生物实验设计的基本技能 深圳市红岭中学高中部

刘桦

实验题是高考试题的难点，也是重点，灵活多变。实验设计类实验从题型方面看可分为验证性实验、探究性实验和评价性实验，从命题的切入点来看以新的信息材料呈现，重点考查实验设计能力。

二、实验设计的一般思路

三、实验设计的基本技能

1.验证性实验

【典例分析】

例1：为了验证叶片光合作用受到光质的影响，请用所提供的实验材料与用具，在给出的实验步骤的基础上，继续完成实验步骤的设计和预测实验结果，并对你的预测结果进行分析。

（1）实验材料与用具：小烧杯三只、三棱镜（注释：白光通过三棱镜色散形成红光、黄光、绿光等单色光）、打孔器、注射器、40 W灯泡、烧杯、富含CO2的NaHCO3稀溶液（为光合作用提供原料）、绿叶（如菠菜叶）。（实验过程中光照和温度等条件适宜，空气中O2和CO2在水中的溶解量忽略不计）

（2）实验步骤：① 取生长旺盛的绿叶，用直径为1 cm的打孔器打出小圆形叶片30片（注意避开大的叶脉）;② 将圆形叶片置于注射器内，并让注射器吸入清水，待排出注射器内残留的空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。这一步骤可重复几次;③ 将内部气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用（这样的叶片因为细胞间隙充满水，所以全都沉到水底）;④                      ;⑤                          ; ⑥                       。

（3）预测结果并分析：                           。

（4）结果讨论：增强单色光光照强度，能否对实验结果产生影响？ ;试在同一坐标图中画出不同类型的单色光（光质）照射下，光照强度与光合作用强度的关系曲线来说明这个问题。

解析：（2）④在进行实验操作时，要遵循单一变量原则，即光质不同，其他如叶圆片的数量、NaHCO3稀溶液的量、灯泡的功率和距离等均属于无关变量，应保持相同且适宜，故步骤为取三只小烧杯，分别倒入20 mL富含CO2%的NaHCO3稀溶液，并分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片。⑤在进行实验操作时，要遵循单一变量原则，即光质不同，用40 W灯泡照射，三棱镜色散形成红光、黄光、绿光分别作用于三只小烧杯。⑥由于不同光质导致光合速率有所区别，因此实验的因变量就是产生的氧气的多少，故观察并记录的指标是同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量（或上浮相同数量圆叶片所需时间）。

（3）在结果预测时，根据色素的吸收光谱，色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收最少，因此单位时间内红光作用的小烧杯内的小圆形叶片浮起的数量最多，绿光作用的小烧杯内的小圆形叶片浮起的数量最少。结果分析：因为绿叶中的色素吸收红光和蓝紫光的能力最强，吸收绿光的能力最弱，所以在红光照射时产生O2的速度最快，叶肉细胞间隙的O2增加最快，叶片上浮的速度也就最快;相反绿光照射的烧杯叶片上浮最慢。

（4）光照强度影响光合速率，故会导致实验结果的变化，画曲线图时，横坐标为光照强度，纵坐标为光合作用强度，首先它们均会随着光照强度的增强光合速率提高，只是红光斜率最大，绿光斜率最小，并且都会达到饱和点，三条曲线的最大光合速率相等。

答案：（2） ④ 取三只小烧杯，分别倒入20 mL富含CO2的NaHCO3稀溶液，并分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片   ⑤ 用40W灯泡照射，三棱镜色散形成红光、黄光、绿光分别作用于三只小烧杯   ⑥ 观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量（叶片全部浮起经历的时间）    （3）预测结果：单位时间内红光作用的小烧杯内的小圆形叶片浮起的数量最多，绿光作用的小烧杯内的小圆形叶片浮起的数量最少。结果分析：因为绿叶中的色素吸收红光和蓝紫光的能力最强，吸收绿光的能力最弱，所以在红光照射时产生O2的速度最快，叶肉细胞间隙的O2增加最快，叶片上浮的速度也就最快，相反绿光照射的烧杯叶片上浮最慢  （4）能    曲线如图所示

【技能技巧】

（1）实验原理一般由“自变量和因变量之间的关系（目的原理）+实验具体过程的描述（操作原理或书本原理）+自变量的观察指标（检测原理）”组成。如“为了验证胰岛素具有降低血糖的作用，以小鼠的活动状态为观测指标”的实验原理可描述为：胰岛素具有降低血糖的作用（自变量和因变量之间的关系）。体内胰岛素含量过高时，引起血糖水平下降，机体出现活动减少，甚至昏迷等低血糖症状（自变量的观察指标），此症状可通过补充葡萄糖溶液得到缓解（实验具体过程的描述）。

