邓家先的妻子:实验设计型题解答中的若干问题例析

实验设计型题是近年来高考中的一种重要题型。如何解答好实验设计型题呢？本文提出几个在解答时需要注意的问题，以供参考。
    一．注意题目的特定条件
    在实验设计过程中，达到同一实验目的的研究方案可以是多样的，但作为解题来讲是有特定条件与要求的，实验设计的方法与步骤需要受到题目特定条件与要求的制约，否则即使实验设计得最完美，也是不符合要求的。
    例1．据药理研究，一种茅草的根内含有降血糖的因子及多种有益于健康的成分，某公司将它开发成一种保健饮料。该产品是否适用于糖尿病患者，生物学兴趣小组的同学以此作为研究课题。请你完成下面的实验鉴定报告。
    （1）实验目的：鉴定一种茅草的根是否含有还原性糖和淀粉。
    （2）实验原理：还原性糖可用          试剂、淀粉可用          试剂来检测。
    （3）实验器材：一种茅草的根、所需试剂、刀片、载玻片、酒精灯、试管夹、火柴、滴管。
    （4）实验步骤：
    ① 鉴定还原性糖：
    ② 鉴定淀粉：
    （5）实验现象：
    （6）结果分析：
    （7）在鉴定还原性糖的实验操作中应注意：
    答案：（2）班氏试剂 革兰氏碘液
    (4) ①将一种茅草的根切成薄片(或压碎)，放在载玻片上，滴加1～2滴班氏试剂。将载玻片在酒精灯上加热，观察颜色变化。
    ②将一种茅草的根切成薄片(或压碎)，放在载玻片上，滴加1～2滴碘液。将载玻片在酒精灯上加热，观察颜色变化。
    (5)(6)可以有几种不同的回答，但一定要求观察到的实验现象与结果分析一致(如：观察到有红黄色，说明有还原性糖存在，如没有红黄色，说明没有还原性糖存在。如果有蓝色或蓝紫色出现，说明有淀粉存在，如果没有蓝色或蓝紫色出现，说明没有淀粉存在。)
    (7)载玻片在火焰上加热时要来回移动，避免加热不匀而爆裂。
    鉴定草根内是否含有淀粉和还原性糖的方案可有多种，比如，可以从教材还原性糖鉴定实验得到启发，采用“将茅草根切（剪）碎→研磨→加水过滤→显色鉴定”的基本步骤。这一设计是可以很好地起到鉴定作用的，但此方案是不符合题目的要求的，题目没有给出研磨、过滤等操作的材料器具。因此，在例1中，题目给出的材料用具制约了实验设计的方案。
    例2．研究发现，昆虫对某种颜色会表现出趋性，对某种颜色则表现为回避。在温室大棚中，为了减少蚜虫对作物的危害，工作人员在温室内悬挂涂有胶粘剂的黄色硬纸板。黄色是最能吸引蚜虫的颜色吗？某生物小组的同学进行了探究活动，获得如下数据：
         不同颜色诱捕蚜虫结果汇总表（单位：只）
 黄色 绿色 橙红色 白色 褐色 红色 银灰色
第1次 201 31 30 22 22 13 ４
第2次 226 48 32 25 22 16 ２
第3次 230 41 27 20 9 15 ０
平均 219 40 29.7 22.3 17.7 14.7 2   请根据以上信息完成该生物小组的实验方案。
    第一步作出假设：                             。
    第二步选择实验材料：30cm×30cm的黄色、绿色、橙红色、白色、褐色、红色、银灰色卡纸各若干张，胶粘剂，大头针（固定用）。
    第三步实验步骤：
    ①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　             　　；
    ② 选择风和日丽的天气，在蚜虫分布较多的空旷草地上                 ；
    ③                           　　　　　　　　　             ；
    ④　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　          　。
    第四步得出结论：                                             。  
    答案：第一步作出假设：若黄色为最能吸引蚜虫的颜色，则在黄色卡纸上粘的蚜虫数最多。
    第三步实验步骤：
