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　　如何科學地進行生物實驗設(shè)計

　　摘要：生物 科學 是一門實驗科學，因此生物實驗一直是生物學高考必出的 內(nèi)容 。從近幾年的實驗題在高考中的題型變化來看，借助實驗 方法 創(chuàng)設(shè)新情境，側(cè)重考查學生對實驗進行解釋和 分析 的能力已成為命題趨向，其中設(shè)計型實驗題更是 熱點。

　　由于實驗設(shè)計是較高的能力要求，除要具備一定的知識基礎(chǔ)外，還需要具有一定的創(chuàng)造能力。所設(shè)計的實驗是建立在科學的基礎(chǔ)上的，還應具有一定的觀察和發(fā)現(xiàn) 問題 的能力。因此這一類考查考生綜合分析能力的題型在高考實驗復習中顯得尤為突出，也是令學生非常頭痛的。下面結(jié)合本人兩年來如何進行高三實驗設(shè)計復習的 實踐，談一點自己的 體會。

　　一、什么是實驗設(shè)計

　　所謂實驗設(shè)計，就是要求學生設(shè)計實驗原理，選擇實驗器材，安排實驗步驟，設(shè)計數(shù)據(jù)處理的方法及分析實驗的現(xiàn)象。它包括設(shè)計實驗方案、設(shè)計實驗步驟、設(shè)計實驗改進方法等。實驗設(shè)計，主要考查學生是否理解實驗原理，是否具有靈活運用實驗知識的能力，是否具有在不同情境下遷移知識的能力。一個完整的實驗設(shè)計過程包括5個環(huán)節(jié)。發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、實驗設(shè)計(包括假說和預期的結(jié)論)、實驗實施、結(jié)論(包括推導和運用結(jié)論)。其中實驗設(shè)計是 聯(lián)系問題和結(jié)論的必要橋梁。

　　二、實驗設(shè)計的基本原則

　　1)科學性原則　　指實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當，整個設(shè)計思路和實驗方法的確定都不能偏離生物學基本知識和基本原理以及其他學科領(lǐng)域的基本原則。2)平行重復性原則　　平行重復原則，即控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結(jié)果 影響 的程度。任何實驗都必須能夠重復，這是具有科學性的標志。上述隨機性原則雖然要求隨機抽取樣本，這能夠在相當大的程度上抵消非處理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影響。平行重復的原則就是為解決這個問題而提出的　3)單一變量原則　　有兩層意思：一是確保“單一變量”的實驗觀測，不論有幾個實驗變量，都應做到一個實驗變量對應觀測一個反應變量;二是確保“單一變量”的操作規(guī)范，實驗操作中要盡可能避免無關(guān)變量及額外變量的干擾。4)對照原則 對照的目的在于削除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響。實驗對照原則是設(shè)計和實施實驗的準則之一。通過設(shè)置實驗對照，又排除無關(guān)變量的影響，又可增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。按對照的內(nèi)容和形式上的不同，通常有以下對照類型。

　　A.空白對照　　指不做任何實驗處理的對象組。B.自身對照　　實驗與對照在同一對象上進行，不設(shè)對照組。C.條件對照　　雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，或者說這種處理不是實驗假設(shè)所給定的實驗變量意義的。D.相互對照　　指不另設(shè)對照組，而是幾個實驗組相互對比對照。

　　三、實驗設(shè)計的方法

　　一個比較完整的實驗設(shè)計方案，一般包括這樣幾方面的內(nèi)容：1)實驗題目的確定;2)提出假說;3)設(shè)計實驗方法和步驟;4)提出實驗的預期結(jié)果;5)要觀察和搜集的數(shù)據(jù)及方法。書寫實驗設(shè)計方案通常包括：“實驗課題”、“實驗假說”、“實驗預期”、“實驗目的要求”、“實驗方法類型”、“實驗對照類型”、“實驗材料用具”、“實驗方法步驟”和“實驗結(jié)論與討論”等項目。而在中學生物課本的實驗指導中，實驗假說和實驗預期大都隱含在“實驗原理”中。實驗方法類型、實驗對照類型則一般隱含在“方法步驟”中。

