如何科學地進行生物實驗設(shè)計

1、如何科學地進行生物實驗設(shè)計實驗能力是"教學大綱"要求學生掌握的一項基本能力。就是能使用恰當?shù)姆椒炞C簡單的生物學事實，并對結(jié)果進行解釋和分析。此能力要求包括兩方面的內(nèi)容：一是能夠設(shè)計簡單的實驗，驗證簡單的生物學事實；二是能對實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果作出正確的解釋和分析。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，才能真正對實驗的知識、內(nèi)容進行舉一反三。1 實驗設(shè)計的基本內(nèi)容1.1 實驗名稱是關(guān)于一個什么內(nèi)容的實驗。1.2 實驗目的要探究或者驗證的某一事實。1.3 實驗原理進行

2、實驗依據(jù)的科學道理。1.4 實驗對象進行實驗的主要對象。1.5 實驗條件根據(jù)實驗原理確定儀器和設(shè)備；要細心思考實驗的全過程。1.6 實驗方法與步驟實驗采用的方法及必需（最佳）操作程序。每一步驟都必須是科學的；能急時對儀器、步驟進行有效矯正。1.7 實驗測量與記錄對實驗過程及結(jié)果應有科學的測量手段與準確客觀的記錄。1.8 實驗結(jié)果預測及分析能夠預測可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果并分析導致的原因。1.9 實驗結(jié)論對實驗結(jié)果進行準確的描述并給出一個科學的結(jié)論。2 理科實驗設(shè)計的三個原則2.1 對照性原則-科學、合理的設(shè)置對照可以使實驗方案簡潔、明了，且使實驗結(jié)論更有說服力，包括3類：空白對照/相互對照/自身對照

3、。具備可重復性。2.2 等量性原則-每次實驗所加試劑的量要相等。2.3 單一變量的原則。3 理科實驗設(shè)計的4性3.1 科學性：這是實驗方案設(shè)計的首要原則（原理、操作、程序、方法正確）。3.2 安全性：盡量避免危險性操作（如果必須使用，要注明，防止環(huán)境污染和人身傷害）3.3 可行性：實驗設(shè)計應切實可行，所選取藥品、儀器、設(shè)備在中學現(xiàn)有實驗室內(nèi)能夠完成。3.4 簡約性：實驗方案盡可能簡易方便（用藥少/步驟少/時間短）。總之，a.原理正確，b.效果明顯，c.裝置簡單，d.操作安全。4 實驗設(shè)計的基本思路4.1 明確實驗目的、實驗原理及實驗要求的基本條件；4.2 精心策劃實驗方法、嚴格設(shè)計實驗過程、合

4、理設(shè)置對照或變量，并引入科學的測量方法；4.3 能夠做到有效預測實驗結(jié)果、科學描述實驗結(jié)果，并得出科學的實驗結(jié)論。5 實驗設(shè)計應注意的問題5.1 在掌握實驗目的、原理的基礎(chǔ)上確定實驗方法。5.2 嚴格遵循實驗設(shè)計的基本原則，準確設(shè)置對照或變量。5.3 注意實驗程序的科學性、合理性。5.4 對實驗現(xiàn)象進行準確的觀察、測量、記錄。5.5 能夠預測可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果及其導致原因，并能夠得出科學的實驗結(jié)論。5.6 多分析實驗設(shè)計的實例。6 實驗設(shè)計的實例分析6.1 "驗證成熟植物細胞的滲透作用"實驗設(shè)計實例：I實驗名稱：觀察馬鈴薯條的滲透吸水與滲透失水現(xiàn)象。n實驗目的：驗證成熟植物

