高中生物实验设计的一般原则

1576255717324第1页共8页2008年高考复习高中生物实验专题（二）实验设计的一般原则及规律技巧安阳县第一高级中学生物组任军奇实验设计的一般原则１．科学性原则指在设计实验时必须有充分的科学依据，即要以前人的实验、方法和自己的实验为原则，不能凭空想象。即实验目的要明确，实验原理要正确，实验研究的材料和实验手段的选择要恰当，整个实验设计的思路和实验方法的确定都不能偏离实验原理及有关的生物学知识，或其他学科领域的基本知识。２．单一变量控制原则⑴变量类型A：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或应变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。二者之间是前因后果的关系。实验的目的就在于获得和解释前因与后果。如比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率的实验自变量：催化剂种类（Fe3+和过氧化氢酶）因变量：气泡产生速度，卫生香燃烧程度观察植物细胞的质壁分离和质壁分离复原的实验自变量：外界溶液的浓度（高渗及低渗溶液）因变量：质壁分离（液泡失水缩小、颜色变浓、原生质层与细胞壁分离）；质壁分离复原（液泡恢复原状、颜色变浅、原生质层恢复原状）植物向性运动的实验设计和观察自变量：①是否单侧光照（黑暗、单侧光照、均匀光照）②改变幼苗的空间位置以接受重力影响因变量：①幼苗的弯曲状况；②根的弯曲方向B：无关变量与额外变量无关变量是指实验中除实验变量外的影响实验结果与现象的因素或条件。由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。它们之间也是前因后果的关系。但它们的存在对实验与反应变量的获得起干扰作用。例如：“唾液淀粉酶实验”中，除实验变量(温度)外，试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、淀粉浓度、温度处理的时间长短等等就属于无关变量。如无关变量中的任何一个或几个对三组实验不等同、不均衡，就会产生额外变量，影响实验的真实结果。在验证温度对酶活性的影响的实验中，就必须控制pH值、底物量和酶量的相等，只改变单一变量-------温度，观察不同温度下酶活性的差异。遵循单一变量原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。⑵单一变量(单因子变量)控制原则无论一个实验有几个实验变量，都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量，这就1576255717324第2页共8页是单一变量原则，它是处理实验中的复杂关系的准则之一。例如：我们在做“植物的向性运动”有重力与单侧光两个实验变量，必须要有各自实验和变化结果，常见的错误就是在有光的条件下进行重力实验变量，影响了实验结果的准确性。单因子变量原则要求在实验组和对照组的实验中都只能有一个变量，这样得出的实验结果与单一变量之间就能形成一一对应关系，便于观察实验结果，便于分析实验结果是由什么因素造成。因此在设置实验时，首先要明确变量是什么，如何设置。例如在“探索温度对酶活性的影响”实验中，变量就是温度，除了温度外，其他因素就要严格加以控制（如PH值，底物浓度、酶的种类和数量等在实验组和对照组中就应完全相同）。要探索不同温度下酶的催化能力的大小，就要设置一系列温度，至少也要设置三个不同的温度：最适温度（如60℃）、低温（0℃）和高温（100℃）。明确了变量的设置，就可以确定实验器具的数量：取三个试管，分别编上1、2、3号。例：某生物学小组为了研究阳光对大豆发芽的影响，而在两个花盆里种了大豆，并设计了如下实验：花盆阳光温度水Ⅰ光照200C充足Ⅱ暗室200C不充足在这一实验设计中，应该改正的错误是：A.两个花盆都应该放在向阳的地方B.两个花盆都应该放在黑暗的地方C.两个花盆的温度不应该一样高D.两个花瓶都应该浇给充足的水3．等量性原则指不同的实验组或实验组和对照组，除了实验变量可以不同外，其它实验条件都应完全一样或相等。“其它条件的完全一样或相等”。