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实验设计是生物实验中的一种类型，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。I、实验设计的背景资料:科学的本质特点是探索真理和发现真理。因此，其最有生命力的价值是“发现”，是不断指向未来与未知的过程，所以，实验是科学的基础。美国科学家科南曾经将一般科学方法归结为六个步骤：1.根据经验或现象的观察提出或确定问题，树立研究目标。2.观察并记录有关的数据、资料。3.根据观察数据提出解释性假说，以解释观察到的现象。4.根据假说进行推演，构造理论体系，同时提出判决实验方案。5.用实际的实验对假说进行检验。6.根据实验所得结果，接受、修改或放弃假说。这样的一种以归纳为核心内容的方法，作为科学方法的一般程序，是得到公认的。这种方法适用于一切科学研究过程。要进行实验，首先必须对研究对象所表现出来的现象提出某种可能的解释。也就是提出某种设想或假说，然后设计实验来验证这个设想或假说。由此可见，在科学的研究方法中，实验起着重要的作用。它不仅意味着某种精确地操作，而且是一种思考的方式。II实验理论实验是科学研究过程中的一个重要环节，是在人为控制条件下，研究对象的变化，以其结果论证科学结论的一种科学方法。由于研究问题的性质不同，科学研究的方法也有差异，但通常可分为以下几步：观察提出问题假说实验结论(一)观察观察是科学研究方法的第一步，这里的观察，是在处于自然常态条件下进行。对事物进行观察时必须周详，并记录下来，尤为重要的是要操持客观的态度，人们常希望看他们想要看或应该看到的现象，因此而影响观察结果，产生偏差，这就要真实的记录，不能虚假。(二)提出问题人们对事物作缜密观察以后，常常由于好奇心或想作进行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，因此，进行研究时，不仅要提出问题，而且要提出确切的问题。此外对问题的叙述，也要清楚和正确，如“染色体的运动是否由于纺锤丝的牵引？”(三)假说科学方法的第三步是假说。假说也称假设或猜想，指用来说明某种现象而末经证实的论题，也就是对所提出的问题所作出的参考答案。假说一般分为两个步骤：第一步，提出假说，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，提出初步的假定；第二步，作出预期推断，即依据提出的假说，进行推理，得出假定性的结论。例如“动物激素饲养小动物的实验”，其假说是“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，在短期内将快速地发育成一只小的青蛙”，实验证实预期的推断正确。(四)实验实验就是验证假说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，是科学方法的最大特色，也是科学方法中最困难的一步。在科学实验过程中，应掌握和贯彻以下几点：1、实验设计的基本原则1.1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基本知识和基本原理以及其它学科领域的基本原则。生物学实验中，一种生命现象的发生往往有其复杂的前因后果，从不同角度全面地分析问题就是科学性的基本原则。如绿色植物新陈代谢中的物质代谢有各种细胞的参与，有各种物质在不同方面的变化。分析问题、设计实验的全面性和科学性体现了逻辑思维的严密性。1.2可行性原则：在实验设计时，从原理、实验实施到实验结果的产生，都实际可行。1.3简便性原则：实验设计时，要考虑到实验材料要容易获得，实验装置简单，实验药品较便宜，实验操作较简便，实验步骤较少，实验时间较短。1.4可重复性原则：重复、对照、随机是保证实验结果准确的三大原则。任何实验都必须有足够的实验次数才能判断结果的可靠性，设计实验只能进行一次而无法重复就得出“正式结论”是草率的。1.5单一变量原则不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。例如: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。①实验变量与反应变量。实验变量(也称自变量)是实验中由实验者操纵的因素或条件，而反应变量(也称因变量)是指由实验变量而引起的变化结果，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。例如：关于“温度对酶活性的影响”的实验中，“低温(冰块)、适温(37℃)、高温(沸水)就是实验变量，而这些变量引起的实验变化结果就是反应变量。该实验旨在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：“温度对酶的活性”影响中，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。实验变量，或称自变量，指实验假设中涉及的给定的研究因素。反应变量，或称因变量，指实验变量所引起产生的结果或结论。而其他对反应变量有影响的因素称之为无关变量，观察其对实验结果的影响。1．6对照性原则实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。由于同一种实验结果可能会被多种不同的实验因素所引起，因此如果没有严格的对照实验，即使出现了某种预想的实验结果，也很难保证该实验结果是由某因素所引起的，这样就使得所设计的实验缺乏应有的说服力。可见只有设置对照实验，才能有效地排除其它因素干扰结果的可能性。才能使设计显得比较严密，所以大多数实验，尤其是生理类实验往往都要有相应的对照实验。如何设置对照实验呢？所谓对照实验是指除所控因素外其它条件与被对照实验完全相等的实验。对照实验设置的正确与否，关键就在于如何尽量去保证“其它条件的完全相等”。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。