5、細胞的滲透作用。m實驗原理：當外界溶液濃度大于細胞液濃度時，植物細胞通過滲透作用失水；反之則吸水。W實驗對象：新鮮馬鈴薯條。V實驗條件：0.8g/mL的蔗糖溶液、蒸儲水、大試管、有刻度的小燒杯、刀片、鐐子等。VI實驗設(shè)計的基本原則：對照、等量。W實驗方法與步驟：(1)制備3條長度、寬度、體積都相同的新鮮馬鈴薯條。(2)將其中的2條分別放入盛有等體積的蔗糖溶液與蒸餾水的燒杯中，另1條放入加塞的空試管中。(3)2h以后，通過比較的方法觀察薯條的長度變化及蒸餾水、蔗糖溶液體積的變化。實驗結(jié)果預測分析：可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果是：(1)放入蒸餾水中的薯條長度增加， 明顯大于蒸餾水體積。(2)放入蒸餾水中的薯

6、條長度增加， 小于蔗糖溶液體積。(3)放入蒸餾水中的薯條長度不變， 大于蒸餾水體積。而放入蔗糖溶液中的薯條長度變小，且蔗糖溶液體積而放入蔗糖溶液中的薯條長度不變， 且蒸餾水的體積而放入蔗糖溶液中的薯條長度變小，且蔗糖溶液體積(4)薯條的長度及溶液的體積都沒有明顯的變化。IX 實驗測量與記錄：將放入溶液中的薯條與試管中的薯條比較觀察，并比較燒杯中溶液的體積：放入蒸餾水中的薯條變長、放入蔗糖溶液中的薯條變短，且燒杯中蔗糖溶液的體積比蒸餾水的體積大。X 實驗結(jié)論：放入蔗糖溶液中的薯條滲透失水，放入蒸儲水中的薯條滲透吸水。6.2(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

7、料"，某同學制訂了下列實驗方案：(1) 實驗目的(2) 實驗材料和用具(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

8、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斐林試劑。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

9、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。6.3 （上海高考題）據(jù)藥理研究，一種茅草的根內(nèi)含有

10、降血糖的因子及多種有益于健康的成分，某公司將它開發(fā)成一種保健飲料。該產(chǎn)品是否適用于糖尿病患者，生物學興趣小組的同學以此作為研究課題，請你完成下面的實驗鑒定報告。（1） 實驗目的鑒定一種茅草的根是否含有還原性糖和淀粉。（2） 實驗原理還原性糖可用試劑，淀粉可用試劑來檢測。（3） 實驗器材一種茅草的根、所需試劑、刀片、載玻片、酒精燈、試管夾、火柴、滴管。（4） 實驗步驟：鑒定還原性糖：。鑒定淀粉：。（5） 實驗現(xiàn)象。（6）結(jié)果分析。（7）在鑒定還原性糖的實驗操作中應注意：。誤解對該實驗所涉及的基本實驗原理和鑒定糖類物質(zhì)的方法不熟而造成誤答。診斷錯因：本題考查實驗設(shè)計，要求學生設(shè)計完成研究某種保健飲

11、料是否適合用于糖尿病患者的實驗，并寫出實驗報告。有些同學實驗能力欠缺，實驗設(shè)計缺乏嚴謹性和科學性：正確思路：從實驗目的可以看出，該實驗實際上是鑒定茅草根內(nèi)是否含有還原性糖和淀粉，聯(lián)系教材中的有關(guān)實驗，有無還原性糖可以用班氏試劑鑒定，有無淀粉可用革蘭氏碘液鑒定。根據(jù)教材中鑒定梨中還原性糖的實驗步驟，寫出鑒定茅草根中還原性糖的實驗操作步驟，注意在將載玻片放在酒精燈火焰上加熱時，為防止載玻片因加熱不勻而爆裂，應在火焰上來回移動；根據(jù)鑒定淀粉的實驗步驟，寫出鑒定茅草根中淀粉的實驗操作步驟。對實驗結(jié)果進行分析，若有還原性糖、淀粉的存在，回答應出現(xiàn)什么顏色變化。若沒有還原性糖、淀粉的存在，將出現(xiàn)什么顏色，

