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实验设计应注意的几个问题实验设计应注意的几个问题 摘要： 生物学是一门以实验为基础的自然科学 ，生物科学的每一个原理，每一种现象，每一个知识点都可以通过实验来验证、探索，同时，观察和实验是生物科学研究的重要方法，是学生获取知识的重要源泉，是实践新课标的切入点。下面谈谈实验设计应注意的几个问题： 1、明确实验目的 明确实验设计要解决什么问题，或探索验证什么结论。只有明确实验目的才能明了运用哪一原理进行实验设计，才能明白实验设计中哪一因素是实验变量。 例如：、“验证烟草花叶病毒的遗传物质是RNA而不是蛋白质”。该实验原理和实验思路同教材“肺炎双球菌转化实验”、“噬菌体侵染细菌实验”：将烟草花叶病毒的RNA和蛋白质分开，单独地观察它们的功能。 、“探索温度对酶活性影响的实验”，探讨的问题是温度与酶活性之间的关系，那么在实验设计中，“温度”这一因素就是实验变量 2、遵循实验原理w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 实验原理决定着实验中主要实验步骤的设计及相应实验试剂的选择。 例如：“设计实验验证唾液淀粉酶是蛋白质”，该实验的实验原理同教材中常规实验“生物组织中蛋白质的鉴定”实验原理相同，因1 此可用双缩脲试剂与唾液的呈色反应来验证这一问题，明确了这一原理之后，也就明确了其主要实验步骤同“生物组织中蛋白质的鉴定”类似。 3、实验材料的选择 正如孟德尔选择豌豆作为实验材料 是其遗传实验成功的原因之一一样，正确的选材决定着实验的成败。实验的选材是受实验原理、实验目的制约的。 例如：“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”，实验目的是鉴定组织中存在可溶性还原糖，因而，取材应注意含糖量要高。鉴定的原理是“还原性糖与斐林试剂的呈色反应”，为使呈色反应易于观察，所选材料最好无色透明；“叶绿体中色素的种类及颜色”实验，所选材料应当是色素含量高的材料；“植物细胞质壁分离与复原实验”的选材应注意两点：一是选材必须有液泡存在；二是为了便于观察，所选材料的细胞液最好有一定颜色。 4、对照实验的设置 一个完整的实验设计应包括实验组和对照组，实验组接受处理，对照组不进行处理。对照实验的设计常有如下四种类型： 空白对照： 设计一个不加任何实验处理的对照组。 自身对照： 指实验与对照在同一对象上进行，即不加设对照组。如“植物细胞质壁分离和复原实验”是典型的自身对照，这种对照的关键是比较2 实验处理前后的变化。 条件对照： 给实验组某种处理，给对照组另一条件处理。如在“证明甲状腺激素促进幼小动物发育”的实验中，可存在以下实验组和对照组： 甲组：饲喂甲状腺激素 乙组：饲喂甲状腺激素抑制剂 丙组：对蝌蚪不做任何处理 相互对照： 不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。如在“植物向光性”的实验设计中，2与1对照可证明感光部位在胚芽鞘尖端，3也可与1对照，4也可与1对照，也可与2对照。 光 光 光 光 未经处理 尖端遮光 切去尖端 中部遮光 1 2 3 4 5、找准实验要素变量 变量，亦称因子，指实验操纵控制的特定因素或条件。按性质不同，通常有以下两类4种变量： 实验变量与反应变量。实验变量，亦称自变量，指实验中由实验3 者所操纵、给定的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常，实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于解释这种前因后果。例如，在“唾液淀粉酶水解淀粉的实验中，所给定的低温、适温、高温就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于获取解释温度变化与酶的活性的因果关系。 (2)无关变量与额外变量。