高三生物高考实验设计专题
一、生物实验的理论和方法
（一） 生物实验程序
生物科学实验的一般程序为：
观察并提出问题→提出假说→设计并完成实验→分析数据，得出结论。
1.观察，提出问题
在观察基础上提出有意义的值得探讨的问题。
2.提出假说
假说也称假设或猜测，指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出的问题所做出的参考答案。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科学原理，通过创造性的思维，提出初步假定。
第二步，作出预测推断，依据提出的假说，进行推理得出假定性结论。
如：孟德尔“对分离现象解释的验证的测交”实验的假说是：F1(Dd)产生配子时，产生含有基因D和含有基因d的两种配子，并且它们的数量相等。而预期是测交结果的后代中高茎与矮茎之比为1：1。
3.设计完成实验
实验是完成假设和解决问题的最终途径，指在人为控制的条件下研究事物变化的一种方法。如孟德尔在验证“对分离现象的解释”这一假设时，便巧妙地设计了“测交”实验。
4.分析数据，得出结论
观察、实验的目的在于获取验证性的结果。所以在实验中要记录实验的事实、现象、数据，捕捉、记录由实验变量带来的反应变量。据此论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，进而得出实验结论。①如果所获取的结果与假设相符，则肯定假设；②如果结果与假设不相符，则否定假设；③如果结果与假设无关，则无从判断，可另做假设。实验过程必须客观、真实。
（二）生物实验的基本步骤
一个完整的生物学实验包括以下基本步骤：
1.确定课题，明确目的原理
做什么实验；解决什么问题；依据什么原理。
2.提出假设
提出初步假定，并对可见现象提出一种可检测的解释，具体为：
例如，孟德尔“对分离现象解释的验证”的测交实验假设是：“F1(Dd)产生配子时，产生含有基因D和基因d的两种配子，并且它们的数目相等”。
3.作出实验预期
在检测实验假设前，先提出实验预期结果(一个假定的结果)，若预期结果没有实现，说明假设不成立；若预期结果实现，则假设成立。
4.设计实验
根据实验目的和提出的假设，确定实验基本思路，确定选材、装置及实验对照等，设计实验的具体方法步骤，并按设计的方案进行操作。
5.观察、记录实验现象和收集数据
客观如实地观察、记录实验现象，得出实验结果，并通过一定方式将实验结果呈现出来。
6.分析作结
对记录的数据(包括现象和结果)进行整理分析，归纳出一般概括性判断，并用文字、表格、绘图等形式作出简明的总结。
7.推论
根据实验事实进行推理得出结论。
8.交流
写出实验报告。
（三）生物实验的变量、原则
生物实验设计应该注意以下几个方面的问题：
1.科学实验应先确定实验变量
在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，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“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中，所给定的低温、适温和高温是实验变量，而由于低温、适温和高温条件变化，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外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。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。如：上述实验中除实验变量以外，试管的洁净程度、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、实验操作程序、温度处理的时间长短等，都属于无关变量。如果无关变量的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会对实验结果造成干扰，产生误差。在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就会避免实验结果的差异是由于无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。
(3)教材中相关实验的变量
| 实验 | 自变量 | 因变量 | 无关变量 |
| 实验4 比较过氧化氢酶和Fe3＋的催 化效率 | 催化剂的种类(过氧化氢酶、Fe3＋) | 催化效率的高低(以点燃但无火焰的卫生香燃烧的猛烈程度表示或气泡产生速度表示) | 试管等用具的洁净度、环境温度、相同材料的量、各种试剂的量、反应时间等 |
|
实验5 探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水 解的作用 | 底物的种类(淀粉、蔗糖) | 淀粉酶将淀粉水解(处理后加斐林试剂，加热出现砖红色沉淀)，但不能水解蔗糖(处理后加斐林试剂并加热，无砖红色沉淀出现) | 淀粉与蔗糖溶液的量、水浴的温度与处理时间、斐林试剂的使用量与加热时间、操作程序等 |
| 实验8 植物向性运动的实验设计和 观察 | ①是否黑暗、单侧光照、均匀光照) ②改变幼苗空间位置以接受重力影响 | ①幼苗弯曲状况 ②根的弯曲方向 | ①幼苗的种类及生长状况、环境温度、培养条件、处理的部位、装置的合理性等 ②萌发种子的种类及萌发状况、环境温度、培养条件等 |
