第一章 實(shí)驗與探究基本知識梳理

第1節(jié) 掌握實(shí)驗操作技能，并能將這些相關(guān)的方法和技能進(jìn)行綜合運(yùn)用

一、考綱要求的教材實(shí)驗歸納分類

二、中學(xué)生物實(shí)驗涉及的基本技術(shù)歸納

1.光學(xué)顯微鏡的使用

適用于觀察生物的微觀結(jié)構(gòu)，如觀察葉綠體和線粒體。注意正確掌握低倍鏡和高倍鏡的使用技術(shù)：

（1）使用低倍鏡應(yīng)注意正確對光和調(diào)焦（粗、細(xì)準(zhǔn)焦螺旋的調(diào)節(jié)）。

（2）高倍鏡的使用方法包括：

①低倍鏡下找到清晰物像并移至視野中央。

②轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換器，使高倍物鏡正對通光孔。

③調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋至物像清晰。

2.玻片標(biāo)本的制作

適用于顯微觀察，凡需在顯微鏡下觀察的生物材料，必須先制成玻片標(biāo)本。包括：

（1）壓片法（如洋蔥根尖細(xì)胞的有絲分裂）。壓片的一般過程是：取材→固定→解離（對不易分散的材料用鹽酸處理）→漂洗→染色→壓片→觀察。

（2）裝片法（如高倍鏡下觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動）。其過程是：將材料在載玻片水滴中展平→放蓋玻片時應(yīng)從一側(cè)慢慢蓋在水滴上，防止氣泡產(chǎn)生→對材料染色或改變?nèi)芤簼舛取^察。

3.研磨、過濾

適用于從生物組織中提取物質(zhì)，如酶、色素等。

4.紙層析技術(shù)

適用于溶液中物質(zhì)的分離，如綠葉中色素的分離。主要步驟包括制備濾紙條、畫濾液細(xì)線、層析分離。

5.恒溫技術(shù)

適用于酶參加的生化反應(yīng)，一般用水浴或恒溫箱。

6.解離技術(shù)

用于破壞細(xì)胞壁，分散植物細(xì)胞，制作臨時裝片，如觀察有絲分裂時制片的解離過程。

7.比色法

適用于還原糖、脂肪和蛋白質(zhì)的檢測等

另外還有根尖培養(yǎng)、幼小動物的飼養(yǎng)、植物必需元素的鑒定、同位素示蹤技術(shù)等。

三、重點(diǎn)實(shí)驗類型破解

（一）探究實(shí)驗新題型的特點(diǎn)

1.教材實(shí)驗內(nèi)容與拓展探究實(shí)驗題

（1）根據(jù)教材實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行拓展創(chuàng)新，這類題不是對教材上實(shí)驗的重組，而是更多地要求運(yùn)用教材中相關(guān)實(shí)驗原理、方法、技能，去解答新情景實(shí)驗試題中提出的具體問題。要高度重視教材中的實(shí)驗內(nèi)容，熟記相關(guān)實(shí)驗的原理、目的、化學(xué)藥品或試劑、實(shí)驗材料、操作步驟等，并認(rèn)真仔細(xì)地去分析實(shí)驗現(xiàn)象或結(jié)果，而且需要遷移已掌握的實(shí)驗原理、方法和技能。

（2）一般解法：首先聯(lián)想出該實(shí)驗題是教材中哪一個實(shí)驗的改編或拓展，然后聯(lián)想該實(shí)驗的原理、實(shí)驗器材與藥劑的使用、實(shí)驗的具體操作等，最后根據(jù)題目的要求合理組合答案。

2.實(shí)驗評價題分析

實(shí)驗評價題是較常見的形式，考查形式主要有以下幾種：

（1）對照實(shí)驗的評價。

由于生物研究對象的復(fù)雜性、多樣性和差異性等原因，生物實(shí)驗大多采用對照實(shí)驗法，即確定實(shí)驗組后，根據(jù)等量原則和單一變量原則設(shè)置相應(yīng)對照組，即要求不同實(shí)驗只能有一個實(shí)驗變量，其余條件控制在同一適宜條件下，觀察比較兩者的差異。通過對照（對比）實(shí)驗才能得出科學(xué)的結(jié)論。

（2）對實(shí)驗步驟順序的評價。

正確的實(shí)驗步驟是實(shí)驗取得成功的前提，它能確保出現(xiàn)正常的實(shí)驗現(xiàn)象，進(jìn)而推理得出正確的實(shí)驗結(jié)論。答題時應(yīng)注意：①是否漏做某個實(shí)驗步驟；②操作步驟是否顛倒。

（3）評價實(shí)驗試劑和儀器使用是否正確。

實(shí)驗者只有正確使用試劑和儀器才能如期看到實(shí)驗效果。如使用雙縮脲試劑時必須先加氫氧化鈉（A）溶液形成堿性環(huán)境后再加硫酸銅（B）溶液，使用斐林試劑時先將A、B液混合后，再加入到待檢樣液中并水浴加熱，使用碘液檢測淀粉是否被淀粉酶完全水解時，正確順序是：淀粉+淀粉酶→水浴加熱一段時間→碘液。

（4）糾正或改進(jìn)題型特點(diǎn)。

試題中既有合理成分，又有不合理成分，干擾因素較多，要求在原有設(shè)計的合理成分的基礎(chǔ)上，提出自己的實(shí)驗設(shè)計思路。

（5）實(shí)驗評價題應(yīng)對總策略。

①看實(shí)驗有無設(shè)置對照組，如沒有則要增加相應(yīng)對照實(shí)驗，如果有則看對照設(shè)計是否合理。

②看實(shí)驗是否遵循了單一變量原則。例如研究溫度對酶活性的影響，則溫度為變量。除單一變量外，其他條件應(yīng)完全一樣。包括：a.實(shí)驗對象的一致性；b.等量性原則——每次實(shí)驗所加試劑的量要相等；c.實(shí)驗控制時間的一致性；d.實(shí)驗條件的一致性等。

