生物學是一門以實驗為基礎的自然科學 ,生物科學的每一個原理,每一種現象,每一個知識點都可以通過實驗來驗證、探索,同時,觀察和實驗是生物科學研究的重要方法,是學生獲取知識的重要源泉,是實踐新課標的切入點。下面談談實驗設計應注意的幾個問題:

1、明確實驗目的

明確實驗設計要解決什么問題,或探索驗證什么結論。只有明確實驗目的才能明了運用哪一原理進行實驗設計,才能明白實驗設計中哪一因素是實驗變量。

例如:①、"驗證煙草花葉病毒的遺傳物質是RNA而不是蛋白質"。該實驗原理和實驗思路同教材"肺炎雙球菌轉化實驗"、"噬菌體侵染細菌實驗":將煙草花葉病毒的RNA和蛋白質分開,單獨地觀察它們的功能。

②、"探索溫度對酶活性影響的實驗",探討的問題是溫度與酶活性之間的關系,那么在實驗設計中,"溫度"這一因素就是實驗變量

2、遵循實驗原理

實驗原理決定著實驗中主要實驗步驟的設計及相應實驗試劑的選擇。

例如:"設計實驗驗證唾液淀粉酶是蛋白質",該實驗的實驗原理同教材中常規(guī)實驗"生物組織中蛋白質的鑒定"實驗原理相同,因此可用雙縮脲試劑與唾液的呈色反應來驗證這一問題,明確了這一原理之后,也就明確了其主要實驗步驟同"生物組織中蛋白質的鑒定"類似。

3、實驗材料的選擇

正如孟德爾選擇豌豆作為實驗材料 是其遺傳實驗成功的原因之一一樣,正確的選材決定著實驗的成敗。實驗的選材是受實驗原理、實驗目的制約的。

例如:"生物組織中可溶性還原糖的鑒定",實驗目的是鑒定組織中存在可溶性還原糖,因而,取材應注意含糖量要高。鑒定的原理是"還原性糖與斐林試劑的呈色反應",為使呈色反應易于觀察,所選材料最好無色透明;"葉綠體中色素的種類及顏色"實驗,所選材料應當是色素含量高的材料(新鮮菠菜);"植物細胞質壁分離與復原實驗"的選材應注意兩點:一是選材必須有液泡存在;二是為了便于觀察,所選材料的細胞液最好有一定顏色。

4、對照實驗的設置

一個完整的實驗設計應包括實驗組和對照組,實驗組接受處理,對照組不進行處理。對照實驗的設計常有如下四種類型:

⑴空白對照:

設計一個不加任何實驗處理的對照組。

⑵自身對照:

指實驗與對照在同一對象上進行,即不加設對照組。如"植物細胞質壁分離和復原實驗"是典型的自身對照,這種對照的關鍵是比較實驗處理前后的變化。

⑶條件對照:

給實驗組某種處理,給對照組另一條件處理。如在"證明甲狀腺激素促進幼小動物發(fā)育"的實驗中,可存在以下實驗組和對照組:

甲組:飼喂甲狀腺激素(實驗組)

乙組:飼喂甲狀腺激素抑制劑(條件對照組)

丙組:對蝌蚪不做任何處理(空白對照)

⑷相互對照:

不另設對照組,而是利用幾個實驗組相互對照。如在"植物向光性"的實驗設計中,2與1對照可證明感光部位在胚芽鞘尖端,3也可與1對照,4也可與1對照,也可與2對照。

光 光 光 光

未經處理 尖端遮光 切去尖端 中部遮光

1 2 3 4

5、找準實驗要素--變量

變量,亦稱因子,指實驗操縱控制的特定因素或條件。按性質不同,通常有以下兩類4種變量:

⑴實驗變量與反應變量。實驗變量,亦稱自變量,指實驗中由實驗者所操縱、給定的因素或條件。反應變量,亦稱因變量,指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。通常,實驗變量是原因,反應變量是結果,二者具有因果關系。實驗的目的在于解釋這種前因后果。例如,在"唾液淀粉酶水解淀粉的實驗中,所給定的低溫(冰塊)、適溫(37℃)、高溫(沸水浴)就是實驗變量。而由于低溫、適溫、高溫條件變化,唾液淀粉酶水解淀粉的反應也隨之變化,這就是反應變量,該實驗即在于獲取解釋溫度變化(實驗變量)與酶的活性(反應變量)的因果關系。