    ①将不同颜色的卡纸分别均匀涂上胶粘剂。         
    ②将不同颜色的卡纸随机排列，用大头针固定。     
    ③半天后计数，并将数据记录到表格中。    
    ④重复上述步骤两次。                           
    第四步得出结论：黄色卡纸上蚜虫最多，说明蚜虫对黄色表现为趋性。
    本题要探究“黄色是最能吸引蚜虫吗？”如果我们不考虑题目的特定条件，从实验的分组来看，除了黄色的实验组外，对照组的选择可以说是多种多样的；从实验进行的次数来看，重复的次数也可以各不相同的。但在本题中，由于给出了实验结果的数据表，这个结果就限定了实验设计的步骤：表中列出观察的对照组有绿色、橙红色、白色、褐色、红色、银灰色，这就决定了实验设计时只能设计相应的对照组；表中实验数据记录了3次，这就决定了只能重复实验步骤2次。实际上，这里的实验步骤与其说是设计，不如说是根据实验结果进行的推测。
    题目的特定要求、给出的材料用具、实验步骤以及实验的结果等，都是进行实验设计的制约因素。试题的实验设计，就是在这种特定条件与要求下进行的，一般不会是完全开放的实验设计。
    二．注意验证性与探究性试题的区别
    验证性实验与探究性实验的目的是不尽相同的，前者是通过实验验证对象的已知属性，后者是通过实验探究对象的未知属性。验证性实验和探究性实验在实验步骤的设计上是一致的，解题时不同的地方在于，由于验证性实验研究的对象的属性是明确的，因此是不需要再作实验的假设的，实验的结果与结论也是确定的，因此也都不需要进行讨论。但探究性实验其研究的对象属性是未知的，因此需要作出理论上的假设；由于在书面考试中不可能根据实验步骤进行实际的操作，解题时只能根据假设对实验结果作出预期，也就是预期实验结果时，只能根据实验的假设对实验的可能结果进行讨论。
    例3．为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。
    (1)材料和用具：日龄相同体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。
(实验提示：给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定。)
    (2)方法与步骤：
   （3）结果分析与预测。
    答案：（2）方法与步骤：
    ①将两组大白鼠分别标号为甲组和乙组，并分别用给出的仪器，测定与记录耗氧量和活动量。
    ②每日用灌胃器给予甲组鼠灌胃甲状腺激素溶液，给予乙组鼠灌胃等量的蒸馏水，饲养一定时间。
    ③测定与记录甲、乙组鼠的耗氧量和活动量
    (3)结果预测与分析：
    ①未给甲状腺激素时，甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量相近。
    ②给甲组鼠甲状腺激素后，其耗氧量和活动量均大于乙组鼠。结果表明甲状腺激素能促进新陈代谢，加速体内物质的氧化分解，提高神经系统的兴奋性，从而使动物的耗氧量和活动量增加。
    这是一个验证性实验试题，题目要求验证甲状腺激素的生理功能，实验要求以大白鼠的耗氧量和活动量为指标，这就意味着是验证甲状腺能“促进新陈代谢，加速体内物质氧化分解；提高神经系统兴奋性”的功能，无须再作出这一功能是成立或不成立的假设（这类试题也不会有作出假设的题目要求）。实验结果的预期是依据甲状腺激素的功能来作出的，注射了甲状腺激素的大白鼠，其代谢速度会加快，神经系统兴奋性会提高，表现会耗氧量和活动量都增加。
    例4．现有容积相同的玻璃缸几只，利用自然的清水，生长发育状况相同的小蝌蚪60只，饲喂蝌蚪的饲料、未经处理的具有生物活性的甲状腺激素、50℃的温水处理10min后的甲状腺激素。
    （1）请利用所给的条件，设计一个实验，探究经过50℃的温水处理10min后的甲状腺激素的生物活性是否发生了改变。
    （2）预测实验的结果并得出结论。
   答案：（1）实验设计：
    ①将蝌蚪随机分成均等的三组：甲组、乙组和丙组，每组20只。
