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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。由于学生缺乏实验设计的有关理论知识，平时的练习也偏少，因此，遇到这类题型，就会感到茫然，无所适从。为解决这一问题，现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的类型作一介绍，以期增加学生理论知识，提高学生分析问题和解决问题的能力之目的。
Ⅰ实验设计的背景资料 实验在生物教学中有十分重要的地位。自然科学学科设立目的是帮助学生掌握科学的世界观和方法论，理解和掌握一定的科学知识。但是由于近代的科学教育太注重教材和书本知识，使得科学的本质被淹没在一般的科学知识的细枝末节之中了。生物教学也是如此，使生物实验变成了知识的简单验证和再现。 目前，改变这一现状显得尤为迫切。随高考的不断改革，高考对生物学实验有不更高的要求，集中表现在开放性实验设计题的出现上。而这一类题型在高考复习中是令学生非常头痛的问题。要解决这一难题首先要明确实验在科学研究方法中的意义和地位。 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。 只有理解了实验的本质以后，才可能将注意力从记忆转移到思考和创造上来。才能理解科学本来是一种探索真理的活动。 Ⅱ实验设计的基本理论 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。由于研究问题性质的不同，科学研究的方法也有差异，但通常分为以下几步： 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，并将它记录下来。而尤为重要的是要保持客观的态度。人们常希望看到人想要看或应该看到的现象，因此而影响观察结果，产生偏差。 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一步的了解而提出问题，虽然任何人都能提出问题，但只有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，对问题的表述，也要清楚而正确，例如"蚯蚓如何借肌肉的收缩和舒张而移动身体？" 三、假说 科学方法的第三步是假说。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，新编高中生物的"动物激素饲喂小动物的实验"，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，将促使蚪蝌的生长发育加速"。实验预期是较具体的推断。 一个问题常有多个可能的答案，但通常只有一个是正确的。因此，假设是对还是错，还需要加以验证，即依据假设或预期，设计实验方案，进行实验验证。 四、实验 实验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。这是科学方法的最大特色，也是科学方法中最困难的一步。如何求证假设可充分展现研究者的才华。在科学实验中，要掌握或贯彻以下几点： (一)变量 变量，或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为两类： l.实验变量与反应变量 实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。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。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如，在"温度对酶活性"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结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于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以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量有干扰作用，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、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度，实验操作程度，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或条件，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或减少额外变量，以减少误差。 (二)单一变量原则 (三)控制与平衡控制 保证实验不受干扰或将干扰因素降低到最低程度控制，是处理实验中变量关系的又一准则，指实验要严格地操纵实验变量，以获取反应变量。与此同时，还要严格地均衡无关变量，以消除额外变量干扰。一句话，通过实验控制，尽量消除实验误差，以取得较为精确的实验结果。 如果说"单一变量"原则，主要是对实验变量与反应变量的控制而言，而这里的"平衡控制"，则主要是对无关变量与额外变量的控制而说的，意思是说，实验中的无关变量的因素条件，很难避免，只能设法平衡和抵消它们的影响，常用的方法有： l.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，通常是将做好的洋葱紫色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，无关变量影响也就被平衡和抵消了。 2.等组实验法 将状况相等即对象，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，这样就有效地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，作如下实验处理： 甲组：玉米幼苗--A先用"不透光"处理 B后用"单侧光"处理 乙组：玉米幼苗--C先用"单侧光"处理 D后用"不透光"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。这种实验处理的匹配，对平衡、消除无关变量和额外变量更有说服力。 (四)对照 对照是实验控制的手段之一，目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比。既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。 通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组：对照组，也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型： l.空白对照 指不做任何实验处理的对象组。例如，在"生物组织中可溶性还原糖的鉴定"的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。 2.自身对照 指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如"植物细胞质壁分离和复原"实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。 3.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。例如，"动物激素饲喂小动物"的实习实验，采用等组实验法，其实验设计方案是： 甲组：饲喂甲状腺激素(实验组)； 乙组：饲喂甲状腺抑制剂(条件对照组)； 丙组：不饲喂药剂(空白对照组)； 显然，乙组为条件对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量--甲状腺激素能促进动物的生长发育。 4.相互对照 指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，在等组实验法中，大都是运用对照，如"植物的向性"的等组实验中，5个实验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。 五、结论 观察、实验的价值即在于获得验证性的结果。因此，在实验中要记录实验的事实、现象和数据，即捕捉、记录由实验变量而带来的反应变量。然后，论证、说明实验中的自变量与因变量的因果关系，从而得到实验的结果。①如果所获得的结果与假设相符，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。最后得出结论。 科学实验必须遵循真实、客观的基本准则，即实验中的观察一定要实事求是，一切从实验出发，使获取的材料(事实、现象、数据)尽可能的反映客观事物的本来面目，不能凭空胡诌，不能片面武断。 以上科学方法是进行实验设计，制定实验方案的理论依据。 Ⅲ实验设计的思路 一、实验设计的含义 实验设计是指在正式进行科学实验之前，实验者根据一定的日的和要求，运用有关的科学知识、原理，对实验过程中的材料、手段、方法、步骤等全部方案的制定。 二、实验设计的原则 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和基本原理以及其他学科领域的基本原则。如：淀粉酶水解淀粉的顺序问题。 2.可行性原则 可行性原则是指在设计生物学实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都具有可行性。 3.