③看實(shí)驗步驟的順序是否合理，步驟是否完整。

④看實(shí)驗儀器、藥劑的使用是否合理。藥劑的配備、使用及用量的大小是否正確。

⑤看實(shí)驗結(jié)果的驗證是否合理。

【例1】 根向地生長是由什么刺激引起的，單側(cè)光還是重力，還是兩者共同作用？請設(shè)計一個實(shí)驗探究根向地生長的適宜刺激。

（1）實(shí)驗材料和用具：大豆幼苗若干，燒杯若干，含有營養(yǎng)物質(zhì)的瓊脂培養(yǎng)基，完好的紙盒，光源。

（2）實(shí)驗假設(shè)：

（3）實(shí)驗步驟（要點(diǎn)）：

（4）實(shí)驗可能的結(jié)果預(yù)測及結(jié)論：

（5）自然條件下，植物根的生長受單側(cè)光影響嗎？為什么？

【答案】（2）植物根生長的向地性僅受重力影響（或受單側(cè)光影響或是兩者共同作用的結(jié)果）。

（3）①利用瓊脂培養(yǎng)基、燒杯、紙盒制成如下裝置：

②在適宜溫度等條件下，利用該裝置培養(yǎng)大豆幼苗，一段時間后，注意觀察大豆幼苗根尖生長狀況。

（4）①A裝置中根尖垂直生長，B裝置中根尖向地生長，C裝置中根尖垂直生長，說明植物根生長的向地性僅是重力作用的結(jié)果。

②A裝置中根尖垂直生長，B裝置中根尖水平生長，C裝置中根尖彎曲（背光）生長，說明植物根尖生長的向地性僅是單側(cè)光作用的結(jié)果。

③A裝置中根尖垂直生長，B裝置中根尖向地生長，C裝置中根尖彎曲（背光）生長，說明植物根尖生長的向地性是重力和單側(cè)光共同作用的結(jié)果。

（5）自然條件下，植物根尖生長不受單側(cè)光的影響。因為正常情況下根尖生活在土壤中，不接受光照刺激。

（二）驗證（觀察）性實(shí)驗設(shè)計

1.驗證性實(shí)驗

指實(shí)驗者針對已知的實(shí)驗結(jié)果而進(jìn)行的以驗證實(shí)驗結(jié)果、鞏固和加強(qiáng)有關(guān)知識內(nèi)容、培養(yǎng)實(shí)驗操作能力為目的的重復(fù)性實(shí)驗。

2.實(shí)驗設(shè)計一般步驟

（1）了解實(shí)驗?zāi)康模赫J(rèn)真讀題，弄清該題要驗證的是什么樣的生物學(xué)事實(shí)，即明確實(shí)驗要解決什么問題。一般在題干中有“驗證……”、“證明……”。有些實(shí)驗需要對其去粗取精，提煉要點(diǎn)。

（2）明確實(shí)驗原理：就是完成該實(shí)驗的理論依據(jù)是什么。這就需要分析實(shí)驗中所涉及的生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科中的知識、方法，以及所依據(jù)的科學(xué)原理。另外提供的實(shí)驗儀器的使用方法和原理也應(yīng)考慮在內(nèi)。原理一般是高中生物教材上的有關(guān)理論知識，分析該實(shí)驗考的是哪部分知識，聯(lián)想該部分知識結(jié)構(gòu)，用有關(guān)的生物學(xué)原理先解釋清楚實(shí)驗。

（3）寫出實(shí)驗操作過程。

①選材：選材應(yīng)保持條件相同（如日齡相同、體重相近的雄性成年大白鼠）。②編組標(biāo)號：研究對象、器皿等要編組標(biāo)號，設(shè)立實(shí)驗組和對照組。③實(shí)驗處理：分別對實(shí)驗組和對照組施加單一變量；除實(shí)驗變量外，對實(shí)驗組和對照組的培養(yǎng)、飼養(yǎng)等條件應(yīng)相同，即控制無關(guān)變量。④培養(yǎng)（或飼養(yǎng)）、觀察、記錄：觀察記錄實(shí)驗現(xiàn)象和實(shí)驗數(shù)據(jù)。⑤實(shí)驗結(jié)果分析或預(yù)測實(shí)驗現(xiàn)象：“驗證性”的實(shí)驗，要根據(jù)所學(xué)知識和原理，分析得出應(yīng)有的實(shí)驗結(jié)果和推出相應(yīng)的結(jié)論（此時一般只有一個結(jié)果和相應(yīng)的結(jié)論，且結(jié)論與實(shí)驗?zāi)康南鄬?yīng)）。如“驗證……”、“證明……”都可預(yù)測到與實(shí)驗?zāi)康囊恢碌慕Y(jié)果。⑥實(shí)驗結(jié)論：通過現(xiàn)象、結(jié)果的分析，概括出規(guī)律性的結(jié)論，結(jié)論一般就是實(shí)驗的目的。

【例2】 動物激素對動物的生長發(fā)育起著調(diào)節(jié)作用，請你利用下面提供的實(shí)驗材料和用具，設(shè)計一個實(shí)驗，證明甲狀腺激素能促進(jìn)動物的個體發(fā)育。

實(shí)驗材料和用具：蝌蚪15只（同種、同時孵化而來，體長約15mm）、新鮮水草、3只魚缸（容積3000mL左右）、甲狀腺激素、甲狀腺抑制劑、自來水（已晾曬過3～4天）、藥匙若干、小網(wǎng)、培養(yǎng)皿、坐標(biāo)紙（用來測量蝌蚪的體長）、魚蟲（用以喂食）。（提示：每次投藥為5mg，2天換水一次）。