(2)無關變量與額外變量。無關變量也稱控制變量,指實驗中除實驗變量以外的影響實驗結果的因素或條件。額外變量,亦稱干擾變量,指實驗中由于無關變量所引起的變化和結果。顯然,額外變量會對反應變量起干擾作用。

例如,上述實驗中除實驗變量(低溫、適溫、高溫)以外,試管潔凈程度、唾液新鮮程度和稀釋濃度、可溶性淀粉溶液濃度、試劑溶液的劑量和實驗操作程序、溫度處理的時間長短等等,都屬于無關變量,要求對低溫、適溫、高溫3組實驗是等同、均衡穩(wěn)定的;如果無關變量中的任何一個或幾個因素和條件,對3個實驗組的給定不等同、不均衡、不穩(wěn)定,則會在實驗結果中產生額外變量,出現干擾,造成誤差。實驗的關鍵之一在于控制無關變量和減少額外變量。

6、關鍵實驗環(huán)節(jié)的順序

實驗步驟有一定的順序,實驗步驟的前后順序一般不能前后顛倒,特別是關鍵環(huán)節(jié)。如在"探索溫度對酶活性影響"的實驗中,是應"先將三支試管分別放入37℃、0℃ 、沸水中5分鐘后再加淀粉酶"還是"先向三支試管中加入唾液后再將三支試管分別放入37℃、0℃ 、沸水中"呢?表面看兩種操作無多大差別,其實前者的操作才是正確的,因為如果先向盛有淀粉溶液的試管中加入唾液,此時唾液中淀粉酶對三支試管中淀粉均起消化分解作用。

7、常見的經典性實驗方法

⑴化學物質的檢測方法:

淀粉 ---- 碘液

還原性糖 ---- 斐林試劑

CO2 ---- Ca(OH)2溶液或酸堿指示劑

乳酸 ---- pH試紙

O2 ---- 余燼復原

蛋白質 ---- 被蛋白酶分解或雙縮脲反應

⑵實驗結果的顯示方法:

光合速度 ---- O2釋放量或CO2吸收量或淀粉產生量

呼吸速度 ---- O2吸收量或CO2釋放量或淀粉減少量

原子途徑 ---- 放射性同位素示蹤

細胞液濃度大小 ---- 質壁分離

細胞是否死亡 ---- 質壁分離或質壁分離復原

甲狀腺激素作用 ---- 動物耗氧量、發(fā)育速度等

生長激素作用 ---- 生長速度(體重身高身長變化)

胰島素作用 ---- 動物活動狀態(tài)

菌量 ---- 菌落數或亞甲基藍褪色程度

⑶實驗條件的控制方法:

增加水中O2 ---- 泵入空氣或吹氣或放入綠色植物

減少水中O2 ---- 容器密封或油膜覆蓋或用涼開水

除去容器中CO2 ---- NaOH溶液

除去葉中原有淀粉 ---- 置于黑暗環(huán)境

除去葉綠素 ---- 酒精隔水加熱

除去光合對呼吸的干擾 ---- 給植株遮光

如何得到單色光 ---- 棱鏡色散或薄膜濾光

血液抗凝 ---- 加入檸檬酸鈉

線粒體提取 ---- 細胞勻漿離心

骨的脫鈣 ---- 鹽酸溶液

總結:

分析實驗設計題要做到"三、四、五"。即:

1、三個原則

① 對照性原則:設立對照組,使實驗結果具有說服力。

② 單因子變量原則:控制其他因素不變而只改變其中某一變量,觀察其對實驗結果的影響。

③ 平行重復原則:進行實驗時,有的情況的出現是有偶然性的,多做幾個對照實驗,出現相同的結果,更有說服力,更具科學性(同時間同條件)。如多測幾次脈搏,取其平均值的實驗。