简便性原则 设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作挝程比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。 4.可重复性重复、随机和对照是保证实验结果正确性的三大原则，多年来为研究者所公认。因此，在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验部必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可靠性，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，作为正式结论，这样的结论易被推翻。 三、实验设计的内容 一个比较完整的实验设计方案，一般包括以下几方面的内容：①实验题目的确定；②提出假说；③设计实验方法和步骤；④提出实验的预期结果；⑤要观察和搜集的数据及方法。书写实验设计方案通常包括："实验课题"、"实验假说"、"实验预期"、"实验目的要求"、"实验方法类型"、"实验对照类"、"实验材料用具"、"实验方法步骤"和"实验结论与讨论"等项目。而在中学生物课本的实验指导中，实验假说和实验预期大都隐含在"实验原理"中。实验方法类型、实验对照类型则一般隐含在"方法步骤"里。 四、实验设计的关键环节 1.实验设计中的假说 在实验设计中，每一个实验目的的确定，都是一个实验假说的形成过程。我们在作出实验假说时，必须在注意假说的预见性的同时，强调客观性和多样性。 2.实验材料和实验手段的选择 选择恰当的材料和手段，是所设计的实验能否达到预期结果的重要保证。 3.反应变量的确定和控制 依据实验条件和环境因素充分控制无关变量，使实验具有科学性，结果不受干扰。 Ⅳ 实验设计题的类型 类型一 给出实验用具、材料、药品、实验的目的，要求根据所给器材设计实验方案。 [例1]请根据下述条件设计一个实验，鉴别两个不同浓度的蔗糖溶液，写出实验步骤并分析结果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml烧杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，细线一根，支架l个。 (1)实验步骤： (2)结果分解： [解析]本实验是考查渗透作用的原理和动手设计实验的能力，解题的关键是如何利用透析袋和两种液体形成一个渗透系统。当将两种液体之一放入透析袋，另一液体放大烧杯中，然后将盛放液体的透析袋用线扎实(插入刻度玻璃管)并浸浴在烧杯的液体中时，由于两液体具有浓度差，水分子便通过透析袋发生渗透作用，观察刻度玻璃液面数值变化即可将二者区别开来。 [答案](1)实验步骤：①将一瓶中的液体倒入烧杯中 ②将另一瓶中的液体倒入透析袋，刻度玻璃管插入袋内液体中，用线将袋口和玻璃管扎紧 ③将插有刻度玻璃管的透析袋放大盛有液体的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管液面刻度 ④一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面上升还是下降。 (2)结果分析：如液面上升，则透析袋中的溶液为30%蔗糖溶液，烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液。反之，可推测透析袋中是10%蔗糖溶液，烧杯中的液体是30%的蔗糖溶液。 [误区]定性的把30%或10%的蔗糖溶液一定放在透析集中，会使设计复杂化，甚至影响设计思路。 [例2](2000年理科综合)血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，缺乏钙则血液不能凝固，草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝作用，请根据提供的实验材料和用具，简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果，验证钙离子在血液凝固中的作用，并回答问题： 一、实验材料和用具 (1)家兔 (2)生理盐水 (3)酒精棉 (4)适宜浓度的草酸钾溶液 (5)适宜浓度的氯化钙溶液 (6)试管、注射器(针管、针头) 二、实验步骤和实验结果 第一步：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水(见右图)。 第二步： 问题：设置B管的目的是 [解析]本题的实验目的是验证钙离子在血液凝固中的作用，具体要求是：①完成实验步骤的设计和给出实验结果；②回答实验设计中的相关问题。 