請寫出實(shí)驗方法和步驟（要求分步寫）。

【答案】 實(shí)驗方法和步驟：

（1）分別取3只潔凈的玻璃魚缸，編號為1、2、3號，分別倒入2000mL晾曬過的自來水。

（2）在1、2、3號魚缸內(nèi)分別放入等量的水草，然后分別放入大小相同、生活力強(qiáng)的小蝌蚪各5只。

（3）向1號魚缸投入甲狀腺激素5mg；向2號魚缸投入甲狀腺抑制劑5mg；3號魚缸不加任何藥品。以后每天投藥一次，連續(xù)七天，藥量同上。

（4）每天向每個魚缸內(nèi)投入等量的活魚蟲進(jìn)行飼喂。兩天換一次水。

（5）每兩天觀察一次，用小網(wǎng)將蝌蚪撈出放在培養(yǎng)皿中，再將培養(yǎng)皿放在坐標(biāo)紙上測量其體長，觀察其形態(tài)變化，前后肢生長情況及尾的變化等。觀察測量后，迅速將每組蝌蚪放回原來飼養(yǎng)的魚缸內(nèi)。

（6）觀察并記錄結(jié)果，進(jìn)行分析比較，得出實(shí)驗結(jié)論。

（三）模擬類和調(diào)查類實(shí)驗規(guī)律

1.模擬類實(shí)驗

2.調(diào)查類實(shí)驗

（1）調(diào)查類實(shí)驗的特點(diǎn)。

研究的對象是客觀存在的事實(shí)、現(xiàn)象，通過對客觀事實(shí)和現(xiàn)象之間聯(lián)系的了解，得出結(jié)論，提出自己的觀點(diǎn)。例如：種群密度的取樣調(diào)查；調(diào)查環(huán)境污染對生物的影響。

（2）調(diào)查類實(shí)驗總結(jié)。

①調(diào)查類實(shí)驗常使用統(tǒng)計學(xué)方法和測量技術(shù)。

②不同生物類群的調(diào)查取樣方法。

第2節(jié) 具備驗證簡單生物學(xué)事實(shí)的能力，并對實(shí)驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行解釋、分析和處理

一、教材經(jīng)典實(shí)驗分析，方法技能遷移

1.細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)或結(jié)構(gòu)的檢測方法

（1）淀粉：碘液；

（2）還原糖：斐林試劑、班氏試劑；

（3）CO2：Ca（OH）2溶液或酸堿指示劑；

（4）乳酸：pH試紙；

（5）有O2：余燼木條復(fù)燃；無O2：火焰熄滅；

（6）脂肪：蘇丹Ⅲ或蘇丹Ⅳ染液；

（7）蛋白質(zhì)：雙縮脲試劑；

（8）染色體：龍膽紫、醋酸洋紅溶液；

（9）DNA：甲基綠；RNA：吡羅紅；

（10）線粒體：健那綠。

2.實(shí)驗結(jié)果的顯示方法

（1）光合速率：O2釋放量、CO2吸收量或淀粉產(chǎn)生量；

（2）呼吸速率：O2吸收量、CO2釋放量或淀粉減少量；

（3）原子轉(zhuǎn)移途徑：放射性同位素示蹤法；

（4）細(xì)胞液濃度大小：質(zhì)壁分離；

（5）細(xì)胞是否死亡：質(zhì)壁分離、亞甲基藍(lán)溶液染色；

（6）甲狀腺激素作用：動物耗氧量、發(fā)育速度等；

（7）生長激素作用：生長速度（體重變化、身高變化）；

（8）胰島素作用：動物活動狀態(tài)。

3.實(shí)驗條件的控制方法

（1）增加水中氧氣：泵入空氣或吹氣或放入綠色植物；

（2）減少水中氧氣：容器密封或油膜覆蓋或用涼開水；

（3）除去容器中CO2：NaOH溶液或KOH溶液；

（4）除去葉片中原有淀粉：置于黑暗環(huán)境一晝夜；

（5）除去葉片中葉綠素：酒精加熱；

（6）除去光合作用對呼吸作用的干擾：給植株遮光；

（7）如何得到單色光：棱鏡色散或彩色薄膜濾光；

（8）血液抗凝：加入檸檬酸鈉；

（9）各種細(xì)胞器的提取：細(xì)胞勻漿離心。

4.實(shí)驗中控制溫度的方法

（1）還原糖鑒定：水浴加熱煮沸；

（2）酶促反應(yīng)：水浴保溫；

（3）用酒精溶解葉片中的葉綠素：酒精要隔水加熱；

（4）DNA的二苯胺試劑鑒定：水浴煮沸加熱；

（5）細(xì)胞和組織培養(yǎng)以及微生物培養(yǎng)：恒溫培養(yǎng)。

二、驗證性實(shí)驗和探究性實(shí)驗

1.二者的比較

（1）驗證性實(shí)驗。

驗證性實(shí)驗是驗證某一個結(jié)論是否正確的實(shí)驗。

①實(shí)驗者在實(shí)驗前已經(jīng)了解并掌握了相關(guān)理論知識，并對實(shí)驗現(xiàn)象有了一定了解或已形成一定認(rèn)識或提出了某種假說，而且這種假說是比較確定的，即按照假設(shè)成立，應(yīng)出現(xiàn)何種結(jié)果，再通過具體實(shí)驗來證明相應(yīng)的生物學(xué)現(xiàn)象或事實(shí)。

②通過驗證性實(shí)驗可以對研究對象進(jìn)行更深入地了解，也能證明某種假設(shè)是否正確，從而加深對所學(xué)生物學(xué)知識的理解和記憶。

③由于實(shí)驗者在實(shí)驗前大多已掌握了實(shí)驗結(jié)果和實(shí)驗結(jié)論，因此實(shí)驗者對實(shí)驗結(jié)果的預(yù)期常常是惟一的。

