第49讲探究性实验

第七部分实验与研究性学习第49讲探究性实验一、考点内容全解（一）本讲的考点是什么？在高校招生的考试中，一般不会考查学生独立完成全程性探究实验的各个方面，适于考查的实验内容主要有：作出假设、制定计划、预测结果、分析结论、进行评价等。1.实验现象的观察和分析观察实验现象和分析实验现象是用实验方法解决问题的基础。这就要求能联系生物学科的有关基本理论，分析所观察到的实验现象，能联系生物学科相关知识来解释某一实验现象。2.实验数据的处理和分析用规范、科学的实验报告格式书写实验报告，以便于实验数据的整理和加工处理，以便于保存和查阅原始实验数据，以便于实验者通过分析来选择最佳的实验方法或实验条件来完成实验。3.实验设计的评价及其完善在实验步骤和实验方案设计中，要充分考虑实验可能产生的干扰因素，设计合理的实验步骤和实验方案来排除干扰条件，通常采用对比实验的方法及取实验数据平均值方法来研究某些规律，以便更容易发现和平衡实验的误差，提高实验的科学性。4.实验步骤、实验方案的设计实验设计的一般思路可概括为：明确实验目的→弄清实验的原理及相关的知识点→确立完成实验的关键条件→考虑每一材料用具可能的作用→设计实验方案(①实验步骤或实验装置图；②观察记录实验结果；③分析讨论，得出结论)。（二）考点例析[例1]（2003年理综全国卷）将青蛙脑破坏，保留脊髓，在脊柱下部打开脊椎骨，剥离出脊髓一侧邻近的两对脊神经根(一对脊神经根包含一个背根和一个腹根，见图)。分别电刺激每对脊神经根的背根与腹根均可引起蛙同侧后肢发生运动反应。然后进行下列实验：甲：在第一对脊神经根的背根中央处剪断，电刺激背根向中段，蛙后肢发生运动反应；电刺激背根外周段，蛙后肢不发生反应。乙：在第二对脊神经根的腹根中央处剪断，电刺激腹根向中段，蛙后肢不发生反应；电刺激腹根外周段，蛙后肢发生运动反应。[来源:学.科.网Z.X.X.K]试分析回答：(1)根据实验甲判断背根的功能是①，因为(2)根据实验乙判断腹根的功能是②，因为[解析]这是一道颇有“争议”的题目，不少师生认为“超纲”，笔者却不这样看。首先，题目涉及的知识面很窄(反射弧)，而这在老教材中已有介绍；其次，也是最关键的，本题问题情景是实施研究性学习活动中的一个环节——实验现象的观察和分析，换句话讲，本题以能力立意，强调科学的认知方法，而不是纯粹知识的考查，注重不同能力水平考生的甄别。相反，本题若以反射弧的知识立意，将索然无味，命题者正是敏锐地观察到这一点，匠心独运，精心设计了这么一个“似曾相识”的“偏题”，将那些鏖战题海的斗士，狠狠地“刷”了一把！[答案]（1）传入功能。因为电刺激背根向中段可以产生后肢运动反应，表明神经兴奋进入脊髓中枢并通过传出神经引发肌肉收缩，因此是传人功能。电刺激背根外周段不发生反应，表明背根无传出功能；（2）传出功能。因为电刺激腹根向中段不发生反应，而电刺激腹根外周段可以产生后肢运动反应，表明神经兴奋沿传出神经引发肌肉收缩，因此是传出功能。[例2](2003年上海理综题)研究性学习是一种重要的学习方式，有利于培养学生的实践能力和创新精神。口香糖的生产已有很长的历史。咀嚼口香糖有很多益处，但其残留物也会带来污染。为了研究口香糖的粘附力与温度的关系，一位同学通过实验，测定了不同温度下除去糖分的口香糖与瓷糖与瓷砖地面的粘附力，得到了如表所示的一组数据：（1）请根据上述数据，在下图中绘制出粘附力F随温度变化的图线。（2）根据上述数据以及得到的图线，可以得到的实验结论是[来源:学+科+网Z+X+X+K][解析]通常处理实验数据的基本方法有：①列表法。把被测量的量分类列表表示出来。列表法常用作其他数据处理方法的一种辅助手段。②算术平均值法。③图象法。在图象呈曲线的情况下，可先根据大多数描点的分布位置(个别特殊位置的奇异点可舍去)，画出穿过尽可能多的点的草图，然后连成光滑的曲线，一般要避免画成折线形状。本题的考查重点是：测试考生能否通过分析，正确处理数据，并通过对数据的分析和综合，得出合理结论。这一点非常重要，因为在研究性学习中，由于多种原因，获取的数据既多又杂，研究者必须要有一套科学可行的方法对实验数据进行正确评价，合理取舍，才能在此基础上作出科学地推理，得出合理结论。