“生物實驗設計”專題復習

縱觀近5年以來高考生物試題，可以概括出生物實驗題具有以下3個特點。① 實驗的情境為高中教材實驗拓展材料或大學教材中的材料，實驗原理、實驗方法是教材實驗的遷移。題目在書外，答案在書內。② 實驗的內容與教材的主干知識、核心知識、重點知識密切聯系在一起；如植物光合作用、呼吸作用實驗、遺傳育種實驗、酶實驗、環境污染對生物體的作用實驗等反復考，年年考。③ 實驗的考查形式不是以往單純的實驗題呈現出來，而是以實驗為載體的綜合題型呈現出來，以實驗設計為中心考查學生的綜合素質。我預測這些特點在今后高考生物實驗命題中會繼續體現。

1 實驗設計的一般程序（圖1）

1．1 明確實驗要求和目的

做什么實驗；解決什么問題。

1．2 聯系理論原理

依據什么原理進行實驗。

1．3 依據問題作出假設

對實驗中出現的現象提出一種推測或解釋，假設是可以檢測的；應用科學的測量手段對實驗過程及結果進行測量，并準確客觀地予以記錄。

1．4 確定實驗思路

進行實驗的基本框架：

① 依據科學的實驗思維方法，找出其中的實驗變量和反應變量；

② 充分利用所給器材和試劑，構思實驗變量的控制方法和實驗結果的捕獲方法；

③ 選擇適宜的實驗材料(實驗對象)，確定實驗采取的方法及必需（最佳）的操作程序，在注意實驗步驟關聯性的前提下表述實驗步驟，并從不同的角度分析實驗結果。

1．5 設計實驗步驟

進行實驗的具體操作流程。

1．6 實驗結果的預測、分析和討論

對實驗結果進行準確的描述并給出一個科學的結論。如果所獲取的結果與假設相符，則肯定假設；如果結果與假設不相符，則否定假設。假設是指向結論，預期是指向結果，一定不要混淆。

【例1】為驗證鐵是植物生長發育所需的“不可再利用的元素”，請你寫出合理的實驗步驟。

實驗材料：同種的具4~5片葉的小麥幼苗。

實驗器材：自選。

【解析】考查植物體內礦質元素的利用，要求學生能運用所學的生物學知識和實驗思想對生物學事實進行驗證，對實驗現象和結果進行預測、解釋，按照要求設計實驗。

實驗目的：驗證鐵是植物生長發育所需的“不可再利用的元素”。

實驗原理：鐵元素在植物體內以穩定的化合物形式存在，不能再度利用。若外界環境中缺少，幼嫩的組織會表現專一的病癥。

實驗假設：鐵是植物生長發育所需的“不可再利用的元素”。

實驗思路：選擇生長狀況相同的小麥隨機分成2組，其中一組用缺鐵培養液培養，另一組用完全培養液培養；將2組實驗置于適宜的條件下培養，每天觀察小麥新葉和老葉的生長情況，并相互進行比較。

實驗步驟：

（1） 選擇生長狀況相同的小麥若干，隨機分成數量相同的A、B 2組。

（2） 將A組小麥用缺鐵培養液培養，將B組小麥用等量的完全培養液培養。

（3） 將2組裝置共同置于溫度、光照等適宜的條件下培養。

（4） 每天觀察小麥新葉和老葉的生長情況，并記錄結果。

實驗預期：A、B組老葉生長正常，呈綠色；A組新葉生長正常，呈綠色，B組新葉生長不正常，呈暗綠色。

實驗分析：鐵元素在植物體內形成穩定的化合物，當環境中缺少時，老葉中的鐵元素不能分解轉移到新葉中，導致新葉缺鐵元素患病。

實驗結論：鐵是植物生長發育所需的“不可再利用的元素”。

2 實驗設計的突破策略

前面講了“實驗設計的一般程序”，要做好“實驗設計”關鍵是要突破3點：① 通過什么方式來完成觀察實驗？② 如何確定實驗變量？③ 如何設置對照實驗？

2．1 如何檢測觀察指標

觀察指標：是指實驗過程中出現的現象或結果，是檢測實驗是否進行的標志。

（1） 觀察特異顏色變化、溶液渾濁度、沉淀和氣泡現象；（2） 觀察形態結構、生理特征變化；（3） 測量生長發育速度；（4） 測量生化反應速度。

教材中實驗現象或結果觀察指標的檢測方法有：

（1） 淀粉——碘液、還原性糖——斐林試劑、蛋白質——雙縮脲試劑、脂肪——蘇丹Ⅲ或蘇丹IV染液、DNA——二苯胺試劑；（2） CO2——Ca（OH）2溶液或酸堿指示劑；（3） O2——余燼木條復燃；（4） 染色體——龍膽紫、醋酸洋紅溶液；（5） 光合速率——O2釋放量或CO2吸收量（體積大小）；（6） 細胞液濃度大小——質壁分離；（7） 甲狀腺激素作用——動物耗氧量，發育速度等；（8） 生長激素作用——生長速度（體重變化、身高變化）；（9） 胰島素作用——動物活動狀態；（10） 菌量——菌落數或亞甲基藍溶液褪色程度；（11） 大腸桿菌——伊紅-美藍瓊脂培養基。