12、從而對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進行分析，完成實驗報告。正確答案是：（2）斐林試劑；碘液。（4）將一種茅草的根切成薄片（或壓碎），放于載玻片上，滴加12滴斐林試劑。將載玻片放在酒精燈上加熱，觀察顏色變化。將一種茅草的根切成薄片（或壓碎），放于載玻片上，滴加12滴碘液，觀察顏色變化。（5）、（6）學生可以有幾種不同的回答，但一定要求觀察到的實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析相一致（如：觀察到的有紫色，說明有還原性糖存在；如沒有紫色，說明沒有還原性糖存在。如有藍色出現(xiàn)，說明有淀粉存在；如沒有藍色出現(xiàn)，說明沒有淀粉存在）。（7）載玻片在火焰上加熱時要來回移動，以免加熱不勻而爆裂。6.4 現(xiàn)有如下材料：3支試管（編號分別是A

13、、B、C）、淀粉、碘液以及將溫度控制在37、OC和100c的3個水浴鍋。(1)請根據(jù)以上提供的材料及條件，寫出實驗的步驟3及其以后的實驗步驟，以證明溫度對酶的催化活性的影響。實驗步驟：步驟1：制備5ml淀粉溶液并冷卻至常溫。步驟2：收取唾液若干。步驟3：(2)寫出實驗的結(jié)果：。(3)分析實驗結(jié)果：。誤解對實驗的無關(guān)變量的控制考慮不足，從而影響實驗結(jié)果而出錯。診斷錯因：本題同樣涉及實驗設(shè)計，但給出了具體的材料及條件，要求設(shè)計實驗操作的步驟，并預期結(jié)果，分析原因。有些同學對實驗步驟的嚴密性和合理性把握不夠，從而導致步驟不全或敘述不確切。正確思路：首先明確本實驗的原理是"溫度能影響酶的活性

14、"。實驗條件分別給出了3組不同的溫度，所給的試管也是3支，因此在設(shè)計對照實驗時顯然該設(shè)計為3組實驗，利用溫度分別為37C、OC和100c的環(huán)境條件。正確答案是：(1)步驟3：取3支試管各加入2mL可溶性淀粉；步驟4：將A、B、C3支試管分別放置于37C、OC和100c的水浴鍋中，維持lOmin；步驟5：各加入1mL新鮮唾液，搖勻后，保持各自溫度lOmin；步驟6：各加1滴碘液檢驗，觀察溶液顏色變化。(2)A試管不變藍。B、C試管均變藍。(3)A試管所處溫度條件適于酶的活性發(fā)揮，淀粉被唾液淀粉酶分解成麥芽糖，后者遇碘液不變藍。B、C試管所處溫度過低或過高，酶無催化活性或喪失活性，淀粉不

15、被分解，遇碘液變藍。說明酶的催化作用應具備適宜的溫度。7【練習1】某同學由溫度能影響酶的活性聯(lián)想到溫度能否影響甲狀腺素的活性。為了探索這一問題，他做了一個實驗。在實驗步驟(1)、(2)、(3)中各有一處錯誤或不妥之處，請改正并預測實驗現(xiàn)象及結(jié)論。實驗步驟:(1)取三只相同的潔凈玻璃缸，編上號，分別裝上等量的蒸餾水、河水、自來水。(2)取發(fā)育狀況不同的15只蝌蚪，分成三等份，分別放人1、2、3號玻璃缸中，三只玻璃缸放在相同的適宜外界條件下培養(yǎng)。(3)每天同時向1、2、3號玻璃缸中分別投入普通飼料、甲狀腺制劑拌勻的飼料、用60溫水處理1小時的甲狀腺制劑拌勻的飼料。(4)過幾天比較蝌蚪的發(fā)育狀況。改