[答案](1)见右图(2)随着温度升高，粘附力先增大后减小，在37℃时，粘附力最大。[例3](2002年全国理综卷)为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么?再写出你的设计思路。(1)实验一：取生长状况一致的大豆幼苗用符合实验要求的容器进行培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。(2)实验二：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中(砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求)，对照组浇以蒸馏水，实验组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。(3)实验三：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中(砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求)，对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。(4)下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。[解析]本题型属于探究实验类，题目提供的三种假想实验设计思路中，均含有不同程度的合理成分，考生逐一对上述实验思路进行评价时，不仅要重视分析和阐明实验设计不能取得预期结果的原因，而且要关注实验设计思路中隐含的合理成分，从而为提出一个合理的实验设计思路创造条件。因此说，该题的编制比先前同类型题目有较大的突破。[答案](1)不能，因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需矿质元素而使两组植物生长均不正常；(2)不能，因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子；(3)不能，因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子；(4)取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器，对照组盛有含植物必需各种矿质项目次数温度(℃)粘附力(N)1152．02253．13303．3[来源:Zxxk.Com]4353．65374．6[6404．07452．58501．4元素的完全营养液，实验组盛有不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。二、能力提升技巧设计实验时涉及到两个很重要的步骤，就是控制变量和给出可操作定义。⑴控制变量在一个设计良好的实验中，除了要观察的变量以外，其余变量都应始终保持相同。变量是指实验中可以变化的因子。其中人为改变的因子称作调节变量。而其他的因子都应保持不变。随着调节变量变化而变化的因子称为应变量。应变量是为了得到实验结果而需要观察或测量的指标。除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验叫做对照实验。绝大多数对照实验都要设立对照。⑵自定义设计实验的另一个重要方面就是要有清楚的实用性的定义。实用性定义是指一个说清楚某个变量该如何进行测量，或者某个术语该如何定义的陈述。[例5]抗原和抗体都有特异性，所以，带有不同抗体的淋巴细胞亦有特异性。这么多种类的淋巴细胞是怎样来的?是天生的还是后天分化出来的?有人认为淋巴细胞最初并不是分别带有不同抗体的，只有在它们与抗原分子接触之后，在抗原分子的影响下才分化出与抗原分子的抗原决定子互补的抗体。这一学说称为教导说。另一学说认为，淋巴细胞不需要抗原的作用，就已分化为多种带有不同抗体的细胞了。当一种抗原侵入人体后，在无数种淋巴细胞中，只有表面本来就带有和这种抗原互补的受体的少数淋巴细胞能和抗原结合。一经结合，这种淋巴细胞就恢复了分裂的能力，连续分裂产生大量带有同样抗体的淋巴细胞群。