2．2 如何確定實驗變量

實驗變量：又稱為輸入變量或實驗處理。在實驗假設和實驗設計中，實驗變量是一種假設為原因的變量；在實驗過程中實驗變量是由實驗者人為探究的因素，而且通過它的變化引起實驗結果的改變。① 數量變化：如溫度的高低、溶液濃度大小等；② 內容變化：如光照有無、某種物質有無等；③ 狀態變化：如實驗對象的位置、實驗對象處理等。

教材中相關實驗的變量（表1）。

【例2】已知胃液中含有蛋白酶，胃蛋白酶可以催化蛋白質水解，又知道高溫會破壞酶的活性，但不知道胃蛋白酶加熱到65 ℃的高溫后是否會影響其生物活性。為探究此課題，請你依據所給材料和用具設計一個實驗方案。

材料、用具：經過稀釋的胃液、雞蛋、酒精燈、試管、玻璃細管，大燒杯、溫度計等。

實驗步驟：_________________。

預測結果：_________________。

【分析】：該實驗目的是探究胃蛋白酶經65 ℃處理后是否具有催化作用，而不是胃蛋白酶在65 ℃條件下是否具有催化作用。胃蛋白酶在適宜條件下，能將蛋白質水解成多肽或氨基酸。因此，根據實驗目的和原理設計實驗步驟時，應該先弄清3個問題。

（1） 實驗變量是胃蛋白酶是否經過65 ℃處理，反應變量是催化作用的變化，催化作用可能沒有改變，可能改變（變小或喪失）。如果催化作用沒有改變和變小，化蛋白質水解，又知道高溫會破壞酶的活性，但不知道胃蛋白酶加熱到65 ℃的高溫后是否會影響其生物活性。為探究此課題，請你依據所給材料和用具設計一個實驗方案。

材料、用具：經過稀釋的胃液、雞蛋、酒精燈、試管、玻璃細管，大燒杯、溫度計等。

實驗步驟：_________________。

預測結果：_________________。

【分析】：該實驗目的是探究胃蛋白酶經65 ℃處理后是否具有催化作用，而不是胃蛋白酶在65 ℃條件下是否具有催化作用。胃蛋白酶在適宜條件下，能將蛋白質水解成多肽或氨基酸。因此，根據實驗目的和原理設計實驗步驟時，應該先弄清3個問題。

（1） 實驗變量是胃蛋白酶是否經過65 ℃處理，反應變量是催化作用的變化，催化作用可能沒有改變，可能改變（變小或喪失）。如果催化作用沒有改變和變小，應該與沒有經過65 ℃處理的酶對照比較，如果催化作用喪失，可與沒有酶（蒸餾水）對照比較。

（2） 實驗通過什么現象（觀察指標）探究處理過的酶是否具有催化作用？先要處理實驗材料，將蛋白清煮沸使之凝固，然后通過固體形狀（大小、長短等）變化來觀察實驗現象。

（3） 實驗結果記錄（表２）

最后，設計實驗步驟。

2．3 如何設置對照實驗

在確定實驗變量的基礎上，根據實驗變量和觀察指標設置對照實驗，其中不接受實驗變量處理的對象組為對照組，接受實驗變量處理的對象組為實驗組。

（1） 空白對照：不給對照組任何處理因素。

（2） 條件對照：雖然給對照組施以部分實驗因素，但不是所研究的處理因素。

（3） 自身對照：對照和實驗在同一研究對象上進行，實驗前后對照比較。

（4） 相互對照：不單設對照組，而是幾個實驗組相互對照比較。

【例3】為驗證“DNA是遺傳物質，而蛋白質不是遺傳物質”。一位同學設計了以下實驗步驟：

第一步：從有莢膜肺炎雙球菌中提取DNA。

第二步：用提取的DAN培養無莢膜肺炎雙球菌。

預期結果：無莢膜的肺炎雙球菌轉化成有莢膜的肺炎雙球菌。

實驗結論：DNA是遺傳物質，而蛋白質不是遺傳物質。

我們認為，上述實驗步驟的設計欠嚴謹，不能達到實驗目的。請回答：

（1） 上述實驗步驟設計的不嚴謹之處是：

①_________________。

②_________________。

③_________________。

（2） 為達到該實驗的目的，你對上述實驗步驟的補充是：

①_________________。

②_________________。

③_________________。

【解析】該實驗實驗變量是S型菌分離的DNA、蛋白質，分別直接作用R型菌，反應變量是否產生光滑的S型菌（即觀察指標是用顯微鏡觀察細菌的形態結構或者觀察菌落的形態）。為排除R型菌本身基因突變產生S型菌，需要設置空白對照。