本实验的原理题目中已经给出：①血液中的钙具有凝血作用；②草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应生成草酸钙，很显然，本实验的研究对象为钙离子，分析题中给出的实验条件，特别是给出的实验设计的第一步，可确定试管A和试管B为一组对照实验，其中试管A用于观察除去血液中钙离子后血液的凝固情况，试管B用于观察血液中有钙离子(不清除有的钙离子)时的凝固情况，因此A管为实验组，B管为对照组，分析实验材料和用具的作用：家兔提供血液，酒精棉用于消毒，注射器用于抽取血液，试管、生理盐水和草酸钾已在第一步实验中用到。因此，实验设计如下： 第二步：用70%酒精棉消毒，用注射器取家兔血。 第三步：立即将等量的新鲜血液分别加入到A、B两支试管中。 根据题目所给的信息，由于A试管中有草酸钾，与血液中的钙离子结合生成了草酸钙，血液中没有了钙离子，预期血液将不会凝固；B管中加入的是生理盐水，不影响血液中的钙离子，因此预期血液将发生凝固，所以实验结果是：A管不凝固，B管凝固。 实验设计到此似乎已经完成，但仔细审题会发现，题目中给出的适宜浓度的氯化钙溶液尚未用到。再仔细推敲前三步实验，可以发现，实验设计还不够严密，尚不能排除A管中血液不发生凝固不是草酸钾的直接作用，要排除这一疑问，应再增加一步实验，即在A管内继续加入钙离子， 以进一步观察血液的凝固情况，如果血液发生了凝固。则证明第三步实验中A管血液不凝固不是草酸钾的直接作用。 实验设计从第一步到第三步采用的是并列对照实验。第四步则进一步采用前后对照实验，从而较严密地证明了钙对血液凝固的作用。很显然，题目设置B管的目的应是作为A管的对照。 [答案]第二步：用酒精棉消毒，用注射器取家兔血。 第三步：立即将等量的新鲜血液分别加入到A、B两试管中，静置一段时间。 结果：A管：不凝固，B管：凝固。 第四步：将等量的CaCl2溶液分别加入到A、B两试管中。 结果：A管：凝固，B管：仍凝固；(第四步B管中不加CaCl2溶液也行)。 问题：B管是作为A管的对照。 [误区]忽略了题中给出的适宜浓度的氯化钙溶液，导致实验设计不严密。 [说明](1)试剂用量对实验结果有影响，但本题对此不作要求。 (2)本实验总体上采用的是并列对照实验的方法，因此在AU两试管的处理上除了实验变量外，其余的各项操作都必须是相同或尽量相同，如加入的血液、氯化钙溶液都必须等量。 (3)实验设计题是一种开放型的试题，没有惟一的标准答案，也没有固定不变的思路，学生充分发挥创造性，设计出合理、独特的实验方案，才是命题者的希望。 (4)实验设计的基本原则要掌握并会应用 在已知实验题目后进行实验设计时，除了要对所设计的实验有一个整体设想，有一条清晰的思路和操作的可行性外，还需要注意以下基本原则： ①科学性：设计实验时必须有充分的科学根据，这就要求考生设计实验时要以前人的实验、公式或自己的实验为基础，而不是凭空设想。 ②严谨性：欲使实验题中的问题回答得无懈可击，必须要注意实验设计中的严谨性。如在某些实验中要设计对照实验(包括某一处理前的正常对照或对照组)，样便于实验前后对比或组间对比，得出明确的结论。有些实验则要建立在严谨的逻辑推理基础之上。 ③实验条件的一致性：在实验中，除欲处理的因素外，其他诸实验条件必须保持前后一致，不能在实验过程中随意变动，只有在实验条件完全一致的情况下(控制无关变量)。才能显示出处理因素对实验结果的影响，否则可能有未被控制的因素干扰实验结果。 ④器材的选择：在实验设计中，用具和材料的选择是十分重要的，要根据实验所提出的问题和要求，联系出题者所提供的器材，准确判断和选择实验所需的用具及材料，不要少用或多用器材。 类型二 只给出实验目的，实验器材自选，实验方案自己设计。这种类型的设计题，最能反映学生的知识水平、实践能力的高低。 [例3]请你设计一个实验，证明动物生长激素的分泌器官及其生理作用。(切除动物垂体情况委复杂，本实验不要求叙述细节) [解析]本题是一道典型的实验验证设计题。目的是考查学生实验设计的能力和分析实验的能力。设计实验时必须按实验设计的要求：①实验材料、用具；②方法步骤；③观察现象和记录实验结果；④对结果进行分析，作出结论等；设计的实验中一定设置对照实验，并且实验组与对照组只存在一个变量，否则，实验结果没有说服力，也难以证明问题。 [答案](1)材料：幼年兔(或其它幼年哺乳动物)；(2)实验方法步骤；(3)观察现象：见下表 实验分组 处理方法 实验现象 实验组A 切除垂体 停止生长 实验组B 切除垂体后每天注射生长激素 停止生长 实验组C 正常兔 正常生长 [误区]搞不清实验设计的内容和顺序，导致无从看手。 [说明]类似此题的实验设计，应根据已有的知识，结合实验设计理论进行分析，确定思路，再接程序设计，可使问题得到突破，设计中应注意知识的逻辑性和严密性不可出现漏洞。 [例4](1996年上海高考)设计一介于室外空旷处进行的实验，在不用任何药剂、装置和触及幼苗的情况下，使盆栽幼嫩植物长成如图所示形状。 (1)设计实验方案(即操作步骤)。 (2)设计该方案的原理。 [解析]图中植物发生明显弯曲，必然是生长素分布不均匀所引起。