（2）探究性實(shí)驗。

探究性實(shí)驗是探究研究對象的未知屬性、特性以及與其他因素的關(guān)系的實(shí)驗。

①實(shí)驗者在實(shí)驗前對研究對象不了解或不完全了解，完全由實(shí)驗者去嘗試、探索和研究。它是一種真正意義的科學(xué)研究，探究性實(shí)驗對生物科學(xué)的發(fā)展起了極大的推動作用。②探究性實(shí)驗是根據(jù)一定的實(shí)驗?zāi)康模矛F(xiàn)有的實(shí)驗條件，通過控制實(shí)驗變量的改變干擾研究對象，并觀察實(shí)驗結(jié)果（現(xiàn)象）和推理得出實(shí)驗結(jié)論。

③由于實(shí)驗者在實(shí)驗前提出的假說往往是比較模糊的，也沒有掌握最后的實(shí)驗結(jié)果和實(shí)驗結(jié)論，因此對實(shí)驗結(jié)果的預(yù)期也是不確定的，只能把各種有可能出現(xiàn)的實(shí)驗現(xiàn)象都考慮在內(nèi)，再由各種現(xiàn)象推理得出相應(yīng)的實(shí)驗結(jié)論。

④此類實(shí)驗一般需經(jīng)過探究得出實(shí)驗結(jié)論，往往需討論，即“如果出現(xiàn)結(jié)果a會怎樣，如果出現(xiàn)結(jié)果b或c又會怎樣”。

2.舉例

第3節(jié) 具備對一些生物學(xué)問題進(jìn)行初步探究的能力，包括運(yùn)用觀察、實(shí)驗與調(diào)查、假說演繹、建立模型與系統(tǒng)分析等科學(xué)研究方法

一、實(shí)驗設(shè)計的基本理論

實(shí)驗是科學(xué)研究過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是在人為控制條件下，研究對象的變化，以其結(jié)果論證科學(xué)結(jié)論的一種科學(xué)方法。由于研究問題性質(zhì)的不同，科學(xué)研究的方法也有差異，但通常分為以下幾步：

1.觀察

觀察是科學(xué)研究方法的第一步，這里的觀察，是在處于自然常態(tài)條件下進(jìn)行或通過實(shí)驗觀察。對事物進(jìn)行觀察時必須周詳，并將它們記錄下來。而尤為重要的是要保持客觀的態(tài)度。人們常希望看到人想要看或應(yīng)該看到的現(xiàn)象，因此而影響觀察結(jié)果，產(chǎn)生偏差。

2.提出問題

人們對事物作縝密觀察以后，常常由于好奇心或想作進(jìn)一步的了解而提出問題，雖然任何人都能提出問題，但只有有意義的問題才值得探討，因此，進(jìn)行研究時，不僅要提出問題，而且要提出確切的問題。此外，對問題的敘述，也要清楚而正確，例如“豌豆為什么子一代只出現(xiàn)顯性性狀，子二代卻出現(xiàn)性狀分離？分離比為什么都接近3:1呢？”

3.假說

科學(xué)方法的第三步是假說。假說，也稱假設(shè)或猜測，指用來說明某種現(xiàn)象但未經(jīng)證實(shí)論題，也就是對所提的問題所作出的參考答案。假說一般為兩步驟：第一步，提前假說，即依據(jù)發(fā)現(xiàn)的事實(shí)材料或已知的科學(xué)原理，通過創(chuàng)造性思維，提出初步假定；第二步，作出預(yù)期（推斷），即依據(jù)提出的假說，進(jìn)行推理，得出假定性的結(jié)論；例如，孟德爾一對相對性狀的實(shí)驗，其假說是：控制性狀的基因都是成對存在的；在雜合子形成配子時彼此分離，分別進(jìn)入不同的配子；其預(yù)期結(jié)果是：“F1與隱性親本相交后代高莖與矮莖的比例1:1”。實(shí)驗預(yù)期是較具體的推斷。

一個問題常有多個可能的答案，但通常只有一個是正確的。因此，假設(shè)是對還是錯，還需要加以驗證，即依據(jù)假設(shè)或預(yù)期，設(shè)計實(shí)驗方案，進(jìn)行實(shí)驗驗證。

4.實(shí)驗

實(shí)驗是驗證假說和解決問題的最終途徑，指在人為控制的條件下研究事物的變化的一種方法。這是科學(xué)方法的最大特色，也是科學(xué)方法中最困難的一步。如何求證假設(shè)可充分展現(xiàn)研究者的才華。在科學(xué)實(shí)驗中，要掌握或貫徹以下幾點(diǎn)：

（1）變量。

變量，或稱因子，是指實(shí)驗過程中所被操作的特定因素或條件，按性質(zhì)不同，通常可分為兩類：

①自變量與因變量。

自變量，也稱為實(shí)驗變量，指實(shí)驗中由實(shí)驗者所操縱的因素或條件。因變量，亦稱反應(yīng)變量，指實(shí)驗中由于實(shí)驗變量而引起的變化和結(jié)果。通常，自變量是原因，因變量是結(jié)果，二者具有因果關(guān)系。實(shí)驗的目的在于獲得和解釋這種前因后果。例如，在“溫度對酶活性”的實(shí)驗中，所給定的低溫（冰塊）、適溫（37℃）、高溫（沸水浴）就是實(shí)驗變量。而由于低溫、適溫、高溫條件變化，唾液淀粉酶水解淀粉的反應(yīng)結(jié)果也隨之變化，這就是反應(yīng)變量，該實(shí)驗即在于獲得和解釋溫度變化（自變量）與酶的活性（因變量）的因果關(guān)系。

