生物實驗設計的基本技能 深圳市紅嶺中學高中部

劉樺

實驗題是高考試題的難點，也是重點，靈活多變。實驗設計類實驗從題型方面看可分為驗證性實驗、探究性實驗和評價性實驗，從命題的切入點來看以新的信息材料呈現，重點考查實驗設計能力。

二、實驗設計的一般思路

三、實驗設計的基本技能

1.驗證性實驗

【典例分析】

例1：為了驗證葉片光合作用受到光質的影響，請用所提供的實驗材料與用具，在給出的實驗步驟的基礎上，繼續完成實驗步驟的設計和預測實驗結果，并對你的預測結果進行分析。

（1）實驗材料與用具：小燒杯三只、三棱鏡（注釋：白光通過三棱鏡色散形成紅光、黃光、綠光等單色光）、打孔器、注射器、40 W燈泡、燒杯、富含CO2的NaHCO3稀溶液（為光合作用提供原料）、綠葉（如菠菜葉）。（實驗過程中光照和溫度等條件適宜，空氣中O2和CO2在水中的溶解量忽略不計）

（2）實驗步驟：① 取生長旺盛的綠葉，用直徑為1 cm的打孔器打出小圓形葉片30片（注意避開大的葉脈）;② 將圓形葉片置于注射器內，并讓注射器吸入清水，待排出注射器內殘留的空氣后，用手堵住注射器前端的小孔并緩緩拉動活塞，使小圓形葉片內的氣體逸出。這一步驟可重復幾次;③ 將內部氣體逸出的小圓形葉片，放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用（這樣的葉片因為細胞間隙充滿水，所以全都沉到水底）;④ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;⑤ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ⑥ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（3）預測結果并分析： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（4）結果討論：增強單色光光照強度，能否對實驗結果產生影響？ ;試在同一坐標圖中畫出不同類型的單色光（光質）照射下，光照強度與光合作用強度的關系曲線來說明這個問題。

解析：（2）④在進行實驗操作時，要遵循單一變量原則，即光質不同，其他如葉圓片的數量、NaHCO3稀溶液的量、燈泡的功率和距離等均屬于無關變量，應保持相同且適宜，故步驟為取三只小燒杯，分別倒入20 mL富含CO2%的NaHCO3稀溶液，并分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片。⑤在進行實驗操作時，要遵循單一變量原則，即光質不同，用40 W燈泡照射，三棱鏡色散形成紅光、黃光、綠光分別作用于三只小燒杯。⑥由于不同光質導致光合速率有所區別，因此實驗的因變量就是產生的氧氣的多少，故觀察并記錄的指標是同一時間段內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量（或上浮相同數量圓葉片所需時間）。

（3）在結果預測時，根據色素的吸收光譜，色素主要吸收紅光和藍紫光，對綠光吸收最少，因此單位時間內紅光作用的小燒杯內的小圓形葉片浮起的數量最多，綠光作用的小燒杯內的小圓形葉片浮起的數量最少。結果分析：因為綠葉中的色素吸收紅光和藍紫光的能力最強，吸收綠光的能力最弱，所以在紅光照射時產生O2的速度最快，葉肉細胞間隙的O2增加最快，葉片上浮的速度也就最快;相反綠光照射的燒杯葉片上浮最慢。

（4）光照強度影響光合速率，故會導致實驗結果的變化，畫曲線圖時，橫坐標為光照強度，縱坐標為光合作用強度，首先它們均會隨著光照強度的增強光合速率提高，只是紅光斜率最大，綠光斜率最小，并且都會達到飽和點，三條曲線的最大光合速率相等。

答案：（2） ④ 取三只小燒杯，分別倒入20 mL富含CO2的NaHCO3稀溶液，并分別向3只小燒杯中各放入10片小圓形葉片 ? ⑤ 用40W燈泡照射，三棱鏡色散形成紅光、黃光、綠光分別作用于三只小燒杯 ? ⑥ 觀察并記錄同一時間段內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量（葉片全部浮起經歷的時間） ? ?（3）預測結果：單位時間內紅光作用的小燒杯內的小圓形葉片浮起的數量最多，綠光作用的小燒杯內的小圓形葉片浮起的數量最少。結果分析：因為綠葉中的色素吸收紅光和藍紫光的能力最強，吸收綠光的能力最弱，所以在紅光照射時產生O2的速度最快，葉肉細胞間隙的O2增加最快，葉片上浮的速度也就最快，相反綠光照射的燒杯葉片上浮最慢 ?（4）能 ? ?曲線如圖所示

【技能技巧】

（1）實驗原理一般由“自變量和因變量之間的關系（目的原理）+實驗具體過程的描述（操作原理或書本原理）+自變量的觀察指標（檢測原理）”組成。如“為了驗證胰島素具有降低血糖的作用，以小鼠的活動狀態為觀測指標”的實驗原理可描述為：胰島素具有降低血糖的作用（自變量和因變量之間的關系）。體內胰島素含量過高時，引起血糖水平下降，機體出現活動減少，甚至昏迷等低血糖癥狀（自變量的觀察指標），此癥狀可通過補充葡萄糖溶液得到緩解（實驗具體過程的描述）。