具体来说有如下四个方面：①所有用生物材料要相同：即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况、性别等方面特点要尽量相同或至少大致相同。②所用实验器具要相同：即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号洁净度要完全一样。③所用实验试剂要相同：即试剂的成分、浓度、体积要相同。尤其要注意体积上等量的问题。④所用处理方法要相同：如：保温或冷却；光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。实验组是指接受实验变量处理的对象组；对照组是指没有接受实验变量处理的对象组。4．对照性原则为消除或减少实验误差,在实验设计中通常要设置对照组,使实验具有说服力和严谨性。①空白对照：不给对照组任何处理因素。如对还原性糖的鉴定实验中，向甲试管溶液中加入苹果汁和班氏试剂，乙试管中加入蒸溜水和班氏试剂，一起进行水浴加热至沸，比较它们颜色的变化。②条件对照：如验证甲状腺激素的生理作用的实验设计：1576255717324第3页共8页实验组：饲喂甲状腺激素对照组：饲喂甲状腺激素抑制剂③自身对照：实验组和对照组都在同一研究对象上进行。如德国科学家萨克斯证明光合作用需要光的实验中，对实验组给以光照、对照组进行遮光都是在同一叶片进行。④相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验组相互对照。例1：设计甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育的实验：将15条同时孵化的同种蝌蚪（体长均为15mm），随机分为3组（每组5条），在相同水质、饲料、温度条件下饲养。A组加入甲状腺激素，B组加入甲状腺抑制剂，C组不加任何药物。在实验的10d～12d中，按时用标尺测量并观察蝌蚪的生长变化情况。在这个实验设计中，A组为实验组，B、C组为对照组，B组为条件对照，C组为空白对照。通过条件对照、空白对照的设置，更能充分说明实验因子：甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。例2.“比较过氧化氢酶和Fe3＋的催化效率”中，分别用过氧化氢酶和Fe3＋催化过氧化氢的分解进行相互对照，来说明酶的催化效率比无机催化剂高。例3.：设计一个实验方案，证明N、P、K是水稻生长发育必需的矿质元素。本实验可以用不同的对照方法，但从实验的准确性、严密性的角度来考虑，最好是设计相互对照。即：分别配制完全培养液，缺N、P、K（其余成分同完全培养液）的培养液，在4组培养液中分别栽培4组同样的水稻，在相同条件下培养一段时间后，观察水稻生长发育的情况。通过与完全培养液中水稻生长发育状况的比较，说明3种元素对水稻生长的必要性。要使实验更严密，还可以再设计自身对照，即在表现缺乏病的水稻培养液中分别加入所缺乏的元素，看其缺乏症是否会消失或得到改善。究竟实验组和对照组判段的依据到底是什么呢？通常，一个实验总要进行对照实验（有时还要进行对比实验）。依据该实验的实验目的和作出的假设，确定某单一实验变量条件（即因素），对照实验只是一个条件（即因素）不同，其他条件（因素）都相同的情况下所进行的实验，研究此条件（因素）和结果之间的关系，这一组就是“实验组”,而不包含此条件(因素)的一组称为“对照组”。如果在实验设计中所有的对象组的结果实验者都不清楚，既此所有的对象组为相互对照实验，也就是我们说的条件对照。我们可以根据这一点来判断“实验组”和“对照组”。5．平行重复原则在实验设计中为了避免实验结果的偶然性，必须对所做实验进行足够次数的重复，不能只进行1—2次便得出结论。此外，还有简便可操作性原则等。生物设计实验的内容：一个比较完整的生物学实验设计方案，一般包括这样几个方面的内容：1、明确实验题目和具体要求；2、提出假说，确定实验的原理和研究对象；3、明确实验条件（如仪器、温度计等）；4、明确实验设计思路；5、设计实验步骤；1576255717324第4页共8页6、实验结果的预测和分析。实验设计的规律技巧1、明确实验目的（同实验假设）实验目的是整个实验设计的灵魂，所有实验步骤的设计都要围绕实验目的这个核心来进行。