2、四種對照

① 空白對照:不給對照組任何處理因素。

② 條件對照:雖給對照組施以部分實驗因素,但不是所要研究的處理因子。

③ 自身對照:對照和實驗都在同一實驗對象上進行。

④ 相互對照:不僅僅設對照組,而是幾個實驗組相互對照。

3、五步分析

① 了解題目要求,明確實驗要驗證(探究)的是什么。

② 分析實驗原理:分析實驗所依據的科學原理是什么;涉及的生物學及相關學科中的哪些方法和原理。

③ 確定實驗器材的選擇

④ 設置實驗步驟:分析每一環(huán)節(jié)之間的關聯(lián)性,或幾個相關實驗的延續(xù)性,安排實驗的最佳程序。

⑤ 預期結果和分析

例1 現有同樣大小的玻璃缸幾只,發(fā)育狀態(tài)相同的小蝌蚪60只、飼料、甲狀腺激素、放在50℃的水中處理20分鐘的甲狀腺激素、溪水,請設計一個實驗,探究甲狀腺激素的生物活性是否會受50℃熱水的影響。

⑴實驗方案設計:

第一步:取三個玻璃缸,分別標記甲、乙、丙。

第二步:分別加入等量的溪水和20只小蝌蚪。

第三步:甲缸每天喂飼料;乙缸每天喂經過處理的甲狀腺激素相拌的等量飼料;丙缸每天喂甲狀腺激素相拌的等量飼料。

⑵預計結果并指出每一種結果說明了什么 ?

A、若乙、丙兩缸蝌蚪發(fā)育同步,且迅速變態(tài)為青蛙; 而甲缸還是蝌蚪狀態(tài)。說明經50℃熱水處理,對甲狀腺激素的生物活性沒有影響。

B、若甲、乙兩缸蝌蚪發(fā)育同步,而丙缸迅速變態(tài)為青蛙。說明經50℃熱水處理,甲狀腺激素失去活性。

C、若乙缸蝌蚪發(fā)育比甲缸快,比丙缸慢。說明經50℃熱水處理,甲狀腺激素喪失去了部分生物活性。

⑶該實驗中設置甲組實驗的目的是:對照

⑷該實驗選用蝌蚪做材料的優(yōu)點是:

蝌蚪發(fā)育成青蛙為變態(tài)發(fā)育,且時間短,便于觀察。

⑸做該實驗所選用的蝌蚪有什么要求 ?為什么?

同一種蛙同時孵化出的蝌蚪。

排除實驗材料的差異而造成對實驗結果的影響。

例2 某些植物能分泌一些化學物質用于抑制別種植物在其周圍生長,這稱為他感作用。大麥、玉米、大豆、向日葵等植物,是雜草的天然抑制者,又叫"悶蓋莊稼"。

⑴為了驗證大麥對鄰近雜草生長具有他感作用。請根據所給材料器具,在給出的實驗方法和步驟的基礎上繼續(xù)完成實驗、預期實驗結果。

材料器具:大麥種子、狗尾草,50厘米×50厘米×10厘米栽種盒、剪刀、灑水壺、 20厘米×10厘米紙袋、鑷子、天平、兩腳規(guī)、直尺

方法步驟:

第一步:選取A、B、C三個栽種盒,在栽種盒土壤表面畫5厘米× 5厘米的小方格,每方格中心放一粒大麥或雜草種子。三個栽種盒的播種方式依次是:

A盒:間行排列大麥和狗尾草種子。

B盒:全部播種大麥種子。

C盒:全部播種狗尾草種子。

第二步:灑上少量細泥土覆蓋種子,用細孔眼灑水壺澆水,把三只實驗栽培盒放在(相同)的20℃左右環(huán)境中培養(yǎng)2---4周,每天均保持足夠時間的(光照)。

第三步:每天觀察記錄,統(tǒng)計盒內植株的地上枝平均干重、(平均植株高度)等數量特征。比較三只實驗栽培盒的植物特征差異。

結果預期和結論:

比較A盒與C盒狗尾草:

①A盒生長明顯受到抑制

②A盒與C盒生長狀況相當

結論:①大麥對鄰近雜草生長具有他感作用。

②大麥對鄰近雜草生長沒有他感作用。

⑵為進一步證實大麥分泌物具有抑制狗尾草的生長作用,請你設計實驗方案。

方案一:用水培養(yǎng)大麥,然后把這些水收集起來澆灌狗尾草。

方案二:把大麥的根莖切碎制成勻漿,用大麥提取液培養(yǎng)狗尾草。

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