    ②分别饲喂等量的饲料（甲组）、用具有生物活性的甲状腺激素相拌的饲料（乙组）、用处理过的甲状腺激素相拌的饲料（丙组），
    ③在相同条件下饲喂后观察记录实验现象（蝌蚪发育成青蛙的时间）。
    （2）假如蝌蚪发育成蛙的先后顺序是：丙→乙→甲，那么50℃的温水处理增强了甲状腺激素的活性；假如蝌蚪发育成蛙的先后顺序是：乙→丙→甲，那么50℃的温水处理减弱了甲状腺激素的活性；假如蝌蚪发育成蛙的先后顺序是：丙、乙→甲，那么50℃的温水处理对甲状腺激素的活性没有影响；假如蝌蚪发育成蛙的先后顺序是：甲、丙→乙，那么50℃的温水处理使甲状腺激素失去了活性。
    这是一个探究性的实验题。50℃的温水处理对激素腺激素其活性会有什么影响是未知的，其可能性有四种情况：50℃的温水处理后的甲状腺激素的活性得到了增强，二是活性减弱，三是活性没有改变，四是失去了活性。这就是可能的假设。根据这四种假设，相应也就有四种可能的实验结果，结果应该是根据假设来预期和分析的。
    值得注意的是，即使是探究性的实验，在有些情况下对于实验的结果也是不需要进行讨论的，比如在例1中，题目要求是完成实验报告，实际报告应该是在实验结果后完成的，实验结果必须是明确的，不能再进行讨论，所以解答时只能从可能的情形中选择一种合理的类型，如果对可能的结果进行讨论，就不符合实验报告的要求了。再如例2，也属于探究性的实验，但由于试题已给出了实验的结果，当然也就没有必要再进行讨论了。讨论是在结果不能确定的情况下的一种可能性的分析和推测，其行为应在观察实验结果之前。
    三．注意实验设计时是否需要前测
    在施以实验变量前对实验对象进行的测定，属于前测。在例1中，我们可以看到，实验的第一步“将两组大白鼠分别标号为甲组和乙组，并分别用给出的仪器，测定与记录耗氧量和活动量”就属于前测。比较下例：
    例5．胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用。为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，请以小白鼠为实验对象设计实验步骤，预测和解释实验应出现的结果，并写出实验结论。 
    （一）实验材料和用具：
    正常实验小白鼠2只，生理盐水，用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性试剂，注射器，试管，烧杯等。
    （二）实验步骤：
    （实验提示：采用腹腔注射给药，给药剂量不作实验设计要求；给药1小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液。）
    （三）实验结果的预测、解释和结论：
    答案：（二）实验步骤：
    （l）确定1只鼠为实验鼠，腹腔注射胰高血糖素溶液；另一只鼠为对照鼠，腹腔注射等容量生理盐水。
    （2）将两支试管分别编号为1号和2号，各加入等量的班氏糖定性试剂。
    （3）给药1小时后，对两只小白鼠采尿液，实验鼠尿液放入1号试管内，对照鼠尿液放入2号试管内。
    （4）将两支试管摇匀后，放入盛有开水的烧杯内加热煮沸，待冷却后，观察两支试管溶液颜色的变化。
    （三）实验结果的预测、解释和结论：
     l号试管中应该出现砖红色沉淀，表明实验鼠尿液中有葡萄糖；2号试管中仍为蓝色溶液，表明对照鼠尿液中无葡萄糖。
    实验结论：实验鼠血糖升高，超过一定数值而出现糖尿，是胰高血糖素具有升高血糖的生理作用所引起的。
    本题与例3是非常类似的，但本题的解答过程中，实验步骤并没有进行前测要求。
    前测的作用是为实验结果提供一种实验前后的对照，如果实验起始状态是确定已知的，就没有必要进行前测了，反之就需要进行前测。在例3中给出的“正常实验小白鼠”其前提应该是血糖含量正常，尿液中不含糖的，否则就不能称其为“正常”了，由于实验起始状态是明确的，“尿中不含糖”这一信息隐含在“正常实验小白鼠”的条件中，因此是不必进行前测。但例5的情况就不同了，即使是正常的大白鼠，其活动量和耗氧量也总是有所区别的，只有进行前测，才能与实验结果进行比较，才能使实验结果的说服力更强。