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實驗設(shè)計是生物實驗中的一種常見題型，它能較全面的考查學生的實驗知識和基本技能，分析問題和解決問題的能力以及創(chuàng)造能力，因而在高考中相對穩(wěn)定。由于學生缺乏實驗設(shè)計系統(tǒng)的理論知識，因此，遇到這類題型，就會感到無從下手，導(dǎo)致考試中嚴重失分。現(xiàn)將有關(guān)實驗設(shè)計的基本理論、實驗設(shè)計的思路方法和常見的題型等進行歸納總結(jié)，增加學生理論知識，提高學生分析問題和解決問題的能力。

一、實驗設(shè)計的基本內(nèi)容

（一）實驗名稱或課題（是關(guān)于什么內(nèi)容的實驗）；

（二）實驗?zāi)康模ㄒ骄炕蛘唑炞C的問題或事實）；

（三）實驗原理（進行實驗所依據(jù)的科學道理，隱含著實驗假設(shè)和預(yù)期）；

（四）實驗材料和條件（進行實驗的主要對象，完成該實驗必備的儀器、設(shè)備、藥品等）；

（五）實驗方法與步驟（實驗采用的方法及必需的操作程序）；

（六）實驗測量或觀擦與記錄（對實驗過程及結(jié)果應(yīng)有科學的測量手段、觀擦指標與準確的記錄）；

（七）實驗結(jié)果預(yù)測及分析（能夠預(yù)測可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果并分析其原因）；

（八）實驗結(jié)論：對實驗結(jié)果進行準確的描述并給出科學的結(jié)論。

二、實驗設(shè)計的基本原則

（一）科學性原則。所謂科學性，是指實驗?zāi)康囊鞔_，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要依據(jù)生物學基本知識和基本原理，不能主觀臆造。如：酸堿度對酶活性的影響，酶的高效性實驗的順序等。

（二）單一變量原則

1、變量：或稱因子，是指實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）實驗變量與反應(yīng)變量。實驗變量，也稱為自變量，指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。反應(yīng)變量，亦稱因變量，指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結(jié)果。通常，實驗變量是原因，反應(yīng)變量是結(jié)果，二者具有因果關(guān)系。實驗的目的在于獲得和解釋這種前因后果。例如，在“溫度對酶活性的影響”的實驗中，所給定的低溫（冰塊）、適溫（37℃）、高溫（沸水浴）就是實驗變量。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，該實驗即在于獲得和解釋溫度變化（實驗變量）與酶的活性（反應(yīng)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，指實驗中除實驗變量以外的影響實驗現(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，上述實驗中除實驗變量（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，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個實驗組的給定不等同、不均衡、不穩(wěn)定，則會在實驗結(jié)果中產(chǎn)生額外變量，出現(xiàn)干擾，造成誤差。實驗的關(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。

（二）單一變量。在實驗設(shè)計中僅僅改變實驗中的某一項變量，其它因子不變，在此條件下，觀察、研究該變量對實驗材料和實驗結(jié)果的影響。除了整個實驗過程中欲處理的實驗因素外，其他實驗條件要做到前后一致。綜合研究多變量時，也要求先研究一個變量，再研究一另個變量。

（三）對照性原則。對照是實驗控制的重要手段之一，目的還是在于平衡或消除無關(guān)變量對實驗結(jié)果的干擾。通過設(shè)置實驗進行對照，可排除無關(guān)變量的影響，也可增加實驗結(jié)果的可信度和說服力。

通常，一個實驗可為實驗組和對照組。實驗組：是接受實驗變量處理的對象組；對照組：也稱控制組，對實驗假設(shè)而言，是不接受實驗變量處理的對象組，至于哪個作為實驗組，哪個作為對照組，一般是隨機決定的，這樣，從理論上說，由于實驗組與對照組的無關(guān)變量的影響是相等的，被平衡了的，故實驗組與對照組的差異，則可認定為是來自實驗變量的效果，這樣的實驗結(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，一起進行沸水浴，比較它們的變化。這樣，甲為實驗組，乙為對照組，且乙為典型的空白對照?？瞻讓φ漳苊靼椎貙Ρ群鸵r托出實驗組的變化和結(jié)果，增強了說服力。