　　因此在實驗設(shè)計中可以從以下幾個方面去考慮：1)明確實驗目的，即需要驗證的生物學事實;2)嚴格遵守實驗原理，實驗所依據(jù)的科學原理，涉及到的生物學及相關(guān)學科的方法和原理;3)恰當選擇實驗對象，選擇最能體現(xiàn)此生物學事實的具體對象，如細胞、 組織、器官或生物個體;4)細心注意對實驗條件、材料用具和裝置的理化條件和生物學方法處理后，認真 研究 實驗裝置設(shè)計的嚴密性和合理性;5)合理設(shè)計實驗步驟，要注意實驗步驟的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性，實驗操作的程序性;6)精心設(shè)置對照組實驗，控制和消除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的影響;7)提出假設(shè)條件，預測結(jié)果，假設(shè)是對可見現(xiàn)象作出可以檢測的解釋，假設(shè)的成立與否依賴證據(jù)(預測結(jié)果符合事實或?qū)崿F(xiàn)則假設(shè)成立;反之則假設(shè)不成立);8)仔細觀察實驗現(xiàn)象，詳細記錄實驗結(jié)果，只考慮單一實驗變量對結(jié)果的影響;9)認真分析原因，全面討論結(jié)果，無論實驗成功與否都要分析原因，對實驗要進行多角度、全方位的分析討論。

　　四、實驗設(shè)計的實例分析

　　例1 (廣東、河南高考題)為證實"二氧化碳是光合作用合成有機物必需的原料"，某同學制訂了下列實驗方案：

　　(1)實驗目的(略)

　　(2)實驗材料和用具(略)

　　(3)實驗方法和步驟

　　用一適當大小的玻璃罩罩住一株生長正常的盆栽綠色植物和一杯NaOH溶液，密封不漏氣。

　　將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內(nèi)貯藏的有機物。暗室內(nèi)裝有紅色安全燈。

　　饑餓一定時間后，自暗室中取出，照光若干小時，使其充分進行光合作用。

　　取一葉片，放人盛有酒精的燒杯中，水浴加熱，使葉綠素溶于酒精中。

　　將已脫綠的葉片取出，平鋪在一個培養(yǎng)皿中，用碘液，檢測有無葡萄糖的特異顏色反應出現(xiàn)。

　　該實驗方案有幾項明顯錯誤，請指出錯誤并改正。

　　誤解 對該實驗方案的 分析 片面或缺乏必要的實驗分析能力而誤答。

　　診斷 錯因：忽視了平時的生物實驗操作和訓練。正確思路：實驗中無對照實驗;實驗中不能用紅色安全燈，因為色素能夠吸收紅光，進行光合作用， 影響 實驗結(jié)果;淀粉遇碘變藍是淀粉等特有的顏色反應，而不是葡萄糖的顏色反應。鑒定還原糖(葡萄糖)的存在 應用 的試劑是班氏試劑。

　　正確答案是：(1)實驗步驟 中暗室內(nèi)用"紅色安全燈"是錯誤的，應改為綠色安全燈(此項不改，僅在對照中提到也給分);(2)實驗步驟⑤中的"葡萄糖"是錯誤的，改為淀粉;(3)未設(shè)對照。對照的作法是：a.裝置同題干中的步驟，但玻璃罩內(nèi)用同一種生長狀況相同的另一株植物代替題干中的植物;用一杯清水代替NaOH溶液。b.將上述植物及裝置放在暗室中饑餓，消耗掉葉片內(nèi)貯藏的有機物。暗室內(nèi)裝有綠色安全燈。c.重復題干中的步驟。d.重復改正后的題干中的步驟。

　　需要注意的是：對于實驗分析要求從以下幾個方面進行： 科學 性和嚴謹性。主要指實驗設(shè)計必須有充分的科學依據(jù)，在某些實驗中要有對照實驗。實驗條件的一致性和可重復性。在實驗中除要設(shè)計的變量外，其他條件都要一致，并且一個實驗不能只看一次的結(jié)果，必須有足夠的實驗次數(shù)，才能判斷出實驗結(jié)果的可靠性。實驗器材的選擇。實驗中材料用具的選擇是非常重要的，要根據(jù)實驗所提出的 問題 和要求， 聯(lián)系命題者所提供的器材，準確判斷和篩選實驗所需的用具及材料。準確表達實驗結(jié)果和進行數(shù)據(jù)處理。