②無關(guān)變量與額外變量。

無關(guān)變量，也稱控制變量，指實(shí)驗中除實(shí)驗變量以外的影響實(shí)驗現(xiàn)象或結(jié)果的因素或條件。額外變量，也稱干擾變量，指實(shí)驗中由于無關(guān)變量所引起的變化和結(jié)果。顯然，額外變量會對反應(yīng)變量有干擾作用。例如，上述實(shí)驗中除實(shí)驗變量（低溫、適溫、高溫）以外，試管潔凈程度，唾液新鮮程度，可溶性淀粉濃度和純度，試劑溶液的劑量、濃度和純度，實(shí)驗操作程度，溫度處理的時間長短等等，都屬于無關(guān)變量，要求對低溫、適溫、高溫3組實(shí)驗是等同、均衡、穩(wěn)定的；如果無關(guān)變量中的任何一個或幾個因素或條件，對3個實(shí)驗組的給定不等同、不均衡、不穩(wěn)定，則會在實(shí)驗結(jié)果中產(chǎn)生額外變量，出現(xiàn)干擾，造成誤差。實(shí)驗的關(guān)鍵之一在于控制無關(guān)變量或減少額外變量，以減少誤差。

（2）單一變量原則。

單一變量原則是處理實(shí)驗中的復(fù)雜關(guān)系的準(zhǔn)則之一。它有兩層意思：一是確保“單一變量”的實(shí)驗觀測，即不論一個實(shí)驗有幾個實(shí)驗變量，都應(yīng)做到一個實(shí)驗變量對應(yīng)觀測一個反應(yīng)變量；二是確保“單一變量”的操作規(guī)范，即實(shí)驗操作中要盡可能避免無關(guān)變量及額外變量的干擾。例如，上述實(shí)驗遵循單一變量原則，第一，在觀測上要做到：低溫處理觀測記錄低溫下的變化和結(jié)果，高溫處理觀測記錄高溫下的變化和結(jié)果，反應(yīng)變量不能混淆；第二，在操作上要做到：對3個實(shí)驗要在預(yù)先的低溫、適溫、高溫條件下做實(shí)驗處理，常見的錯誤是先在常溫下做處理再放到低溫、適溫、高溫條件中進(jìn)行觀測；這樣就混入了“常溫”這個無關(guān)變量及額外變量。總之，實(shí)驗設(shè)計、實(shí)驗的全過程，都應(yīng)遵循單一變量原則。

（3）控制與平衡控制——保證實(shí)驗不受干擾或?qū)⒏蓴_因素降低到最低程度。

控制，是處理實(shí)驗中變量關(guān)系的又一準(zhǔn)則，指實(shí)驗要嚴(yán)格地操縱實(shí)驗變量，以獲取反應(yīng)變量。與此同時，還要嚴(yán)格地均衡無關(guān)變量，以消除額外變量的干擾。一句話，通過實(shí)驗控制，盡量消除實(shí)驗誤差，以取得較為精確的實(shí)驗結(jié)果。

如果說“單一變量”原則，主要是對實(shí)驗變量與反應(yīng)變量的控制而言，而這里的“平衡控制”，則主要是對無關(guān)變量與額外變量的控制而說的，意思是說，實(shí)驗中的無關(guān)變量的因素條件，很難避免，只能設(shè)法平衡和抵消它們的影響，常用的方法有：

①單組實(shí)驗法 對一組（或一個）對象，既用A法，又用B法，順序隨機(jī)或輪流循環(huán)，這是生物實(shí)驗常用的實(shí)驗方法。例如，“觀察植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離與復(fù)原”實(shí)驗，通常是將做好的洋蔥紫色鱗片葉表皮細(xì)胞裝片，先用蔗糖溶液做質(zhì)壁分離觀察，接著又用清水做質(zhì)壁分離復(fù)原觀察，這就是單組實(shí)驗法。由于對象同一，無關(guān)變量影響也就被平衡和抵消了。

②等組實(shí)驗法 將狀況相等的對象分成兩組或多組，一組用A法，另一組用B法，這也是生物實(shí)驗常用的實(shí)驗方法。例如，“植物激素與向性”設(shè)計了5組實(shí)驗，其對象是玉米幼苗，要求品種、萌發(fā)期、粗細(xì)、大小、長勢等狀況都是相同的，這就是等組實(shí)驗法，無關(guān)變量的影響起到了平衡和消除作用。

③輪組實(shí)驗法 對兩組或兩組以上的對象，循環(huán)進(jìn)行兩個或兩個以上的實(shí)驗處理，如甲組——A法、B法；乙組——B法、A法等，這樣能有效地平衡和抵消無關(guān)變量的影響。自然，操作起來要麻煩一些。例如，“植物向光性”實(shí)驗，可隨機(jī)取2株（組）生長狀況并不相等的玉米幼苗，作如下實(shí)驗處理：

甲組：玉米幼苗——A選用“不透光”處理，B選用“單側(cè)光”處理。

乙組：玉米幼苗——C選用“單側(cè)光”處理，D選用“不透光”處理。

實(shí)驗結(jié)果，則是A+D（“不透光”）與B+C（“單側(cè)光”）的比較，這就是輪組實(shí)驗法。這種實(shí)驗處理的匹配，對平衡、消除無關(guān)變量和額外變量更有說服力。

（4）對照。

對照是實(shí)驗控制的手段之一，目的還是在于消除無關(guān)變量對實(shí)驗結(jié)果的影響。實(shí)驗對照原則是設(shè)計和實(shí)施實(shí)驗的準(zhǔn)則之一。通過設(shè)置實(shí)驗對照對比，既可排除無關(guān)變量的影響，又可增加實(shí)驗結(jié)果的可信度和說服力。

通常，一個實(shí)驗總分為實(shí)驗組和對照組。實(shí)驗組，是接受實(shí)驗變量處理的對象組；對照組，也稱控制組，對實(shí)驗假設(shè)而言，是不接受實(shí)驗變量處理的對象組，至于哪個作為實(shí)驗組，哪個作為對照組，一般是隨機(jī)決定的，這樣，從理論上說，由于實(shí)驗組與對照組的無關(guān)變量的影響是相等的，被平衡了的，故實(shí)驗組與對照組兩者之差異，則可認(rèn)定為是來自實(shí)驗變量的效果，這樣的實(shí)驗結(jié)果是可信的。按對照的內(nèi)容和形式上的不同，通常有以下對照類型：