（2）对照组是指保持原有状态（未做处理）或已知影响因素所造成结果的一组实验。实验组是人为改变条件（人为特别处理）或未知实验结果的一组实验。值得说明的是鉴定性实验及遗传规律实验可以不设置对照。控制自变量的原理：加法原理或减法原理来控制自变量。加法原理：与常态相比，人为增加某种影响因素的原理。如探究不同酸碱度对唾液淀粉酶的影响实验，加酸和加碱的一组为实验组。减法原理：与常态相比，人为去除某种因素的原理。如验证光合作用产生淀粉的实验，施加人为因素的一组，即遮光组为实验组。

（3）实验结果、结论：依据实验原理写结果，依据实验目的写结论。

【解题模板】

取材分组 把（生长状况、大小、性别、身高、体重和发育状况等）相同的××随机均分为若干组，记为A（对照组）、B（实验组）组

材料处理 A组加适量的××（自然条件或模拟自然条件——对照组处理）;B组加等量适量的××（施加实验变量——实验组处理）;其他条件相同且适宜

观察记录 在相同且适宜的条件下培养（生理实验）或反应（生化反应）一段时间后，观察（特异颜色变化、沉淀反应、形态结构、生理特征等变化）记录（生长发育速度、生化反应速度等）数据，进行相应的处理（求平均值等）

2.探究性实验

【典例分析】

例2：以下是一个测定某植物细胞液浓度的实验：

实验步骤 实验示意图

①在每组试管中注入等量不同浓度的蔗糖溶液

②在每组的a试管中加入等量叶圆片和少量亚甲基蓝晶粒（对溶液浓度影响可忽略不计）并定时轻摇

③从每组a中吸取1小滴蓝色液滴，小心放入对应b试管的溶液中部，观察蓝色液滴沉浮情况并记录

说明：若a管溶液浓度上升，蓝色液滴将在b管的无色溶液中下沉;反之蓝色液滴将上浮;若a管溶液浓度不变，蓝色液滴将均匀扩散。

实验结果如下表：

请回答下列问题：

（1）本实验的原理是：                ，这种变化可通过蓝色液滴的浮沉反映出来。

（2）本实验的结论是：植物叶肉细胞的细胞液浓度大约相当于         M的蔗糖溶液浓度。

（3）本实验不同组别间的自变量是                         ，因变量是                           。

（4）若在某组a试管中的植物细胞发生了质壁分离现象，则在第③步操作中，将发现蓝色液滴    。

（5）在操作正确情况下，若发现在所有的组别中蓝色液滴都上浮，则实验应该如何改进？       。

解析：（1）测定植物细胞液浓度的实验，原理是根据植物细胞液与外界溶液存在浓度差时会发生渗透吸水或失水现象，引起外界溶液浓度的改变，这种变化可通过蓝色液滴的浮沉反映出来。（2）从实验结果可以看出，在0.05M的蔗糖溶液浓度时，液滴均匀扩散，说明植物细胞的细胞液浓度大约相当于0.05M的蔗糖溶液浓度。（3）本实验不同组别间的自变量是蔗糖溶液的浓度，因变量是a管中蔗糖溶液浓度的改变。（3）若在某组a试管中的植物细胞发生了质壁分离现象，说明蔗糖浓度高于细胞液浓度，则在第③步操作中，将发现蓝色液滴上浮。（4）在操作正确情况下，若发现在所有的组别中蓝色液滴都上浮，说明蔗糖溶液浓度偏高，则实验应设置低于最低溶液浓度的系列，让溶液组别重新进行试验。

答案：（1）植物细胞液与外界溶液存在浓度差时会发生渗透吸水或失水现象，引起外界溶液浓度的改变     （2）0.05      （3）蔗糖溶液的浓度    a管中蔗糖溶液浓度的改变      （4）上浮     （5）设置低于最低溶液浓度的系列蔗糖溶液组别重新进行实验

【技能技巧】

（1）实验原理的书写方法：利用××（理论或器材或反应原理），通过××（方法），出现××（现象），就能达到××（目的）。

（2）书写预期实验结果：实验组和对照组的观测指标都要进行描述。

（3）书写实验结论常用语言是：如果“结果”，则“结论”。要分类讨论，一般为：实验组比对照组好，实验变量有利、促进;实验组比对照组差，实验变量不利、抑制;实验组与对照组无显著差异，实验变量无影响。