16、正：預測實驗現(xiàn)象及結(jié)論：(參考答案改正：(1)蒸餾水/河水/自來水改為河水，(2)不同改為相同，(3)投入后加等量。預測實驗現(xiàn)象及結(jié)論：若B玻璃缸內(nèi)蝌蚪發(fā)育最快，而A、C玻璃缸內(nèi)蝌蚪發(fā)育狀況相同，說明高溫使甲狀腺制劑失活。若B玻璃缸內(nèi)蝌蚪發(fā)育最快，C玻璃缸內(nèi)次之，A玻璃缸最慢，說明高溫使甲狀腺制劑活性降低。若B、C玻璃缸內(nèi)蝌蚪發(fā)育狀況相同，而A玻璃缸內(nèi)較慢，說明高溫未影響甲狀腺制劑活性。)【練習2】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

17、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?？赡艿膶嶒灲Y(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)。

18、）實驗分析的一般方法“四步分析法”在實驗教學過程中，總結(jié)歸納出“四步分析法”，即從取材、藥品與試劑、步驟及操作、顯微鏡的使用四個方面對實驗進行分析的方法。1 .取材分析正確取材是實驗成功的第一步。有的學生實驗失敗的原因，往往是取材不正確而引起的，因而在實驗分析時，要首先考慮取材是否正確。例如，實驗一“觀察植物細胞的有絲分裂”（以下簡稱“實驗一”）中，準確切取洋蔥根尖生長點部位，是實驗成功的前提。一些學生制成的裝片中往往看不到或看到很少的分裂相細胞，就是因為切取部位正確導致的，即沒有選準根尖的生長點部位。實驗二“觀察植物細胞的質(zhì)壁分離和復原”（以下簡稱“實驗二”）中，取材部位應該是在新鮮的洋蔥鱗

19、片葉外表皮的紫色較深處。而在內(nèi)表皮或紫色很淺的部位取材，往往觀察不到或僅有很少紫色液泡。實驗三“觀察根對礦質(zhì)元素離子的交換吸附現(xiàn)象”（以下簡稱“實驗三”）中，剪取的是有活性的根，如果是死根、爛根，則觀察不到預期的結(jié)果。實驗四“葉綠體色素的提取和分離”（以下簡稱“實驗四”）中，選取的時片要肥厚、色濃，而老葉、發(fā)黃的葉子則不能選用。2 .藥品與試劑分析藥品與試劑的量、濃度、純度等都是影響實驗正確結(jié)果的重要因素，要逐一檢查，不能忽視。關(guān)于量的問題。有些實驗對藥品與試劑的量有一定的要求，如實驗四中，丙酮、層析液的量就要按規(guī)定使用：提取5g葉片中的色素，用2m1丙酮是適中的，若丙酮過多，會使色素濃度降低

20、，減少濾紙條上色素的量，使分離效果不明顯；若丙酮少了，色素提取又不充分。色素分離時，向燒杯中倒入層析液時，其量的標準是液面不能超過1cm（距燒杯底），否則將沒及濾紙條上的濾液細線，色素就迅速溶解到層析液中去了，結(jié)果在濾紙條上得不到相應的色素分離圖譜。關(guān)天濃度問題。實驗中，規(guī)定的濃度，都是人們經(jīng)過多次試驗后，認為最適合的。實驗員在實驗前配制藥品與試劑時，濃度要配準，否則將會影響學生實驗。如蔗糖溶液濃度較高時（高于30%）,會使細胞因發(fā)生強烈質(zhì)壁分離而失水過多，細胞死亡，不能復原。亞甲基藍溶液在配制時，要求更高，濃度高一點點，就會影響根的活性。關(guān)于純度問題。有的實驗如實驗三，對試劑的純度有較高的要求，如果所用蒸餾水中混入雜質(zhì)陽離子，或用自來水代替，則漂洗時，不僅洗去了浮在根細胞表面的亞甲基藍陽離子，而且也會把吸附在根細胞表面的亞甲基藍陽離了交換下來；在對比實驗中，含雜質(zhì)陽離子的蒸餾水也會變藍。3 .步驟及操作分析步驟及操作是否正確是影響實驗結(jié)果的主要因素，故應重點分析，主要有以下三種情況。漏做某個實驗步驟。實驗步驟不能少，如實驗一中，根尖用10%鹽酸解