| 实验9 观察植物细胞的质壁分离和 复原 | 外界溶液 的浓度即高渗及低渗溶液) | 质壁分离(液泡失水缩小、颜色变深、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) | 溶液的种类及浓 度；分离与复原现象的观察；装片的洁净度及临时装片的制作；材料的选择等。 |
| 实验12 观察SO2对植物的影响 | 不同浓度 的SO2 | 植物体的生长状态的变化 | 实验装置及器材的一致性、实验植物生长状况、SO2浓度的控制、培养的环境条件、实验操作程序、观察时间的长短等 |
| 实验13（选修）、 温度对酶活性的影响 | 温度( | 加碘液后溶液颜色的变化 | 试管的洁净度、淀粉溶液的量、不同温度的处理时间长度、操作程序、碘液的加入量等 |
| 研究课题 设计实验观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响 | 生长素(或类似物)的 不同浓度 | ①扦插枝条的生根状况的差异 ②果实发育状况的差异 ③落花落果状况在使用前后的差异 | 实验材料的一致 性、激素浓度的准确性、处理时间的一致性等 |
2.实验设计的原则
(1)科学性原则
所谓科学性原则，是指实验的原理要符合科学原理，实验结果的预期有科学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基本知识和基本原理，以及其他学科领域的基本原则。
科学性原则具有两个方面的含义。首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。具体地说，科学性原则体现在以下几个方面：
①实验原理的科学性
实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须经前人总结或经科学检验得出的科学理论。如2000年全国高考试题中第25题，要求学生通过实验验证“钙离子在血液凝固中的作用”。题中给出了两个实验原理：血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，若缺少它则血液不凝固；草酸钾溶液能与钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，因此具有抗凝血作用。这两条原理科学而且完整，学生可由此产生明确的设计思路。
②实验材料选择的科学性
根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。孟德尔选用自花传粉的豌豆作为杂交实验材料，以及“植物细胞的质壁分离和复原实验”选用紫色洋葱作为实验材料都是经典的成功选材的范例。再如，新鲜的黑藻嫩叶是“观察细胞质流动”实验的理想材料，因其新鲜，故能保证观察到的是活细胞；因其含水量多，故能保证细胞质流动的流动速度快，实验现象明显；因其含叶绿体，故能使细胞质的流动速度和流动方向清晰可见；因其叶片薄，故便于制片且能在显微镜下观察。另外，黑藻在一年四季都可以培养，取材方便。有了这样的实验材料，再加上科学的方法，就可以顺利达到实验目的。
③实验方法的科学性
只有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果，如证明植物的光合作用过程中释放CO2的实验是这样设计的：通入的空气先经过NaOH溶液除去其中的CO2，再经过Ca（OH）2溶液检验CO2是否完全除尽，最后才通入装有萌发的种子的密封容器中。只有经过这样的步骤，才能完全排除干扰因素，证明瓶中的CO2确实来源于种子的呼吸作用。
④实验结果的科学性
这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。如下面这个实验：用含有各种必需矿质元素的溶液培养大麦，48小时后测定几种离子的浓度占该离子开始浓度的百分比，实验结果如下：
| 实验条件 | 水分消耗(mL) | Ca2＋ | K＋ | Mg2＋ |
| 光照 | 1090 | 135 | 27 | 179 |
| 黑暗 | 534 | 105 | 35 | 113 |
上面的结果因为经过了记录和整理，所以使人一目了然。观看这个实验结果，首先要看出该实验中设计了哪些对照组，由上表可知，表中出现三组对照：一组是有光与无光；一组是水分的吸收与矿质元素的吸收；还有一组是不同的矿质元素的吸收情况比较。所以我们分析实验结果时，也应从这三个方面人手，得出如下结论：一是植物对水分和矿质元素的吸收与光有关；二是植物对水分和矿质元素的吸收是两个相对独立的过程；三是植物对矿质元素的吸收具有选择性。
(2)平行重复原则
任何实验必须有足够的实验次数，才能避免结果的偶然性，使得出的结论准确、科学。平行重复原则要求控制某种因素的变化强度，观察其对实验结果的影响程度。下面的这道题就是根据平行重复原则设计的实验。在用质壁分离法测定细胞液浓度的实验中，把剪成小块的洋葱表皮分别放人下面各组溶液中，结果如下表：
| 培养皿 | 蔗糖溶液浓度 (mol/L) | 发生质壁分离细胞占观察细胞数目的百分比 |
| 1 | O.2 | 无 |
| 2 | O.3 | 无 |
| 3 | 0.4 | 15％ |