2、弄清设计要求如：怎样使植物茎杆向一侧弯曲生长，题目中可能不准你用任何药剂和器具，你若用单侧光或生长素处理则错了。还要注意实验中应用的原理，即做实验的理论依据。比如：为什么要加斐林试剂来检验是否含有还原性糖，其原理是斐林试剂与还原性糖共热产生砖红色沉淀！3、设计好实验方法实验方法的策划是整个实验设计的精髓，是一个好的实验设计最富创意的闪光之处，也是搞好实验设计的关键所在。要遵循实验的基本原则与方法，善于把课本的经典实验方法迁移到你的设计中来。A、常用的一些基本的实验方法及技术B、常见物质的检测方法（颜色和条件）C、实验结果的显示方法D、常用的实验条件控制方法E、常用器材和药品的使用4、合理地设计实验步骤实验步骤的叙述技巧是：格式一般是三段式：第一步：实验材料的选择、分组与搭配，体现无关变量相同。第二步：实验组、对照组的不同处理，体现实验变量的处理差异。第三步：“培养、经过一段时间后”观察、测定或连续观察、测定实验结果，体现获得的反应变量是什么。叙述的要求是：①分步叙述，要有标号如1，2，3……等或ABCD……等(也可采用表格方式)；②研究对象或器皿要有标记(编号)如ABCD……；③说明对材料的选择和处理；④对部分实验条件要有量、时间等描述：如37℃水浴中保温5min，加入等量……。5、准确地表达实验结果(预测实验结果)和结论实验结果是指所观察、测定到的反应变量，即实验现象；可以是定性描述如生长发育速度的快慢、开花时间的早晚、产生气泡的多少；可以是定量描述如单位时间内气泡的产生数量、身高体重的增加值；可以是叙述式如植物移栽后的生长状况比较；可以是表格式如记录的数据；也可以是曲线式如种群密度的变化趋势、个体重量变化曲线等。一般情况下，所说的实验都是“纸上谈兵”，所以实验结果都是预测的对于验证性实验结果的预测，就要根据题目答出实验的理论结果；对于探究性实验的结果的预测，就有多种可能性，一般要“穷举”。实验结论1576255717324第5页共8页必须根据预测的实验结果说出相应的实验结论无论是实验的步骤还是实验的结果与结论，叙述务必条理化、层次化、简明扼要。曲线、图解务必规范。实验评价题（改错题）应对策略：１．看有无对照实验，如果有看对照设计是否合理。２．看实验是否遵循了单一变量原则。３．看实验步骤的顺序是否合理，步骤是否完整。４．看实验仪器、药剂的使用的是否合理。药剂的配备、使用及用量的大小。５．实验结果的验证是否合理。例1：为了研究人工合成的生长素类似物萘乙酸是否对植物的开花具有影响，有人设计了以下实验：取20个水仙头，随机分成两组，一组10个不做任何处理，任其自然生长，作为对照；另一组10个水仙头均剥去部分鳞片叶，露出花芽，并用0.1mg/mL的萘乙酸处理。两组放在相同温度和湿度环境下培养。实验组的10个水仙头除2个死亡外，其他8个分别在6~9天时间内开花，平均比对照组早开花一个月。（1）据此得出萘乙酸可以促进水仙开花的结论，实验还有哪些不够严密的问题？会对实验造成什么干扰？（2）若要完成本实验，请你重新进行设计合理方案。答案：(1)①对照组也应与实验组一样剥去部分鳞片时；②两组放在相同环境下培养，其条件不仅是温度和湿度，还有光照、空气、pH值等；③水仙的品种和大小应当一致。(其他合理答案也给分)(2)针对以上问题，取20个相同品种、大小一致的水仙头，随机分成两组，实验组10个水仙头均剥去部分鳞片叶，露出花芽，并用0.1mg/mL的萘乙酸处理；对照组10个处理方式除不用萘乙酸处理外，其它均与实验组相同，作为对照；两组放在完全相同环境下培养，经过一段时间比较两组水仙头的开花情况。例2.（07理综I）为了确定生长素类似物促进扦插枝条生根的适宜浓度，某同学用两种浓度的生长素类似物分别处理扦插枝条作为两个实验组，用蒸馏水处理作为对照组进行实验，结果发现三组扦插枝条生根无差异。回答下列问题：（1）参考该同学的实验，在下一步实验中你应该如何改进，才能达到本实验的目的？请说明理论依据。（2）在进行扦插枝条生根实验时，一般需要剪去扦插枝条上的一部分叶片。其主要目的是为了减少________，同时还应使扦插环境保持较高的_________，避免扦插枝条干枯。答案.（1）在该同学使用的两种浓度生长素类似物的基础上，分别在低于低浓度和高于高浓度的范围的增加一系列的