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生物学实验设计题解题方法与例析

文章来源：生物学教学

从2001～2004年高考来看，实验设计题已成为生物学高考实验题的重点。高考生物科考试大纲能力要求中明确指出：学生应具备验证简单生物学事实的能力，并能对实验现象和结果进行解释和分析：能对一些生物学问题进行初步的探究性研究，并能制订研究方案。这说明，实验设计题仍旧是高考命题的热点。如何才能够做好实验设计题，下面笔者谈谈自己的看法。

一、实验设计的原则

高考中的实验题一般都是以经典实验、教材知识点或者新技术为命题背景，具有较强的科学性。从做题的角度出发，学生应该特别注意以下两种实验设计的原则：

    1.对照原则
    实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。设置对照组有4种方法：
    (1)空白对照，即不给对照组做任何处理。
    (2)条件对照，给实验组某种处理，给对照组另外一个条件处理，例如“验证甲状腺激素促进小动物发育”实验中，其对照如下表示：

缸别 

饲料

方式

对照

A

等量饲料

适量未经处理的甲状腺激素

实验组

B

等量饲料

不加激素

空白对照组

C

等量饲料

饲喂甲状激素抑制剂

条件对照组

(3)自身对照，指对照组和实

 　(4)自身对照，指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，例如鸡的阉割实验——阉割处理前鸡的状况作为对照组，阉割处理后的鸡作为实验组。
   (5)相互对照，不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照，例如不同温度对酶活性的影响。

   2.单一变量原则
    其含义为：(1)一个实验变量对应观测一个反应变量；(2)实验中应尽可能避免无关变量和额外变量的干扰，例如给切除甲状腺的鼠注射一定量含甲状腺制剂的溶剂，来观察甲状腺制剂对鼠代谢的影响这个实验中，对照组的鼠应该是切除甲状腺并注射不含甲状腺剂的溶剂，而不是只切除甲状腺，否则变量就有甲状腺制剂和溶剂两个。

二、实验设计的内容与答题方法

1.实验设计的内容
    完整的实验设计一般包括下面几个方面：(1)实验题目；(2)实验假设；(3)预期结果；(4)实验方法；(5)观察和搜集数据；(6)分析与结论。

2.答题方法
    (1)实验题目　包括三个方面：①研究对象；②研究现象；③作用于对象的因素。如pH对唾液淀粉酶活性的影响这个实验，其研究对象是唾液淀粉酶活性，作用于对象的因素是不同的pH，研究现象是唾液淀粉酶活性随pH发生的变化。通过仔细阅读题干，找到以上三个方面的内容，就能够把实验题目确定下来。

(2)实验假设　根据题设要求，确定变量X，在实验中要注意控制变量，一般只确定一个变量，即唯一一个对实验结果有影响的变量。在此基础上提出理论假设，它常常可描述为：“当条件X存在时，事件P能发生；当条件X改变时，事件P不能发生或发生的程度会改变。”如根据“细菌的培养基中，偶然生出青霉菌，在其周围没有细菌生长”这个现象可以提出假设：青霉素产生可阻止细菌生长和繁殖的物质。注意这里使用“阻止”而不是“影响”二字，说明假设中应该具体阐述有何种“影响”。

(3)预期结果　首先要注意实验是验证性还是探究性。如果是验证性，那么结果的预测应该是与实验的假设相一致的；如果是探究性的，那么就需要对实验的结果进行讨论，对于讨论要充分考虑到各种情况的可能性，大致可以有以下三种情况：①因变量与自变量正相关；②因变量与自变量负相关；③因变量与自变量无关。

 (4)实验方法　要抓住以下几个关键点：①进行对照组的准备；②对照组的设置（注意单一变量原则）；③对照组的使用；④对照组控制条件的观察。

例：研究性学习课题小组同学发现了某种细菌(R)的周围其他细菌的生长繁殖受到抑制。他们把R细菌接种到专门的培养基上进行培养。一段时间后，他们除去R细菌，用该培养基再培养其他细菌，结果其他细菌仍然不能在这个培养基上生长和繁殖。于是课题小组的同学就假设了“造成R细菌周围其他细菌不能生长和繁殖的最可能原因是：R细菌产生了不利于其他细菌生存的物质”。