这一群细胞由于是同一来源的，所以称为克隆，这就是克隆选择学说。试设计同位素标记实验证明。实验步骤及结果：㈠准备三组同样实验小白鼠a、b、c。㈡给小白鼠a、b以高剂量的同位素标记的某抗原，结果小白鼠不发生免疫反应；给小白鼠c以同样剂量的正常的(无同位素标记)同样抗原，结果小白鼠发生免疫反应；［注：高剂量的同位素标记的抗原能够全部杀死带有互补抗体的淋巴细胞］㈢结论：学说正确问题：c组小白鼠及其处理的作用是[解析]解答本题首先要明白教导说和克隆选择学说的要点：前者认为特意性抗体是抗原侵入后诱导形成的，事先并不存在；后者认为无论是否有抗原侵入，各种特意性抗体是先天存在的。其次，利用同位素标记的抗原与抗体的特意性结合控制变量。[答案]支持克隆选择学说：㈢此时给小白鼠a正常的(无同位素标记)同样抗原，结果小白鼠不发生免疫反应；给该小白鼠b正常的(无同位素标记)其他抗原，结果小白鼠发生免疫反应；支持教导说：㈢此时给小白鼠a正常的(无同位素标记)同样抗原，结果小白鼠发生免疫反应；给该小白鼠b正常的(无同位素标记)其他抗原，结果小白鼠发生免疫反应；(说明：实验结果应与观点一致)问题：作对照；并不影响小白鼠发生免疫反应[解题技巧]设计实验的基本原则是尽量孤立因素和固定条件，一般都是强调在实验中只改变一个因素。换句话说，实验的成功与否取决于实验者对变量(实验过程中所被操纵的特定条件或因素)的有效控制，即确保“单一变量”的实验观测，尽量避免无关变量和减少额外变量，为此设置实验对照和作平行实验以排除无关变量，是增加实验结果可信度和说明力的重要措施。如本例控制变量的方法是同位素标记的抗原控制，即设计有或无相应效应B淋巴细胞两种情况，并在该情形下作对照实验，观察其不同的免疫反应。三、基础能力测试1．炭疽热是由碳疽芽孢杆菌引起的，它可引起动物组织水肿，粘膜出血造成死亡。法国著名科学家巴斯德在研究牲口炭疽病时进行了如下实验：把实验绵羊用毒性已削弱的炭疽芽孢杆菌制剂注射，这些绵羊感染后没有发病。四天后，对实验绵羊注射毒性很强的炭疽芽孢杆菌制剂，经过一段时间看，实验绵羊全部正常生活。本实验的结论是：实验绵羊获得了免疫力。请回答以下问题：(1)①实验绵羊在第二次注射炭疽芽抱杆菌后没有发病，其原理是绵羊体内产生了相应的抗体，从而获得免疫力，这属于免疫。②毒性极弱的炭疽芽孢杆菌进入绵羊体内作为抗原起作用，使其体内产生了具有免疫力的物质，请写出所有与该物质产生有关的细胞名称(2)我们认为仅用该实验过程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设计原则、步骤、预测结果。①实验设计原则：②操作步骤：③预测结果：2．大气污染物可普遍引起植物中游离脯氨酸含量的变化，并认为这是植物受环境影响的一种生理反应和细胞结构及功能受损的表现。酸雨对植物脯氨酸的变化和危害的关系如何呢?某小组在老师的协助下，制定了课题研究的初步计划并进行下述实验过程。一、材料与方法本研究的供试植物为伯乐树、翅荚木、香椿、刺槐。种子首先进行消毒与育苗，当苗木生长到一定高度后，选取生长好和长势相近的苗木移至适宜的培养钵或木箱中栽培，按常规盆栽方法管理，经20天左右的缓苗期，分别用pH=5、pH=3、pH=2的硫酸型人工模拟酸雨进行喷洒处理，每天喷洒五次，每次以喷湿为准，每次喷洒量约为500mL，重复7—9次。每次喷洒前观察和调查植株生长和受害情况，并分别收集和统计落叶，对脯氨酸含量进行测定。二、试验结果1．叶片脯氨酸含量的变化，随酸雨pH下降而递增，酸雨pH越低，脯氨酸增加的幅度越大。当pH为2时，伯乐村、翅荚木、香椿、刺槐的增加幅度分别为131.4%、126.1%、124.5%和99.1%。2．根系脯氨酸含量的变化与叶相反，随酸雨pH下降而递减，当出为2时，其减少幅度在3％一8％之间。三、分析并回答：(1)该实验为性实验(探索性或验证性)(2)从实验结果看该实验方法中还应增设何种处理(3)若要得出叶中脯氨酸含量的变化与危害的关系，实验中还应增加叶的危害程度这一指标，叶的危害程度可以用作为指标。(4)由实验结果可以得出：①叶片脯氨酸随酸雨pH下降而递增，根系则相反，这说明②叶中脯氨酸增幅的比例不同说明3.为验