行排列大麦和狗尾草种子。

B盒:全部播种大麦种子。

C盒:全部播种狗尾草种子。

第二步:洒上少量细泥土覆盖种子,用细孔眼洒水壶浇水,把三只实验栽培盒放在(相同)的20℃左右环境中培养2---4周,每天均保持足够时间的(光照)。

第三步:每天观察记录,统计盒内植株的地上枝平均干重、(平均植株高度)等数量特征。比较三只实验栽培盒的植物特征差异。

结果预期和结论:

比较A盒与C盒狗尾草:

①A盒生长明显受到抑制

②A盒与C盒生长状况相当

结论:①大麦对邻近杂草生长具有他感作用。

②大麦对邻近杂草生长没有他感作用。

⑵为进一步证实大麦分泌物具有抑制狗尾草的生长作用,请你设计实验方案。

方案一:用水培养大麦,然后把这些水收集起来浇灌狗尾草。

方案二:把大麦的根茎切碎制成匀浆,用大麦提取液培养狗尾草。

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