①空白對照 指不做任何實(shí)驗處理的對象組。例如，在“生物組織中可溶性還原糖的鑒定”的實(shí)驗中，向甲試管溶液加入試劑，而乙試管溶液不加試劑，一起進(jìn)行沸水浴，比較它們的變化。這樣，甲為實(shí)驗組，乙為對照組，且乙為典型的空白對照。空白對照能明白地對比和襯托出實(shí)驗組的變化和結(jié)果，增強(qiáng)了說服力。

②自身對照 指實(shí)驗與對照在同一對象上進(jìn)行，即不另設(shè)對照組。單組法和輪組法，一般都包含有自身對照。如“植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原”實(shí)驗，就是典型的自身對照。自身對照，方法簡便，關(guān)鍵是要看清楚實(shí)驗處理前后現(xiàn)象變化的差異，實(shí)驗處理前的對象狀況為對照組，實(shí)驗處理后的對象變化則為實(shí)驗組。

③條件對照 指雖給對象施以某種實(shí)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(shí)驗假設(shè)所給定的實(shí)驗變量意義的。例如，“動物激素飼喂小動物”的實(shí)習(xí)實(shí)驗，采用等組實(shí)驗法，其實(shí)驗設(shè)計方案是：

甲組：飼喂甲狀腺激素（實(shí)驗組）；

乙組：飼喂甲狀腺抑制劑（條件對照組）；

丙組：不飼喂藥劑（空白對照組）。

顯然，乙組為條件對照。該實(shí)驗既設(shè)置了條件對照，又設(shè)置了空白對照，通過比較、對照，更能充分說明實(shí)驗變量——甲狀腺激素能促進(jìn)動物的生長發(fā)育。

④相互對照 指不另設(shè)對照組，而是幾個實(shí)驗組相互對比對照，在等組實(shí)驗法中，大都是運(yùn)用相互對照，如“植物的向光性”的等組實(shí)驗中，5個實(shí)驗組所采用的都是相互對照，較好地平衡和抵消了無關(guān)變量的影響，使實(shí)驗結(jié)果更具有說服力。

特別提醒：通常把改變生物生長所需正常條件的組作為實(shí)驗組。如，對葉片遮光處理的實(shí)驗組、不遮光為對照組。

5.結(jié)論

觀察、實(shí)驗的價值即在于獲得驗證性的結(jié)果。因此，在實(shí)驗中要記錄實(shí)驗的事實(shí)、現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，即捕捉、記錄由實(shí)驗變量而帶來的反應(yīng)變量。然后，論證、說明實(shí)驗中的自變量與因變量的因果關(guān)系，從而得到實(shí)驗的結(jié)果。①如果所獲得的結(jié)果與假設(shè)相符，則肯定假設(shè)；②如果結(jié)果與假設(shè)不相符，則否定假設(shè)；③如果結(jié)果與假設(shè)無關(guān)，則無從判斷。最后得出結(jié)論。

科學(xué)實(shí)驗必須遵循真實(shí)、客觀的基本準(zhǔn)則，即實(shí)驗中的觀察一定要實(shí)事求是，一切從實(shí)驗出發(fā)，使獲取的材料（事實(shí)、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)）盡可能地反映客觀事物的本來面目，不能憑空胡謅，不能片面武斷。

以上科學(xué)方法是進(jìn)行實(shí)驗設(shè)計，制訂實(shí)驗方案的理論依據(jù)。

6.生物學(xué)探究實(shí)驗的一般方法

二、實(shí)驗設(shè)計的思路

1.實(shí)驗設(shè)計的原理

（1）科學(xué)性原則。

所謂科學(xué)性，是指實(shí)驗?zāi)康囊鞔_，實(shí)驗原理要正確，實(shí)驗材料和實(shí)驗手段的選擇要恰當(dāng)，整個設(shè)計思路和實(shí)驗方法的確定都不能偏離生物學(xué)基本知識和基本原理以及其他學(xué)科領(lǐng)域的基本原則。如：淀粉酶水解淀粉的順序問題。

（2）可行性原則。

可行性原則是指在設(shè)計生物學(xué)實(shí)驗時，從實(shí)驗原理、實(shí)驗的實(shí)施到實(shí)驗結(jié)果的產(chǎn)生都具有可行性。

（3）簡便性原則。

設(shè)計實(shí)驗時，要考慮到實(shí)驗材料容易獲得，實(shí)驗裝置比較簡單，實(shí)驗藥品比較便宜，實(shí)驗操作過程比較簡便，實(shí)驗步驟比較少，實(shí)驗時間比較短。

（4）可重復(fù)性原則。

重復(fù)、隨機(jī)和對照是保證實(shí)驗結(jié)果正確性的三大原則，多年來為研究者所公認(rèn)。因此，在實(shí)驗設(shè)計中也必須注意實(shí)驗的可重復(fù)性。任何實(shí)驗都必須要有足夠的實(shí)驗次數(shù)，才能判斷結(jié)果的可靠性，設(shè)計的實(shí)驗不能只能進(jìn)行一次，在無法重復(fù)的情況下，作為正式結(jié)論，這樣的結(jié)論易被推翻。

（5）對照原則。

（6）等量原則。

選取實(shí)驗材料或試劑時不同組別應(yīng)保持相同（或基本相同）或相等，確保實(shí)驗不會由于實(shí)驗材料的原因而產(chǎn)生誤差干擾實(shí)驗結(jié)果。

2.實(shí)驗設(shè)計的內(nèi)容

一個比較完整的實(shí)驗設(shè)計方案，一般包括以下幾方面的內(nèi)容：①實(shí)驗題目的確定；②提出假說；③設(shè)計實(shí)驗方法和步驟；④提出實(shí)驗的預(yù)期結(jié)果；⑤要觀察和搜集的數(shù)據(jù)及方法。書寫實(shí)驗設(shè)計方案通常包括：實(shí)驗課題、實(shí)驗假說、實(shí)驗預(yù)期、實(shí)驗?zāi)康囊蟆?shí)驗方法類型、實(shí)驗對照類型、實(shí)驗材料用具、實(shí)驗方法步驟和實(shí)驗結(jié)論與討論等項目，而在中學(xué)生物課本的實(shí)驗指導(dǎo)中，實(shí)驗假說和實(shí)驗預(yù)期大都隱含在“實(shí)驗原理”中。實(shí)驗方法類別、實(shí)驗對照類型則一般隱含在方法步驟里。