2、自身對照：指實驗與對照在同一對象上進行，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“植物細胞質(zhì)壁分離和復(fù)原”實驗，就是典型的自身對照。自身對照，方法簡便，關(guān)鍵是要看清楚實驗處理前后現(xiàn)象變化的差異，實驗處理前的對象狀況為對照組，實驗處理后的對象變化則為實驗組。

3、條件對照：指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。例如?！皠游锛に仫曃剐游铩钡膶嵙晫嶒灒捎玫冉M實驗法，其實驗設(shè)計方案是：

甲組：飼喂甲狀腺激素（實驗組）；

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）；

雖然，乙組為條件對照。該實驗即設(shè)置了條件對照，又設(shè)置了空白對照，通過比較、對照、更能充分說明實驗變量--甲狀腺激素能促進小動物的生長發(fā)育。

4、相互對照：指不另設(shè)對照組，而是幾個實驗組相互進行對照，在等組實驗法中，大都是運用相互對照，如“植物的向性運動”的等組實驗中，5個實驗組采用的都是相互對照，較好的平衡和抵消了無關(guān)變量的影響，使實驗結(jié)果更具有說服力。

（四）可重復(fù)性原則。指控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復(fù)實驗，觀察其對實驗結(jié)果影響的程度。目的在于盡可能消除無關(guān)變量所造成的實驗誤差，體現(xiàn)實驗的準確性與科學性。

（五）簡單可行性原則。指實驗材料容易獲得，實驗裝置簡化，實驗藥品便宜，實驗操作簡便，實驗效果明顯并能在較短時間內(nèi)完成。從實驗?zāi)康摹嶒炘淼讲牧嫌闷返倪x擇、實驗操作等，都要符合實驗者的一般認知水平，滿足現(xiàn)有的條件，具有實驗和完成實驗的可能性。

三、實驗設(shè)計的基本思路

（一）準確把握實驗?zāi)康模嚎辞孱}意是要求設(shè)計實驗方案、步驟還是分析實驗結(jié)果，是探究性實驗還是驗證性實驗。

（二）明確實驗原理：要解決題目所給的問題，要用到生物學上什么原理。

（三）確定實驗思路：根據(jù)原理對實驗作出假設(shè)，并充分利用實驗材料設(shè)計實驗思路。

（四）精心設(shè)計實驗步驟：根據(jù)實驗?zāi)康?、原理和思路，設(shè)計合理的實驗裝置和實驗操作步驟。并設(shè)置好實驗組和對照組，遵循實驗設(shè)計的原則。并將觀察到的現(xiàn)象如實進行記錄。

（五）準確預(yù)期實驗結(jié)果并分析得出結(jié)論：實驗步驟一般不連續(xù)描述，要分段敘述；試管、燒杯等要給予編號。在敘述實驗步驟及預(yù)期結(jié)果時結(jié)論時，語言文字要簡明扼要，準確科學。

四、實驗設(shè)計的基本題型

類型一：設(shè)計實驗方案型。

給出實驗用具、材料、藥品、實驗?zāi)康?，或只給實驗?zāi)康?，實驗器材自選，設(shè)計實驗方案。

［例1］請根據(jù)下述條件設(shè)計一個實驗，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實驗步驟并分析結(jié)果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml燒杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，細線一根，支架l個。

(一)實驗步驟：

(二)結(jié)果分解：

［解析］本實驗是考查滲透作用的原理和動手設(shè)計實驗的能力，解題的關(guān)鍵是如何利用透析袋和兩種液體形成一個滲透系統(tǒng)。當將兩種液體之一放入透析袋，另一液體放大燒杯中，然后將盛放液體的透析袋用線扎實(插入刻度玻璃管)并浸浴在燒杯的液體中時，由于兩液體具有濃度差，水分子便通過透析袋發(fā)生滲透作用，觀察刻度玻璃液面數(shù)值變化即可將二者區(qū)別開來。根據(jù)實驗設(shè)計理論，把所給器材的作用分析清楚，有助實驗設(shè)計思路的形成。