答案：（1）① 該實驗沒有證明蛋白質不是遺傳物質。 ② 沒有設置空白對照(或沒有排除R型菌自已會變成S型菌) ③ 沒有證明DNA引起的變異是可遺傳的。（2） ① 第一步：將培養肺炎雙球菌的培養基加入到A、B、C 3只培養皿中；然后從有莢膜肺炎雙球菌中分離出DNA和蛋白質，將DNA添加到A培養皿中，將蛋白質添加到B培養皿中，C培養皿不做處理。② 第二步：同時將等量的R型菌接種到A、B、C 3只培養皿中，并將上述裝置置于恒溫箱中培養，觀察菌落的狀態。③ 第三步：讓轉化成的有莢膜肺炎雙球菌繼續繁殖，觀察菌落的狀態。

3 實驗設計的題型分析

3.1 題型Ⅰ驗證性實驗設計型題

驗證性實驗的特點是先有結論，然后用實驗來驗證結論。實驗之前已經知道了實驗原理，對實驗現象已經形成一定的認識，再一次通過實驗進行驗證。可以說：驗證性實驗的實驗結果是惟一的。實驗題目一般給出實驗目的、試劑和有關用品，要求學生據此設計實驗或補充不完整的實驗，來驗證某一事實或原理。

【例5】某中學實驗室有柑橘60個、塑料桶若干個、松樹葉適量、保鮮袋數個、醫用APC(保鮮劑)、溫度計、臺秤或天平、量筒、空調機，請設計一個實驗方案，在室溫25 ℃的條件下，研究松樹葉是否具有保鮮作用？

【解析】此題屬于探究性實驗設計型題。在果實和蔬菜的保鮮中：① 通過控制細胞呼吸以降低它們的代謝強度，達到保鮮的目的；② 某些植物激素（如細胞分裂素）可以延緩細胞衰老，可用于某些蔬菜的保鮮。

實驗目的：研究松樹葉是否具有保鮮作用。

實驗原理：保鮮劑使蔬菜、水果的保鮮期延長。

實驗變量：保鮮劑（無保鮮劑、有保鮮劑、松葉）。

觀察指標：柑橘果實的顏色、干燥程度。

設置對照：3組（實驗組、空白對照組、條件對照組）。

實驗思路：松葉是否具有保鮮作用需要對照比較，實驗要設置空白對照組（無保鮮劑）、條件對照組（有保鮮劑）和實驗組；同時將實驗裝置放在相同的、適宜的條件下保存，觀察并記錄時間。

實驗步驟：_______________________。

預期和結論：_____________________。

答案：實驗方案：

（1） 將柑橘分成重量相等的甲、乙、丙3等份，稱好每份的重量。

（2） 分組處理：甲組不經任何處理，用一塑料桶把一份柑橘裝好，室溫保存；乙組在一塑料桶底鋪上適量松樹葉，放上一層柑橘再鋪一層松樹葉；如此重復直至把一份柑橘放完，上面再用松樹葉覆蓋好，室溫保存。丙組用適量醫用APC(保鮮劑)溶解于蒸餾水中配成一定濃度的溶液，把一份柑橘放入，浸泡適當的時間。取出后晾干水分，用保鮮袋包裝好放入塑料桶中室溫保存；

（3） 觀察和記錄。將室溫調節為25 ℃，定時觀察各組的情況，做好詳細的記錄。

結果分析：在3組處理中，若乙組保鮮期接近于甲組，說明松樹葉無保鮮作用；若乙組保鮮期優于甲組而不如丙組，說明松樹葉具有保鮮作用；若乙組的保鮮期優于丙組則說明松樹葉具有良好的保鮮作用。

【例6】有人發現某種花卉有紅花和白花2種表現型。

（1） 請你設計一個實驗，探究花色的遺傳是細胞質遺傳還是細胞核遺傳。用圖解和簡潔語言回答。

（2） 如果花色的遺傳是細胞核遺傳，請寫出F2代的表現型及其比例。

答案：（1）

若正交與反交產生的F1的性狀表現都與母本相同，則該花色的遺傳為細胞質遺傳；

若正交與反交產生的F1的性狀表現都與母本無關，表現為紅花或白花的一種，則該花色的遺傳為細胞核遺傳。

（2） 3紅∶1白或3白∶1紅

實驗設計是對學生綜合能力測試，需要學生運用學習過的理論知識和動手操作的實踐經驗，經過分析、綜合，才能完成的實驗方案。因此，學生只有親自進行實驗操作，在實驗過程中不斷積累實踐經驗，才能使實驗設計的能力不斷提高。