有时尽管某种处理对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但最好还是要作同样的处理。设置对照组有4种方法：(1)空白对照，即不给对照组做任何处理；例如，在“唾液淀粉酶催化淀粉”的实验中，实验组滴加了唾液淀粉酶液，而对照组只加了等量的蒸馏水，起空白对照。课本中涉及到的用甲状腺制剂饲喂蝌蚪与正常情况下蝌蚪不作任何处理对照就属于空白对照；(2)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。这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理，目的是通过得出两种相对立的结论，以验证实验结论的正确性。例如：“动物激素饲养小动物”采用等组实验法，其设计实验方案是：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)丙组：不饲喂药剂(空白对照组)显然，乙组为条件对照，该实验既设置了条件对照，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蝌蚪的生长发育。显然，通过条件对照．实验说服力大大提高。(3)自身对照:指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不再另外设置对照组；例如，“质壁分离与复原”实验，自身对照简便，但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。(4)相互对照:不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。这种方法常用于等组实验中。“植物向光性”实验中，利用若干组燕麦胚芽鞘的不同条件处理的实验组之间的对照，说明了生长素与植物生长弯曲的关系。证明玉米根的生长方向与地心引力的关系实验中不同方向放置的玉米种子之间则属于相互对照。根据实验目的要求，凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中，一般都需要设计对照组实验。中学阶段所要求的实验设计一般多采用对照的原则，因为科学、合理的设置对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。另外，对实验结果的分析要注意分析方法的选择，有时还要求用图表表示有关结果或事实，这也是常用的基本技能。(4)相互对照:不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。这种方法常用于等组实验中。“植物向光性”实验中，利用若干组燕麦胚芽鞘的不同条件处理的实验组之间的对照，说明了生长素与植物生长弯曲的关系。证明玉米根的生长方向与地心引力的关系实验中不同方向放置的玉米种子之间则属于相互对照。根据实验目的要求，凡是涉及确定变化因素之间的因果关系的实验中，一般都需要设计对照组实验。中学阶段所要求的实验设计一般多采用对照的原则，因为科学、合理的设置对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。另外，对实验结果的分析要注意分析方法的选择，有时还要求用图表表示有关结果或事实，这也是常用的基本技能。如在“植物向光性”的实验设计中，如下图所示，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1234未经处理尖端遮光切去尖端中部遮光光光光光2、实验设计的思路和方法2．1实验设计的思路首先，应认真研究实验课题，依据科学的实验思维方法，找出其中的实验变量和反应变量，理解题目已知条件所隐含的意义。明确实验目的、实验原理及实验要求的基本条件。其次，充分利用所给器材和试剂，构思实验变量的控制方法和实验结果的捕获方法。—般情况下，题目中所指定的器材、试剂，任何一种都应在实验的相关步骤中出现，避免遗漏或自行增加某种器材或试剂。精心策划实验方法、严格设计实验过程、合理设置对照或变量，并引入科学的测量方法其三，最后再选择适宜的实验材料(实验对象)，在注意实验步骤关联性的前提下表述实验步骤，并从不同的角度分析实验结果。实验步骤的关联性需要考虑步骤排列的顺序性和实验主体(生物个体、器官、组织、细胞等)活性的维持；更高层次的关联，是认识探究过程的关联和递进，不断地淘汰、修正、检验假设，最终接近正确结论。这也是实验科学最基本的原则和要求。最后，能够做到有效预测实验结果、科学描述实验结果，并得出科学的实验结论。2．2实验设计的方法一份完整的实验设计方案，应该包括：实验名称，实验目的，实验原理，实验对象，实验条件，实验材料、用具和装置，实验步骤，实验现象，实验结果的假设和预期，实验结果的分析和讨论。实验设计的基本内容明确实验目的分析实验原理确定实验思路设计实验步骤预测结果并分析得出实验结论实验名称：是关于一个什么内容的实验。实验目的：要探究或者验证的某一事实。实验原理：进行实验依据的科学道理。实验对象：进行实验的主要对象。实验条件：完成该实验必需的仪器、设备、药品条件。实验方法与步骤：实验采用的方法及必需操作程序。实验测量与记录：对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确的记录。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导致的原因。实验结论：对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论。3、实验设计应注意的问题3．1在掌握实验目的(即需要验证的生物学事实)、原理的基础上确定实验方法。3．2严格遵循实验设计的基本原则，准确设置对照或变量。3．3注意实验程序的科学性、合理性。3．4对实验现象进行准确的观察、测量、记录。3．5准确地预测实验结果，实验设计的最后往往还需要预测实验结果，在结果预测上要全面，准确。可能出