［答案］(1)實驗步驟：①將一瓶中的液體倒入燒杯中；②將另一瓶中的液體倒?jié)M透析袋，刻度玻璃管插入袋內(nèi)液體中，用線將袋口和玻璃管扎緊；③將插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液體的燒杯中，垂直固定于支架上，記錄玻璃管液面刻度；④一段時間后，觀察玻璃管液面刻度，確定液面上升還是下降。

(三)結(jié)果分析：如液面上升，則透析袋中的溶液為30%蔗糖溶液，燒杯中的溶液為10%的蔗糖溶液。反之，可推測透析袋中是10%蔗糖溶液，燒杯中的液體是30%的蔗糖溶液。

類型二：評價和糾正型

分析已有實驗設(shè)計方案中不科學性，并提出改進。

［例2］北阿爾伯達的一個工廠把產(chǎn)酸的化學品排入到空氣中，工廠東面有一個湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已從原來的6兒降低到5.7。雖然酸性沉積一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不變。湖中原有的魚是河鱸和鯉魚。釣魚愛好者抱怨說，自從工廠開辦以來，魚資源已經(jīng)減少。工廠的工人設(shè)計了一個實驗，證明工廠排放出去的化學藥品與魚資源的減少沒有關(guān)系。

工人取一只大容器，盛放湖水，維持pH值在5.7。從湖里找來大魚放在該容器內(nèi)，喂以蛋白質(zhì)飼料。在這樣的條件下，魚正常成長。

假定你是一個獨立的仲裁員，受雇于垂釣愛好委員會委拖，來對該項實驗進行評估，列出你要得到的附加信息，并列舉說明你要用什么方法去得到這些信息。

［解析］本實驗設(shè)計方案中沒有考慮魚的生活中受著多種因素影響，這與單一變量原則是相違背的。分析問題不全面，只考慮單一因素的影響，設(shè)計實驗無說服力，也不符合實驗設(shè)計的要求。本題考查思維的全面性，在認定兩個問題時，除了看有無直接聯(lián)系外，也要注意考慮間接聯(lián)系。

［答案］該實驗設(shè)計測量不出下列因素。而這些因素都是對河鱸和鯉魚的影響的：

（l）酸對河鱸和鯉魚的食物數(shù)量多少的影響；

（2）酸對河鱸和鯉魚的魚卵或幼魚的影響；

（3）由于春季干涸造成pH值季節(jié)性漲落的影響；

（4）由于酸的分解作用而進入水域的重金屬量是多少；

為了說明上述第一點，必須完成一項研究，即確定各種浮游生物，水生昆蟲和小魚的多少。如果這個食物網(wǎng)的某些環(huán)節(jié)正在喪失，則有必要去研究酸是否對此有影響。為了說明上述第二點，可以在酸化水中飼養(yǎng)魚卵和幼魚。魚的數(shù)量減少可能是上述第一點和第二點結(jié)合的產(chǎn)物，所以人工飼養(yǎng)幼魚可能會給出不可靠的結(jié)果。

對于季節(jié)性漲落，應(yīng)該對全湖長期取水樣。做仔細徹底的記錄至少一年。這一因素可能和第二點相符合，因為魚卵或繁殖更受低pH值的影響。重金屬是累積的有毒物質(zhì)，人工飼養(yǎng)和魚與湖里吃污染食物的魚相比，并不處在相同水平的毒素中。應(yīng)該在湖水中、魚飼料中以及河鱸和鯉魚身體中檢測如鉛這樣的重金屬含量。