（4）分析实验结果，套用实验原理。

【解题模板】

取材

分组 将若干生长发育状况、大小、长势、体重（体长）、年龄、性别等相同的材料用具随机均分为若干组，并用字母进行标号 分组编号，等量对照（描述无关变量）

材料

处理 不施加实验变量（自然条件或模拟自然条件）设为对照组;施加实验变量，设为实验组（或均施加实验变量，设为相互对照）;控制无关变量，即其他条件相同适宜，试剂适量且等量 处理实验组（描述自变量，平衡无关变量）

观察

记录 反应（生化反应）或培养（生理实验）相同时间后，观察指标（特异颜色变化、沉淀反应、形态结构、生理特征变化等）或测定指标（生长发育速度、生化反应速度等），记录并处理数据 处理实验结果（描述因变量）

3.评价性实验

【典例分析】

例3：某兴趣小组为验证2，4-D对插条生根的促进作用，进行了如下实验。

A.剪取同一杨树植株上长势与长度相同、部位相近且有3个芽的健壮枝条20根，随机均分为甲、乙两组;B.甲组每根插条上都保留3个芽，乙组每根插条上的芽全部去除;C.将甲组插条的下端插入适量蒸馏水中，乙组插条的下端插入等量适宜浓度的2，4-D溶液中。两组均置于相同且适宜的环境中培养;D.每天观察、记录插条上芽的数目。

请对上述实验进行分析：

（1）每组选取多根插条的目的是           。

（2）请指出该实验设计的两项不合理之处。

①                                                  ;②            。

（3）实验设计改正后，甲组起            作用。

解析：（1）每组选取多根插条的目的是减少实验误差（排除偶然因素对该实验结果的影响或排除无关变量的影响）。（2）依据实验设计的等量原则和单一变量原则，分析该实验设计的两项不合理之处依次是：甲、乙两组插条上芽的数量不等（或没有控制好变量）;观察、记录插条上芽的数量不对（或观察记录的指标不对）。（3）实验设计改正后，甲组起对照作用。

答案：（1）减少实验误差（排除偶然因素对该实验结果的影响或排除无关变量的影响） （2）①甲、乙两组插条上芽的数量不等（或没有控制好变量） ②观察、记录插条上芽的数量不对（或观察记录的指标不对） （3）对照

【技能技巧】

（1）实验材料用具的评价：材料选择是否合理（包括生长状况、大小、身高、体重、生长发育和性别等是否相同，分组是否随机均分）;用具选择是否合理;是否遗漏重要的实验用具;材料用具是否充分利用;是否随意增加材料用具;药剂选择、使用、用量是否准确。如在做低温诱导植物染色体数目的变化的实验时，要将整株材料在低温下处理才能达到实验目的。

（2）实验变量处理的评价：有无实验对照;实验变量设置是否合理;是否有标记;是否遵循单一变量原则;是否遵循了适量等量原则;是否排除了干扰因素。

（3）实验步骤的评价：步骤是否完整;步骤顺序是否合理;操作是否违反生物学原理;观察指标是否正确;实验条件是否正确。如在做低温诱导植物染色体数目的变化的实验时，要先漂洗后染色。

（4）实验条件的评价：是否需要搅拌、加热;实验所需的温度和光照条件是否合理。

（5）实验结果和结论的评价：实验结果的种类是否符合实验的类型;实验结果与题目要求写出的结果是否相符;实验结果是否出现科学性错误;结果（实验现象）与结论因果关系是否倒置;实验结果的验证方法是否得当。如在做低温诱导植物染色体数目的变化的实验时，只能看到部分细胞的染色体加倍。

（6）实验原理的评价：是否包括自变量和因变量之间的关系;是否包括因变量的观测指标;是否包括对实验具体过程的描述。

【解题模板】

对照原则 除遗传学实验分析、鉴定性实验可不设置对照外，均要设置对照（自身对照、相互对照、空白对照和条件对照等）

单一变量原则 无论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应一个反应变量;实验中做到避免无关变量和额外变量的干扰

科学性原则 实验原理的科学性、实验材料选择的科学性、实验方法的科学性、实验结果处理的科学性

平衡重复原则 设计的实验必须有足够的实验次数，在无法重复的情况下不能得出正式结论

可行性原则 实验的原理、实验的实施和实验结果产生的可行性

简便性原则 实验材料容易获得且不得随意添加、实验装置比较简单、实验药品比较便宜、操作过程比较简单、实验步骤相对较少、实验等待时间相对较短

在生物高考实验复习过程中，既要牢固掌握教材实验及教材拓展实验的基本理论和基本技能，又要掌握实验设计过程中的设计技能技巧。只有这样，才能确保在高考夺分中立于不败之地。