（2）對照組是指保持原有狀態（未做處理）或已知影響因素所造成結果的一組實驗。實驗組是人為改變條件（人為特別處理）或未知實驗結果的一組實驗。值得說明的是鑒定性實驗及遺傳規律實驗可以不設置對照?？刂谱宰兞康脑恚杭臃ㄔ砘驕p法原理來控制自變量。加法原理：與常態相比，人為增加某種影響因素的原理。如探究不同酸堿度對唾液淀粉酶的影響實驗，加酸和加堿的一組為實驗組。減法原理：與常態相比，人為去除某種因素的原理。如驗證光合作用產生淀粉的實驗，施加人為因素的一組，即遮光組為實驗組。

（3）實驗結果、結論：依據實驗原理寫結果，依據實驗目的寫結論。

【解題模板】

取材分組 把（生長狀況、大小、性別、身高、體重和發育狀況等）相同的××隨機均分為若干組，記為A（對照組）、B（實驗組）組

材料處理 A組加適量的××（自然條件或模擬自然條件——對照組處理）;B組加等量適量的××（施加實驗變量——實驗組處理）;其他條件相同且適宜

觀察記錄 在相同且適宜的條件下培養（生理實驗）或反應（生化反應）一段時間后，觀察（特異顏色變化、沉淀反應、形態結構、生理特征等變化）記錄（生長發育速度、生化反應速度等）數據，進行相應的處理（求平均值等）

2.探究性實驗

【典例分析】

例2：以下是一個測定某植物細胞液濃度的實驗：

實驗步驟 實驗示意圖

①在每組試管中注入等量不同濃度的蔗糖溶液

②在每組的a試管中加入等量葉圓片和少量亞甲基藍晶粒（對溶液濃度影響可忽略不計）并定時輕搖

③從每組a中吸取1小滴藍色液滴，小心放入對應b試管的溶液中部，觀察藍色液滴沉浮情況并記錄

說明：若a管溶液濃度上升，藍色液滴將在b管的無色溶液中下沉;反之藍色液滴將上浮;若a管溶液濃度不變，藍色液滴將均勻擴散。

實驗結果如下表：

請回答下列問題：

（1）本實驗的原理是： ? ? ? ? ? ? ? ?，這種變化可通過藍色液滴的浮沉反映出來。

（2）本實驗的結論是：植物葉肉細胞的細胞液濃度大約相當于 ? ? ? ? M的蔗糖溶液濃度。

（3）本實驗不同組別間的自變量是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，因變量是 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

（4）若在某組a試管中的植物細胞發生了質壁分離現象，則在第③步操作中，將發現藍色液滴 ? ?。

（5）在操作正確情況下，若發現在所有的組別中藍色液滴都上浮，則實驗應該如何改進？ ? ? ? 。

解析：（1）測定植物細胞液濃度的實驗，原理是根據植物細胞液與外界溶液存在濃度差時會發生滲透吸水或失水現象，引起外界溶液濃度的改變，這種變化可通過藍色液滴的浮沉反映出來。（2）從實驗結果可以看出，在0.05M的蔗糖溶液濃度時，液滴均勻擴散，說明植物細胞的細胞液濃度大約相當于0.05M的蔗糖溶液濃度。（3）本實驗不同組別間的自變量是蔗糖溶液的濃度，因變量是a管中蔗糖溶液濃度的改變。（3）若在某組a試管中的植物細胞發生了質壁分離現象，說明蔗糖濃度高于細胞液濃度，則在第③步操作中，將發現藍色液滴上浮。（4）在操作正確情況下，若發現在所有的組別中藍色液滴都上浮，說明蔗糖溶液濃度偏高，則實驗應設置低于最低溶液濃度的系列，讓溶液組別重新進行試驗。

答案：（1）植物細胞液與外界溶液存在濃度差時會發生滲透吸水或失水現象，引起外界溶液濃度的改變 ? ? （2）0.05 ? ? ?（3）蔗糖溶液的濃度 ? ?a管中蔗糖溶液濃度的改變 ? ? ?（4）上浮 ? ? （5）設置低于最低溶液濃度的系列蔗糖溶液組別重新進行實驗

【技能技巧】

（1）實驗原理的書寫方法：利用××（理論或器材或反應原理），通過××（方法），出現××（現象），就能達到××（目的）。

（2）書寫預期實驗結果：實驗組和對照組的觀測指標都要進行描述。

（3）書寫實驗結論常用語言是：如果“結果”，則“結論”。要分類討論，一般為：實驗組比對照組好，實驗變量有利、促進;實驗組比對照組差，實驗變量不利、抑制;實驗組與對照組無顯著差異，實驗變量無影響。