所有這些因素都說明，酸的影響是長期的，在容器里短期飼養(yǎng)的魚不可能給出可靠的結(jié)果。這種研究必須以年為周期來實施，而且要與該工區(qū)其他湖水情況作比較。

類型三：補充完善型

對已有的實驗設(shè)計進行補充和完善。

［例3］向你提供的條件僅有健康活潑的家兔一只，75%酒精、無菌干棉球、解剖刀、潔凈的載玻片10塊(編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、紅墨水、秒表，請在上述提供的條件范圍內(nèi)，設(shè)計一個測定血液凝固時間的實驗。

實驗步驟：①用酒精棉球消毒兔耳；②用消毒解刮刀剖開兔耳邊緣的小靜脈；

請將實驗步驟補充完整：

［解析］這類題目的題干中已經(jīng)提供了一定的信息，基本上劃定了答題的模式，目的明確，前面的方法步驟等信息已為續(xù)答作了鋪墊，只要明確題目中的實驗變量和反應(yīng)變量，然后設(shè)計對照組，再根據(jù)有關(guān)原理分析，一般就能比較正確地寫出答案。本實驗設(shè)計方案很巧妙地看出血液是否凝固。

［答案］③把從刀口流出的血液分別在ABCDEFGJIL10塊載玻片上滴一滴(第一滴血棄去不用)；④取血后對兔耳刀口外進行消毒止血；⑤在L載玻片上滴一滴紅墨水(起對照作用)；⑥開始記錄時間，過l分鐘后將A載玻片豎立，第二分鐘后將B載玻片豎立(在它們豎立的同時，都將L載玻片豎立)，其余類推，看血液是否完全凝固(血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改變?yōu)槟?；⑦血液完全凝固，而墨水仍然流動，即為血液凝固時間。

五、生物實驗設(shè)計題解題策略

（一）生物高考實驗設(shè)計的三種題型雖然在形式上有一定的差異，但在答題中卻有共同點，先要認真研究課題，找出其中的實驗變量和反應(yīng)變量，其次是構(gòu)思實驗變量的控制方法和實驗結(jié)果的顯示方法，最后再選擇適宜的實驗材料，在注意實驗步驟邏輯性的前提下表達實驗的方法步驟。在實驗方法和步驟設(shè)計中最重要的是把握好變量控制。

（二）重視課本實驗的復(fù)習，掌握書本知識是提高實驗設(shè)計能力的基礎(chǔ)。要熟悉教材，心中有書。題在書外，理在書內(nèi)。因此要深入理解與靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識。在考試說明中明確提出了，要求“理解所學實驗的實驗內(nèi)容，包括實驗原理、方法和操作步驟、實驗變量的控制、掌握相關(guān)的操作技術(shù)”。

（三）挖掘課本中所蘊含的實驗因素，深刻領(lǐng)會教材有關(guān)實驗的本質(zhì)與特點是提高實驗設(shè)計能力的前提。要認真分析教材所涉及的實驗，包括學生實驗，演示實驗，經(jīng)典實驗等。生物學的每一個知識結(jié)論都是在觀察、實驗的基礎(chǔ)上得出的，在平時的復(fù)習中要注意多挖掘知識結(jié)論中所蘊含的科學思想和方法，深入分析實驗的條件、過程、現(xiàn)象、結(jié)果和結(jié)論的科學性。例：生長素的發(fā)現(xiàn)過程中，涉及生長素產(chǎn)生的部位、感光的部位、作用的部位、運輸?shù)姆较虻龋@些都可以思考如何設(shè)計實驗來證明。

（四）學會對已知實驗進行變換和轉(zhuǎn)化是提高實驗設(shè)計能力的有效手段。求變、求異思維的發(fā)展有助于提高實驗設(shè)計能力。善思會變才能應(yīng)答自如，通過換位思考提高素質(zhì)，才能將所學知識，技能遷移到新情景中來，才能依據(jù)實驗?zāi)康?、原理和材料安排實驗步驟等，并作出分析、評價和結(jié)論