问题：参照上述题目中所给出的有关材料，请设计一个实验对该课题小组同学的假设进行验证。按照上面的四个步骤我们很容易可以得到答案：第一步：取两个培养皿，标记甲乙，按相同营养成分配制两个培养基；第二步：在甲培养基上接种R细菌，培养一段时间后，除去细菌；乙培养基上不接种R细菌，作为对照；第三步：在这两个培养基上分别接种相同的其他细菌；第四步：在相同条件下，让甲乙两个培养基上的细菌生长繁殖；第五步：对实验现象进行观察、记录和分析。

这里需要注意以下几点：①在文字表述上要有技巧。如表述的语言要精炼、应尽量使用题目中出现过的比较规范的表述、在使用器皿时用标记号（甲烧杯、A试管、1号培养血……）来辅助，像上题中的“甲乙两个培养基”，这样在表达时一方面清晰明了，另一方面可以节省篇幅、节省时间。②要注意实验对照组的设立，排除干扰因素。③实验设计题的解答要注意条理性。即要用代号明确标出实验步骤，如例题中的实验步骤序号“第一步、第二步……”，如果没有明确的实验步骤，整个实验设计就会显得杂乱无章，没有条理。

(5)观察和搜集数据：一般包括三部分内容：①确定观察和记录的时间；②设计观察和记录内容；③确定记录方式。常用的记录方式是：文字描述、表格描述、画坐标图，其中后两种记录方式在近年的上海高考卷中出现。

 对于此类记录方式的考查，我们可以指导学生通过“二维设计”来解决，即一维自变量，一维因变量。用坐标图描述一般横坐标为自变量，纵坐标为因变量；而表格描述为了设计方便往往是横向为因变量，纵向为自变量，例如2002年上海高考卷“不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响”一题，其记录表格可以表示为：

(6)分析与结论：包括三个方面内容：①正确处理实验数据，数据资料要用数学计算及统计、图解（坐标曲线图、椎形图表格等）等方法加以判断、推理和分析。②深入分析实验结果：叙述实验结果及假设是否成立（预期结果得到实现，假设成立；预期结果没有出现，假设不成立），并对结果加以说明、解释或评价；对预期以外的结果做出恰当的分析和说明。③获得结论：通过对现象的分析，概括出规律性的结论或问题。

三、典型例题分析
    例1某生物学兴趣小组开展“不同浓度生长素类似物(IBA)对种子萌发和幼苗生长的影响”，老师已经为他们准备了生长素类似物浓溶液和萝卜种子。假如你是其中一员，请回答

    (1)可以采取的测定指标是＿＿、＿＿等。
    (2)对该课题作出的实验假设是＿＿＿；实验预期是＿＿＿。
    (3)实验步骤：
    ①配置浓度分别为1000mg/L、10mg/L、0.1mg/L、1ug/L、0.01ug/L生长素类似物(IBA)溶液，取6支试管，编号待用。  ②＿＿＿＿＿。  ③＿＿＿＿＿。  ④＿＿＿＿＿。    ⑤一周后进行观察、测量，统计。
    (4)设计一张表格，用于实验时记录数据。
    分析：(1)仔细阅读题干，通过实验题目“不同浓度生长素类似物(IBA)对种子萌发和幼苗生长的影响”，可以知道研究对象是“种子萌发和幼苗生长情况”，作用于对象的因素是“不同浓度生长素类似物(IBA)”，因此可以确定测定指标为种子萌发率和幼苗（根）长度。
    (2)我们从题干同样可以得知自变量X为“不同浓度生长素类似物(IBA)”，因变量是“种子萌发和幼苗生长情况”，再根据课堂上学习的知识就可以写出假设：一定浓度的生长素类似物(IBA)溶液对种子萌发和幼苗生长会有促进。实验预期为：经不同生长素类似物(IBA)溶液处理的种子，其种子萌发率和幼苗生长会有区别。
    (3)题目已经给出了实验步骤中的对照组准备。第二步是对照组设置，不同浓度的生长素类似物(IBA)溶液可以构成相互对照，但很明显，还缺少一个空白对照。所以：②在1～5号试管中加入等量的不同浓度的IBA溶液，6号试管加入与前面试管中IBA溶液等量的蒸馏水（空白对照）。第三步是对照组使用，就应该是：③将等量种子分别放到各个试管中；④一段时间后取出放到垫有浸湿滤纸的培养皿中培养。
    (4)已经知道自变量X为“不同浓度生长素类似物(IBA)”，因变量是“种子萌发和幼苗生长情况”，通过“二维设计”就可以列出表格：