（4）分析實驗結果，套用實驗原理。

【解題模板】

取材

分組 將若干生長發育狀況、大小、長勢、體重（體長）、年齡、性別等相同的材料用具隨機均分為若干組，并用字母進行標號 分組編號，等量對照（描述無關變量）

材料

處理 不施加實驗變量（自然條件或模擬自然條件）設為對照組;施加實驗變量，設為實驗組（或均施加實驗變量，設為相互對照）;控制無關變量，即其他條件相同適宜，試劑適量且等量 處理實驗組（描述自變量，平衡無關變量）

觀察

記錄 反應（生化反應）或培養（生理實驗）相同時間后，觀察指標（特異顏色變化、沉淀反應、形態結構、生理特征變化等）或測定指標（生長發育速度、生化反應速度等），記錄并處理數據 處理實驗結果（描述因變量）

3.評價性實驗

【典例分析】

例3：某興趣小組為驗證2，4-D對插條生根的促進作用，進行了如下實驗。

A.剪取同一楊樹植株上長勢與長度相同、部位相近且有3個芽的健壯枝條20根，隨機均分為甲、乙兩組;B.甲組每根插條上都保留3個芽，乙組每根插條上的芽全部去除;C.將甲組插條的下端插入適量蒸餾水中，乙組插條的下端插入等量適宜濃度的2，4-D溶液中。兩組均置于相同且適宜的環境中培養;D.每天觀察、記錄插條上芽的數目。

請對上述實驗進行分析：

（1）每組選取多根插條的目的是 ? ? ? ? ? 。

（2）請指出該實驗設計的兩項不合理之處。

① ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;② ? ? ? ? ? ?。

（3）實驗設計改正后，甲組起 ? ? ? ? ? ?作用。

解析：（1）每組選取多根插條的目的是減少實驗誤差（排除偶然因素對該實驗結果的影響或排除無關變量的影響）。（2）依據實驗設計的等量原則和單一變量原則，分析該實驗設計的兩項不合理之處依次是：甲、乙兩組插條上芽的數量不等（或沒有控制好變量）;觀察、記錄插條上芽的數量不對（或觀察記錄的指標不對）。（3）實驗設計改正后，甲組起對照作用。

答案：（1）減少實驗誤差（排除偶然因素對該實驗結果的影響或排除無關變量的影響） （2）①甲、乙兩組插條上芽的數量不等（或沒有控制好變量） ②觀察、記錄插條上芽的數量不對（或觀察記錄的指標不對） （3）對照

【技能技巧】

（1）實驗材料用具的評價：材料選擇是否合理（包括生長狀況、大小、身高、體重、生長發育和性別等是否相同，分組是否隨機均分）;用具選擇是否合理;是否遺漏重要的實驗用具;材料用具是否充分利用;是否隨意增加材料用具;藥劑選擇、使用、用量是否準確。如在做低溫誘導植物染色體數目的變化的實驗時，要將整株材料在低溫下處理才能達到實驗目的。

（2）實驗變量處理的評價：有無實驗對照;實驗變量設置是否合理;是否有標記;是否遵循單一變量原則;是否遵循了適量等量原則;是否排除了干擾因素。

（3）實驗步驟的評價：步驟是否完整;步驟順序是否合理;操作是否違反生物學原理;觀察指標是否正確;實驗條件是否正確。如在做低溫誘導植物染色體數目的變化的實驗時，要先漂洗后染色。

（4）實驗條件的評價：是否需要攪拌、加熱;實驗所需的溫度和光照條件是否合理。

（5）實驗結果和結論的評價：實驗結果的種類是否符合實驗的類型;實驗結果與題目要求寫出的結果是否相符;實驗結果是否出現科學性錯誤;結果（實驗現象）與結論因果關系是否倒置;實驗結果的驗證方法是否得當。如在做低溫誘導植物染色體數目的變化的實驗時，只能看到部分細胞的染色體加倍。

（6）實驗原理的評價：是否包括自變量和因變量之間的關系;是否包括因變量的觀測指標;是否包括對實驗具體過程的描述。

【解題模板】

對照原則 除遺傳學實驗分析、鑒定性實驗可不設置對照外，均要設置對照（自身對照、相互對照、空白對照和條件對照等）

單一變量原則 無論一個實驗有幾個實驗變量，都應做到一個實驗變量對應一個反應變量;實驗中做到避免無關變量和額外變量的干擾

科學性原則 實驗原理的科學性、實驗材料選擇的科學性、實驗方法的科學性、實驗結果處理的科學性

平衡重復原則 設計的實驗必須有足夠的實驗次數，在無法重復的情況下不能得出正式結論

可行性原則 實驗的原理、實驗的實施和實驗結果產生的可行性

簡便性原則 實驗材料容易獲得且不得隨意添加、實驗裝置比較簡單、實驗藥品比較便宜、操作過程比較簡單、實驗步驟相對較少、實驗等待時間相對較短

在生物高考實驗復習過程中，既要牢固掌握教材實驗及教材拓展實驗的基本理論和基本技能，又要掌握實驗設計過程中的設計技能技巧。只有這樣，才能確保在高考奪分中立于不敗之地。