联系所学知识，自然状况下，平侧无照射和重力作用，都可引起生长素分布不均，在不用任何药剂、装置和触及幼苗、室外空旷处进行实验的情况下，不能取得单侧光照射的条件，因此只能考虑重力对生长素分布的影响。 [答案](1)将正常生长的植株花盆侧放倒在地上，将植株弯向上方生长后，再摆正花盆。 (2)利用重力影响导致生长素分别不均，使茎背她生长，从而发生弯曲的特点。 [误区]习惯靠规定的材料用具进行实验而使此题无思路可循。 (说明)实验设计应有知识基础，但要注意思维的灵活性，本题实际上就是利用一个茎背地性的原理而进行的实验。 类型三 分析己有的实验设计方案中不科学性 [例5]北阿尔伯达的一个工厂把产酸的化学品排入到空气中，工厂东面有一个湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已从原来的6儿降低到5.7。虽然酸性沉积一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不变。湖中原有的鱼是河鲈和鲤鱼。钓鱼运动员抱怨说，自从工厂开办以来，鱼资源已经减少。工厂的科学家们设计了一个实验，证明工厂排放出去的化学品与鱼资源的减少没有关系。 假定你是一个独立的仲裁员，受雇于垂钓运动委员会，来对该项实验和评估，列出你要得到的附加信息，并列举说明你要用什么方法去得到这些信息。 [解析]本实验设计方案中没有考虑鱼的生活中受着多种因素影响，这与单一变量原则是相违背的。 [答案]该实验设计测量不出下列因素。而这些因素都是对河鲈和鲤鱼的影响的： l.酸对河鲈和鲤鱼的食物数量多少的影响 2.酸对河鲈和鲤鱼的鱼卵或幼鱼的影响 3.由于春季干涸造成pH值季节性涨落的影响 4.由于酸的分解作用而进入水域的重金属量是多少 为了说明上述第一点，必须完成一项研究，即决定各种浮游生物，小水生昆虫和鲤科小鱼的多少。如果这个食物网的某些环节正在丧失，则有必要去研究酸是否对此有影响。为了说明上述第二点，可以在酸化水中饲养鱼卵和幼鱼。鱼的数量减少可能是上述第一点和第二点结合的产物，所以人工饲养幼鱼可能会给出不可靠的结果。 对于季节性涨落，应该对全湖来水样。做仔细彻底的记录至少一年。这一因素可能和第二点相符合，因为鱼卵或繁殖更受低pH值的影响。重金属是累积的毒素，人工饲养和鱼与湖里吃污染食物的鱼相比。并不暴露在相同水平的毒素中。应该在湖水中、鱼饲料中以及河鲈和鲤鱼身体中检测如铅这样的重金属含量。 所以这些因素都说明，酸的影响是长期的，在容器里短期饲养的鱼不可能给出可靠的结果。这种研究必须以年为周期来实施，而且要与该工区其他湖水情况作比较。 [误区]分析问题不全面，只考虑单一因素的影响，设计实验无说服力，也不符合实验设计的要求。 [说明]本题考查思维的全面性，在认定两个问题时。除了看有无直接联系外，也要注意考虑间接联系。 类型四 对已有的实验设计进行补充和完善 [例6](2001年理科综合)有人设计了下列实验，试图证明"生长素(IAA)在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端(顶端)向下端(基端)运输，而不能倒转过来运输(如生长素只能从胚芽鞘的上端向下端运输)。" 一、材料、用具：胚芽鞘、琼脂、刀片等 二、方法、步骤与结果： (一)制备琼脂块(下图左) (二)取一段胚芽鞘中间部，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块(上图右) (三)取步骤(二)下面琼脂块(a)的一部分放在去尖的胚芽鞘的一侧(右图) 三、结论：以上实验证明了"生长素(IAA)在植物体内的运输，主要是从植物体形态学上端(顶端)向下端(基端)运输，而不能倒转过来运输"。 我们认为，仅用该实验步骤(一)、(二)、(三)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方法，步骤和结果。 [解析]典型的实验设计的要求是：①设置对照实验，②严格控制实验条件、努力减少误差；③要考虑增加重复次数，反复验证结果。根据上述要求，仔细分析本题实验内容。可发现本题缺少对照实验。因此，实验结果不能成立，因此，应补对照实验的内容。 [答案]补充方法、步骤与结果(一)：另取一段胚芽鞘中间部分倒放，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块。 (三)下面琼脂块(b)的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧 [误区]受走势思维影响，不考虑实验设计的对照原则，而且是从生长素含量上做文章，难以找到正确突破口。 [说明]设直对照实验，是实验设计要证明问题的核心，此类题理应从原有实验内容中寻找实验内容是否全面，即可找到解题思路。 类型五 既有实验设计改错，又需进行补充完善的综合类设计题 [例7](2002年全国理综)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)，对照组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察两组植物的生长情况。 (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金营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察两组植物的生长情况。 [解析]本题是一道综合性实验设计题，较全面的考查了学生进行实验设计的知识。主要考查的知识点是①学生对自然条件下，植物生长发育存在的前提；②实验设计中，对照实验组控制单一变量的前提条件，是原有栽培基质中应排除要鉴定的元素；③分析问题和综合问题的能力。 [答案](1)不能 因为蒸馏水和镁盐溶液均缺少植物必需的矿质元素，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的各种矿质元素的完全营养液，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。 [误区]只考虑设计用的营养液中存在单一变量，不考虑综合因素。 [说明]实验设计题，往往以生物生存为前提，在严格控制外来(或原有)因素干扰下，才能依据实验设计理论做出准确的实验材料的选择，设计出合理的实验步骤，得出正确的结论。 强化训练 l.(200l年广东高考)用插管插入蛙心的心室腔中，制备带神经的搏动的离休蛙心(见右图)。插管内的液体是任氏液(能够维持蛀心跳动的生理溶液)，心脏内的血液已被任氏液代替，插管内的任氏液液面陈蛙心的收缩与舒张而上下移动。 请回答： (1)刺激支配蛙心甲的神经，心跳减慢减弱，起这种作用的种经是 副交感神经。 (2)现提供2支吸管、2个带有与甲相同装置的离休蛙心(乙和丙)、任氏液。 利用上述材料和用具，设计一个简单实验，证明神经受刺激后，心室腔内存在引起蛀心搏动变化的某种"物质"。 答：吸取任氏液或刺激神经前的蛙心，甲的任氏液加入到离体蛙心之中，蛙心搏动没有变化。吸取刺激神经后的蛙心甲内的任氏液，加入到蛙心丙中，引起离体蛀心丙的搏动减弱减馒。由此证明，神经受刺激后，心室腔内确实存在引起心脏博动变化的某种"物质"。 2.花粉母细胞减数分裂的观察 (1)目的要求： ①观察花粉母细胞减数分裂的过程，识别减数分裂的不同时期。 ②练习装片制作技术。 ③学习显微镜的使用方法。 (2)材料用具：载玻片、盖玻片、显微镜、解刮针、酒精灯、火柴、滴管、醋酸洋红染液 (3)方法步骤：①剖开花蕾将花药放在载玻片上。②将花药横切3-4段，用解刮针轻轻压碎。③滴一滴醋酸洋红液于花药上染色5-10min。(可同时选取不同大小的花蕾中的花药，进行同样的染色处理，找出正处于减数分裂期的标本)④将载玻片在酒精灯的火焰上横边几次，微微加热，勿使染液沸腾⑤加盖玻片⑥用吸水纸覆盖在盖玻片上，用铅笔头轻轻敲打盖玻片，勿使盖玻片移动 ⑦观察细胞类型和染色体形态 3.蛋清的主要成分是蛋白质，在碱性溶液中，蛋白质与CuSO4反应能产生红紫色物质，这是蛋白质的双缩腺反应。请根据这一反应特征，利用下列材料，设计一个实验来证明人的唾液淀粉酶是蛋白质。 实验材料：5%的NaOH溶液、3%的CuSO4溶液、水、试管、滴管、脱脂棉球、镊子、小烧杯。 实验步骤： (1)收集唾液：用清水将口漱净，口含一块脱脂棉；片刻后用镊子取出，并将其中的唾液挤入试管或用凉开水漱口后，舌尖抵在下颌门齿的下方，约3分钟后，略微张开口，将下唇搁在另一小烧杯口上，唾液就会沿着下属流入杯中。 (2)用滴管向试管中滴加2-3滴5%的NaOH溶液，振荡 (3)用滴管向试管中加2-3滴3%的CuSO4溶液，振荡 (4)结果观察：振荡后，静置一会儿，观察到出现红紫色，说明唾液淀粉酶是蛋白质。 4.向你提供的条件仅有，健康活泼的家兔一只，75%酒精、无菌干棉球、解剖刀、洁净的载玻片10块(编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、红墨水、秒表，请在上述提供的条件范围内，设计一个测定血液凝固时间的实验。 ①用酒精棉球消毒兔耳；②用消毒解刮刀剖开兔耳边缘的小静脉；③把从创口流出的血液分别在ABCDEFGJIL载玻片上滴一滴(第一滴血弃去不用)；④取血后对兔耳创口外进行消毒止血；⑤在L载玻片上滴一滴红墨水(起对照作用)；⑥开始记录时间，过lmin后将A载玻片竖立，第二分钟后将B载玻片竖立(在它们竖立的同时，都将L载玻片竖立一个)，余类推，看血液是否完全凝固(血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改变为凝固，这样很巧妙地看出血液是否凝固)；⑦血液完全凝固，而墨水仍然流动，即为血液凝固时间。 5.如右图所示的是未完成的实验装置，请利用A、B、C3支试管、新鲜叶片和必要的辅助材料，设计一个证明光合作用吸收CO2与呼吸作用释放CO2的实验，并预计实验结果 (l)当A管用于证明光合用的吸收CO2实验时，需 放入叶片，指示剂呈 蓝 色。 (2)当B管用于证明呼吸作用释放C比实验时，需 放入叶片并遮光，指示剂呈 黄 色。 (3)C管在实验中起 对照 作用，指示剂呈 绿 色。 (4)用几层纱布包上照光的U管，实验结果表明指示剂颜色没有发生变化，试分析其原因 光合作用吸收的CO2量与呼吸作用释放的CO2量相等。 6.甲同学做了一次植物的水培实验，培养液完全按该植物的所需标准配制，在培养过程中又及时补充培养液。实验过程中，第一周长势正常，第二周起出现缺素症状并且越来越严重。根据此情况，甲同学采取了有效措施并成功地解决了问题。随后第三周植物出现全株萎蔫，最后死亡。实验失败。请分析她的实验： (1)既然配制的是全素标准培养液，为什么还会出现缺素症状？溶液中缺氧 。当时，甲同学采取了 向培养液中通气 的措施进行补救。 7.将一支黑藻放在水中，如图所示，计算藻枝放出的气泡数以进行光合作用的测定，改变灯与烧杯的距离进行测定，结果如表。 灯与烧杯之间的距离(cm) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (1)画图表示表中数据 右图 (2)从表中你能得出什么结论 光照强度与光合作用有关。 (3)假设将灯放在距烧杯30cm处： ①向水中放入几只小的活虾，会有什么影响 每分钟气泡数增加，原因是 虾呼吸产生了CO2使黑藻的光合作用效率增强，故产生的小增多。 ②剪悼黑藻的几片叶子，会有什么影响 每分钟气泡数少，原因是 剪掉部分叶子后，叶绿体数量减少，光合作用效率减弱，放出O2减少。 (4)现给你补加如下器材及药品，请设计一个实验证明光合作用需要CO2。 烧杯、酒精、石棉网、碳酸氢钠溶液、稀醋酸、自来水 第一步：将盛自来水的烧杯放在三脚架的石棉网上，用酒精灯加热煮沸白来水除去CO2冷却待用 第二步：将除去CO2的自来水均分别加到A、B两个装置中，在A装置中再加入适量NaHCO3溶液和稀醋酸 第三步：将黑藻在暗室中放2-3天，然后取两等份分别放入A、B装置内，灯光在一定距离照射一段时间后取出，用乙醇脱色，浦水漂洗，滴上碘液，在显微镜下观察制片。A装置中的黑藻的叶绿体呈蓝色，B装置中的黑藻的叶绿体呈淡黄色。 8.在不损伤鱼体的情况下，请设计一个方案证明尾部的尾缮是蝴鱼主要的运动器官。 (1)实验设计： (2)结果分析 分析：要证明尾的作用，就必须观察鱼在有尾鳍和没有尾鳍情况下对鱼运动的影响。(1)实验设计可为：①观察鲫鱼在有尾部和尾鳍的情况下，能正常运动；②将两个又轻又平的塑料板，用线捆在鱼体两侧，使尾和尾鳍失去弯曲摆动的能力，可以看到鲫鱼不能快速前进，实验证明了尾部和尾鳍是鲫鱼主要的运动器官(其他方案合理也可)。 9.如果已经有实验证明壁虎能够在垂直的墙壁和玻璃上自由的爬行是和壁虎的足有钩爪，有长满自毛的榴皱两个结构有重要关系，如何设计一个实验，证明钩爪、褶皱在爬行中分别有什么作用。 (1)实验设计：①剪掉钩爪，观察壁虎爬行；比较未剪掉钩爪的壁虎孤行情况。确定壁虎钩爪在爬行中的具体作用．②用胶带(或类似的方法，但不能剪掉褶皱)贴没褶皱，观察壁虎爬行情况；比较未贴没褶皱的壁虎的爬行情况。 (2)结果分析：确定壁虎褶皱在爬行中的具体作用。 10.请利用如下材料设计一个生物与环境关系的模拟实验，并作出分析，实验材料：4m2红、绿、自3种颜色的纸板各l块。数量相等、活力相近的蝗虫3组1每组约50只)，家鸡3组(每组3只)。 (1)实验设计：用3个适当大小的细眼网将三块颜色不同的纸块分别罩起来，在每个网子内随机各放入50只蝗虫，三只鸡，经过一段时间(如5min)后取出各网子中的鸡，并数一数各网子中的蝗虫数并进行比较分析。 (2)实验结果：红、白2块纸板上的蝗虫很快被鸡吃掉，绿色纸板上的蝗虫被完全吃掉所用的时间比较长(具体时间略)。 (3)结果分析： ①蝗虫的绿色体色是一种 保护色②蝗虫的草绿色的形成是 自然选择 的结果。 11.现有一种植物的种子，已经知道它的萌发受水分、温度和氧气的影响，但不了解其萌发与光是否有关，探究光的有无对该种子萌发的影响，请你依据所给材料和用品设计出实验的方法步骤，预测可能的实验结果，并分别得出相应的结论。 材料和用品：数量充足的铺有滤纸的培养皿、无菌水、表面消毒过的种子等 方法步骤： ①向培养皿中倒入适量的水，将等量的种子分别放入两组培养皿中。 ②将一组置于有光照的环境中，另一组置于黑暗环境中，在培养过程中，使两组所处温度、水分、空气状况适宜且相同。 可能的实验结果及相应的结论： ①有光组萌发，无光组也萌发（或答发芽率差异不显著），该种植物的种子萌发不受光的影响。②有光组萌发，无光组不萌发（或答有光组发芽率高于无光组，差异显著），光是该种植物种子萌发的必要条件之一。 ③有光级不萌发，无光组萌发（或答无光组发芽率高于有光组，差异显著），光抑制该种植物种子的萌发. |
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