3.實(shí)驗設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（1）實(shí)驗設(shè)計中的假說。

在實(shí)驗設(shè)計中，每一個實(shí)驗?zāi)康牡拇_定，都是一個實(shí)驗假說的形成過程。我們做出實(shí)驗假說時，必須在注意假說的預(yù)見性的同時，強(qiáng)調(diào)客觀性和多樣性。

（2）實(shí)驗材料和實(shí)驗手段的選擇。

選擇恰當(dāng)?shù)牟牧虾褪侄危撬O(shè)計的實(shí)驗?zāi)芊襁_(dá)到預(yù)期結(jié)果的重要保證。

（3）反應(yīng)變量的確定和控制。

依據(jù)實(shí)驗條件和環(huán)境因素充分控制無關(guān)變量，使實(shí)驗具有科學(xué)性，結(jié)果不受干擾。

4.實(shí)驗設(shè)計的基本步驟

【名師點(diǎn)睛】 各種不同類型實(shí)驗應(yīng)注意的問題

①有關(guān)酶的實(shí)驗設(shè)計，應(yīng)注意各步驟的順序，必須先調(diào)節(jié)相關(guān)條件（溫度、pH等）才能使反應(yīng)物與酶相遇，還應(yīng)注意空白對照中加入“等量蒸餾水”。

②生長素設(shè)計中，應(yīng)注意對胚芽鞘的生長狀況描述：“向哪方彎曲生長”“向上生長”“不彎曲不生長”，無子番茄培育時注意“去雄”“套袋”“一定濃度生長素類似物”。

③動物激素調(diào)節(jié)實(shí)驗中，甲狀腺激素生理功能的研究常用飼喂法、切除法、注射法，常用蝌蚪、小白鼠、小狗做實(shí)驗材料，在設(shè)計過程中常做甲狀腺激素含量增多、減少和不變?nèi)N處理；而胰島素、胰高血糖素的研究常用注射法，少見切除法，常用小白鼠做實(shí)驗材料，在設(shè)計過程中常做該激素含量增多和不變兩種處理。

④無土栽培時應(yīng)注意，“培養(yǎng)液中通空氣”“適時適量補(bǔ)充稀釋培養(yǎng)液”。

⑤遺傳學(xué)實(shí)驗。

a.植物雜交實(shí)驗：如果為兩性花（花中既有雄蕊又有雌蕊）的植物雜交，應(yīng)注意“去雄”“人工授粉”“授粉后套袋”；如果為單性花（即有雄無雌或有雌無雄），則無須“去雄”，但要“套袋”。

b.動物雜交實(shí)驗：千萬不能有“自交”，應(yīng)為“與相同基因型的異性交配”。

第4節(jié) 能對一些簡單的實(shí)驗方案做出恰當(dāng)?shù)脑u價和修訂

四步看：一看對照、二看變量、三看操作、四看結(jié)果。

1.一看對照

需要什么對照、幾個對照組。

2.二看變量

在實(shí)驗中除要設(shè)計的單一變量外，其他條件都必須一致。

特別注意實(shí)驗過程中是否會因添加試劑或進(jìn)行某個操作而引起控制條件的不一致。

（1）實(shí)驗對象的一致性；

（2）實(shí)驗所加試劑的量要相等；

（3）實(shí)驗控制時間的一致性；

（4）實(shí)驗條件的一致性。

3.三看操作

主要看實(shí)驗原理是否合理正確、實(shí)驗取材是否正確、方法步驟是否科學(xué)。

（1）實(shí)驗取材分析與評價：實(shí)驗材料的選擇要得當(dāng)、經(jīng)濟(jì)、易得、好用、效果好。

（2）藥品與試劑分析、評價及改進(jìn)：藥品與試劑的量、濃度、純度等都是影響實(shí)驗結(jié)果的重要因素，在進(jìn)行實(shí)驗分析時要逐一檢查，不能忽視。例如：斐林試劑與雙縮脲試劑。

（3）步驟及操作的分析、評價及改進(jìn)：

①是否漏做某個實(shí)驗步驟；

②操作步驟是否顛倒；

③操作方法是否正確。

4.四看結(jié)果

主要看實(shí)驗結(jié)果的驗證方法與預(yù)測是否合理：

（1）實(shí)驗結(jié)果的驗證方法是否正確；

（2）驗證目標(biāo)是否準(zhǔn)確；

（3）探究性實(shí)驗的實(shí)驗結(jié)果與結(jié)論是否為多個。

【名師點(diǎn)睛】 設(shè)計型實(shí)驗試題的解題突破和方法

①解題思路：

②實(shí)驗設(shè)計時的一般步驟：

a.取材、分組、編號。

取材時要注意數(shù)量和生理及發(fā)育狀態(tài)相同；用具要相同等。

b.相同處理和不同處理。

根據(jù)實(shí)驗變量設(shè)置對照（注意：單一因素不同，其他因素相同且最適）。

c.進(jìn)一步的相同處理。

其他因素相同且最適的繼續(xù)處理。

d.檢測、觀察、統(tǒng)計、比較。

必須找出具體的觀察和記錄對象，觀察、記錄、統(tǒng)計、比較實(shí)驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。