　　例2(2003全國高考理綜試卷非選擇題27題)將青蛙腦破壞保留脊髓，在脊柱下部打開脊椎骨，剝離出脊髓一側(cè)的一對脊神經(jīng)根(包含一個背根和一個腹根，圖略)。分別電刺激背根與腹根均可引起蛙同側(cè)后肢發(fā)生運動反應。以已知背根含有傳入神經(jīng)，腹根含有付出神經(jīng)，背根與腹根合并成脊神經(jīng)。

　　請根據(jù)上述提供的實驗材料(實驗用具自選)設(shè)計實驗步驟，并預測實驗結(jié)果，以分別驗證背根具有傳入功能，腹根具有傳出功能。

　　答案：實驗步驟1：在背根中央處剪斷(或用麻醉藥阻斷)，分別電刺激背根向中段、外周段，觀察蛙后肢是否發(fā)生運動反應。預期結(jié)果：電刺激背根向中段應發(fā)生蛙后肢運動反應，電刺激背根外周段不發(fā)生反應，說明背根具有傳入功能。

　　實驗步驟2：在腹根中央處剪斷(或用麻醉藥阻斷)，分別電刺激腹根向中段、外周段，觀察蛙后肢是否發(fā)生運動反應。預期結(jié)果：電刺激腹根向中段不發(fā)生反應，電刺激腹根外周段就發(fā)生后肢運動反應，說明腹根具有傳出功能。

　　例3、現(xiàn)有一種植物的種子，已經(jīng)知道它的萌發(fā)受水分、溫度和氧氣的影響，但不了解其萌發(fā)與光是否有關(guān)，探究光的有無對該種子萌發(fā)的影響，請你依據(jù)所給材料和用品設(shè)計出實驗的 方法 步驟，預測可能的實驗結(jié)果，并分別得出相應的結(jié)論。

　　材料和用品：數(shù)量充足的鋪有濾紙的培養(yǎng)皿、無菌水、表面消毒過的種子等

　　方法步驟：

　　可能的實驗結(jié)果及相應的結(jié)論：

　　( 參考 答案 方法步驟：向培養(yǎng)皿中倒入適量的水，將等量的種子分別放入兩組培養(yǎng)皿中。將一組置于有光照的 環(huán)境中，另一組置于黑暗環(huán)境中，在培養(yǎng)過程中，使兩組所處溫度、水分、空氣狀況適宜且相同。 可能的實驗結(jié)果及相應的結(jié)論：有光組萌發(fā)，無光組也萌發(fā)(或答發(fā)芽率差異不顯著)，該種植物的種子萌發(fā)不受光的影響。有光組萌發(fā)，無光組不萌發(fā)(或答有光組發(fā)芽率高于無光組，差異顯著)，光是該種植物種子萌發(fā)的必要條件之一。有光組不萌發(fā)，無光組萌發(fā)(或答無光組發(fā)芽率高于有光組，差異顯著)，光抑制該種植物種子的萌發(fā)。

　　五、交流點撥——提高實驗設(shè)計的能力

　　由于實驗設(shè)計題具有開放性的特點，再加上每個學生自己獨特的思考方法和不同的解決問題的途徑，得出的結(jié)果是多種多樣的，設(shè)計水平高低不同。所以，在進行了一定數(shù)量的設(shè)計訓練后，教師要及時給予點撥或引導學生交流設(shè)計成果， 總結(jié) 出生物實驗設(shè)計方案的基本思路和評價標準(科學合理、設(shè)計簡捷、效果明顯等)，從而使學生鞏固實驗設(shè)計方法，提高實驗設(shè)計的能力。另外，通過學生對實驗設(shè)計方案的討論，可以互相取長補短，完善設(shè)計方案，豐富設(shè)計 內(nèi)容 。同學的啟示和教師的點撥豐富了解題的思路，啟迪了思維，通過交流點撥使每個同學對問題的理解更加全面和深入，實驗設(shè)計能力從本質(zhì)上得到了很大的提高。

　　
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