| 4 | O.5 | 40％ |
| 5 | O.6 | 80％ |
| 6 | 0.7 | 99％ |
| 7 | O.8 | 100％ |
请回答：
(1)该洋葱细胞液等渗浓度范围为 。
(2)在以上基础如何改进实验，将测定的洋葱表皮细胞的细胞液浓度范围精确到小数点后两位数。
A.需设置的蔗糖溶液浓度分别为 。
B. 。
C.观察。
D.结果与分析。
实验的第二步需要根据平行重复原则设计实验来得出结论。
(3)单一变量原则
该原则可使实验中的复杂关系简单化，使结果更准确。其含义是：
①不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个变量对应观测一个反应变量。
②实验中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖水解作用”的实验中，加入的淀粉和蔗糖是单一变量，而加入的淀粉酶的量、反应温度、pH则应控制成相同条件，否则这些因素的差异将作为无关变量，干扰实验结果及对实验结果的分析。
再如：某兴趣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，并设计如下实验：
| 花盆 | 阳光 | 温度 | 水 |
| I | 光照 | | 充足 |
| Ⅱ | 暗室 | | 不充足 |
在这一实验设计中，应该改正的错误是( )
A.两个花盆应该放在向阳的地方
B.两个花盆都应放在暗处
C.两个花盆的温度不应该一样高
D.两个花盆都应该浇给充足的水
这个实验要研究的是阳光对大豆发芽的影响，因此阳光应该为自变量。根据单因子变量的原则，其他因素都应相同，两花盆该浇给同样充足的水，这样既保证了单一变量，又使大豆不会因为缺水而影响发芽。而如果两个花盆都浇水不足，两个花盆中的大豆就会因为缺水而使发芽不良，也会导致实验的失败。因此，在考虑单因子变量原则时，还应尽量使常量能够满足实验成功的条件。
(4)控制与平衡控制原则
该原则是指要严格地操纵自变量，以获取因变量。同时，要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。即尽量消除实验误差，以取得较为精确的结果。常用的方法有单组、等组及轮组实验法。
①单组实验法
对一组(或一个)对象，既用A法，又用B法，顺序随机或轮流循环，这是生物实验常用的实验方法。例如，“观察植物细胞的质壁分离与复原”实验，通常是将做好的紫色洋葱鳞片叶表皮细胞装片，先用蔗糖溶液做质壁分离观察，接着又用清水做质壁分离复原观察，这就是单组实验法。由于对象同一，无关变量的影响也就被平衡和抵消了。
②等组实验法
将状况相等的对象，分成两组或多组，一组用A法，另一组用B法，这也是生物实验常用的实验方法。例如，“植物激素与向性”实验，设计了5组实验，其对象是玉米幼苗，要求品种、萌发期、粗细、大小、长势等状况都是相同的，这就是等组实验法，对无关变量的影响起到了平衡和消除作用。
③轮组实验法
对两组或两组以上的对象，循环进行两个或两个以上的实验处理。如甲组——A法、B法；乙组——B法、A法等，这样能有效的平衡和抵消无关变量的影响。自然，操作起来要麻烦一些。例如，“植物向光性”实验，可随机取2株(组)生长状况并不相等的玉米幼苗，做如下实验处理：
实验结果则是a＋d(“不透光”)和b＋c(“单侧光”)的比较，这就是轮组实验法。无论先用单侧光处理，还是先用不透光处理，两株长势不同的玉米均表现向光性，均由单侧光引起，可见这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量更有说服力。
(5)对照原则
对照原则是中学实验中最常用的原则，如有关酶的高效性、专一性和影响酶活性的条件的实验，观察植物细胞质壁分离和复原实验都采用了对照。通过设置对照实验，既可排除无关变量的干扰，又可增加实验结果的可信度和说服力。
在一个对照实验中，可包括实验组和对照组。实验组是接受自变量处理的对象组，对照组是不接受自变量的处理的对象组，一般是随机决定的。常用的对照组类型有以下几种：
①空白对照
对照组为不作任何处理的对象组。如“探索影响淀粉酶活性的条件”实验中，1号试管加1 mL蒸馏水，2号、3号试管分别加等量的NaOH、HCl溶液，1号试管即为典型的空白对照组；用小狗做活体材料设计实验，证明动物生长激素的分泌器官及作用时，用不做任何处理的小狗作对照，与切除了脑垂体的小狗进行比较。
②自身对照
实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组。如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验，既是典型的自身对照——实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化为实验组。
③条件对照
给实验组某种处理，给对照组另一条件的处理。如在验证唾液淀粉酶发挥作用的最适温度的实验中的O℃和
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：对蝌蚪不作任何处理(空白对照)
④相互对照
指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。如验证温度对唾液淀粉酶活性影响的实验中