③實(shí)驗的過程、結(jié)論等要進(jìn)行科學(xué)性描述：

a.無關(guān)變量常用：同種、相同或相似、隨機(jī)平均分組等詞描述、遵守相同性原則。

b.實(shí)驗變量常用：適宜（濃度、量）等量的一段相同的時間等、遵守單一變量原則。

c.因變量常用：相同且適宜的條件、一段相同且適宜的時間等、遵守簡便性原則。

典例精講

【例1】 甲、乙、丙三位同學(xué)，圍繞酶的特性，設(shè)計了如下實(shí)驗，請運(yùn)用你所學(xué)的知識，指出三位同學(xué)實(shí)驗設(shè)計中存在的問題并提出修正方案。

（示例：某同學(xué)做唾液淀粉酶水解淀粉的實(shí)驗：取一支試管，先加入2mL淀粉糊，然后再加入1mL唾液，放在水溫37℃的燒杯內(nèi)，一段時間后，向試管內(nèi)滴加2滴碘液，結(jié)果不變藍(lán)，說明唾液淀粉酶能夠水解淀粉。缺乏對照，應(yīng)再取1支試管，加入1mL蒸餾水代替唾液，其余條件都相同，起對照作用）

（1）甲同學(xué)探究酶的高效性：取一支試管，加入2mLH2O2，再加2滴新鮮土豆研磨液，觀察到產(chǎn)生大量氣泡，用帶火星的衛(wèi)生香檢測，衛(wèi)生香猛烈燃燒，說明酶的催化作用具有高效性。

（2）乙同學(xué)探究不同的酶其所需的pH條件不同：①取12支試管并編號1～12，各加入2mL蛋清液，調(diào)節(jié)各試管的pH，分別等于1～12；②同時向12支試管內(nèi)加入胃蛋白酶和胰蛋白酶；③放在37℃左右的大燒杯內(nèi)一段時間；④用雙縮脲試劑檢驗試管中蛋白質(zhì)的存在情況。

（3）丙同學(xué)探究溫度影響酶的活性：①取6支試管編號，A、A1、B、B1、C、C1。在6支試管中都加入等量的淀粉溶液和等量的淀粉酶溶液。②A、A1試管放入60℃水中，B、B1試管放入100℃水中，C、C1試管放入冰水中，維持5分鐘。③取出后各加入等量的碘液，觀察。

【解析】 實(shí)驗設(shè)計評價題通常是給一個或幾個實(shí)驗方案，這些方案不完整需要補(bǔ)充，或有幾項明顯的錯誤需指出并改正，或判斷實(shí)驗設(shè)計是否合適，這就需要應(yīng)用評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價，看其是否“科學(xué)合理、設(shè)計簡潔、效果明顯”等。運(yùn)用已具備的生物知識或生物技能，確定實(shí)驗原理，選擇實(shí)驗器材，擬定實(shí)驗步驟，記錄并處理實(shí)驗數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗現(xiàn)象，構(gòu)思出解決問題的方案。（1）中明顯缺少對照實(shí)驗；（2）中則出現(xiàn)了兩個變量；（3）中實(shí)驗步驟敘述不清。

【答案】（1）缺乏對照。應(yīng)再取一支試管，滴加2滴FeCl3溶液，其余條件都相同，觀察到產(chǎn)生的氣泡較少。

（2）存在兩個變量。應(yīng)在12支試管中，只加胃蛋白酶（胰蛋白酶），再取12支試管，只加胰蛋白酶（胃蛋白酶）。

（3）實(shí)驗步驟混亂。應(yīng)①取6支試管編號，A、A1、B、B1、C、C1。在A、B、C試管中都加入等量的淀粉溶液，在A1、B1、C1試管中都加入等量的淀粉酶溶液。②A、A1試管放入60℃水中，B、B1試管放入100℃水中，C、C1試管放入冰水中，維持5分鐘。③分別將淀粉酶溶液注入相同溫度下的淀粉溶液中，搖勻后，維持各自溫度5分鐘。

【規(guī)律探究】 對實(shí)驗方案進(jìn)行評價時，一般采用以下“五看”法：

【例2】（浙江理綜）給正常成年實(shí)驗兔注射甲藥物后，使其患了高血壓病，注射乙藥物可使高血壓癥狀緩解。為了驗證甲、乙兩種藥物的上述作用，請您根據(jù)以下提供的實(shí)驗材料與用具，設(shè)計實(shí)驗步驟，并在下面的坐標(biāo)中畫出實(shí)驗過程中該組兔的血壓變化示意曲線，標(biāo)注注射藥物的時間點(diǎn)。

材料與用具：一組正常成年實(shí)驗兔、血壓測定儀、適宜濃度的甲藥物、適宜濃度的乙藥物、注射器等。

（要求：答題時對該組實(shí)驗兔不再分組；對動物的手術(shù)過程與藥物的具體注射劑量不作要求）

實(shí)驗步驟：

①

…

在下圖所示的坐標(biāo)中畫出實(shí)驗過程中該組兔的血壓變化示意曲線，并標(biāo)注注射藥物的時間點(diǎn)。

【解析】 該實(shí)驗是通過實(shí)驗動物自身不同處理條件下的對照而得出結(jié)論的，采用這種對照方式時要注意對未處理、不同處理條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測定、對比，多次測定可降低誤差。對于一組正常成年實(shí)驗兔，血壓是正常的，因甲藥物可使血壓升高，注射甲藥物后血壓應(yīng)升高，乙藥物可使血壓降低，注射乙藥物后血壓應(yīng)降低。畫血壓變化示意曲線時，應(yīng)反映出變化趨勢。

【答案】 ①用血壓測定儀對該組每只實(shí)驗兔每隔一定時間測定血壓，計算血壓的平均值作為對照。②給該組每只實(shí)驗兔注射等量的甲藥物，用血壓測定儀對每只實(shí)驗兔每隔一定時間測定血壓，計算血壓的平均值。③當(dāng)該組實(shí)驗兔患高血壓病后，給每只實(shí)驗兔注射等量的乙藥物，用血壓測定儀對每只實(shí)驗兔每隔一定時間測定血壓，計算血壓的平均值。