无关变量也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验结果的因素或条件。额外变量，亦称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量起干扰作用。 例如，上述实验中除实验变量以外，试管洁净程度、唾液新鲜程度和稀释浓度、可溶性淀粉溶液浓度、试剂溶液的剂量和实验操作程序、温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素和条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量和减少额外变量。 6、关键实验环节的顺序 实验步骤有一定的顺序，实验步骤的前后顺序一般不能前后颠倒，特别是关键环节。如在“探索温度对酶活性影响”的实验中，是应“先将三支试管分别放入37、0 、沸水中5分钟后再加淀粉酶”还是“先向三支试管中加入唾液后再将三支试管分别放入37、0 、沸水中”呢？表面看两种操作无多大差别，其实前者的操作才是正确的，因为如果先向盛有淀粉溶液的试管中加入唾液，此时唾液中淀粉酶对三支试管中淀粉均起消化分解作用。 7、常见的经典性实验方法 化学物质的检测方法： 淀粉 - 碘液 4 还原性糖 - 斐林试剂 CO2 - Ca(OH)2溶液或酸碱指示剂 乳酸 - pH试纸 O2 - 余烬复原 蛋白质 - 被蛋白酶分解或双缩脲反应 实验结果的显示方法： 光合速度 - O2释放量或CO2吸收量或淀粉产生量 呼吸速度 - O2吸收量或CO2释放量或淀粉减少量 原子途径 - 放射性同位素示踪 细胞液浓度大小 - 质壁分离 细胞是否死亡 - 质壁分离或质壁分离复原 甲状腺激素作用 - 动物耗氧量、发育速度等 生长激素作用 - 生长速度(体重身高身长变化) 胰岛素作用 - 动物活动状态 菌量 - 菌落数或亚甲基蓝褪色程度 实验条件的控制方法： 增加水中O2 - 泵入空气或吹气或放入绿色植物 减少水中O2 - 容器密封或油膜覆盖或用凉开水 除去容器中CO2 - NaOH溶液 除去叶中原有淀粉 - 置于黑暗环境 除去叶绿素 - 酒精隔水加热 除去光合对呼吸的干扰 - 给植株遮光 5 如何得到单色光 - 棱镜色散或薄膜滤光 血液抗凝 - 加入柠檬酸钠 线粒体提取 - 细胞匀浆离心 骨的脱钙 - 盐酸溶液 总结: 分析实验设计题要做到“三、四、五”。即： 、三个原则 对照性原则：设立对照组，使实验结果具有说服力。 单因子变量原则：控制其他因素不变而只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。 平行重复原则：进行实验时，有的情况的出现是有偶然性的，多做几个对照实验，出现相同的结果，更有说服力，更具科学性。如多测几次脉搏，取其平均值的实验。 、四种对照 空白对照：不给对照组任何处理因素。 条件对照：虽给对照组施以部分实验因素，但不是所要研究的处理因子。 自身对照：对照和实验都在同一实验对象上进行。 相互对照：不仅仅设对照组，而是几个实验组相互对照。 、五步分析 了解题目要求，明确实验要验证(探究)的是什么。 分析实验原理：分析实验所依据的科学原理是什么；涉及的6 生物学及相关学科中的哪些方法和原理。 确定实验器材的选择 设置实验步骤：分析每一环节之间的关联性，或几个相关实验的延续性，安排实验的最佳程序。 预期结果和分析 例1 现有同样大小的玻璃缸几只，发育状态相同的小蝌蚪60只、饲料、甲状腺激素、放在50的水中处理20分钟的甲状腺激素、溪水，请设计一个实验，探究甲状腺激素的生物活性是否会受50热水的影响。 实验方案设计： 第一步：取三个玻璃缸，分别标记甲、乙、丙。 第二步：分别加入等量的溪水和20只小蝌蚪。 第三步：甲缸每天喂饲料；乙缸每天喂经过处理的甲状腺激素相拌的等量饲料；丙缸每天喂甲状腺激素相拌的等量饲料。 预计结果并指出每一种结果说明了什么 ？ A、若乙、丙两缸蝌蚪发育同步，且迅速变态为青蛙； 而甲缸还是蝌蚪状态。说明经50热水处理，对甲状腺激素的生物活性没有影响。 B、若甲、乙两缸蝌蚪发育同步，而丙缸迅速变态为青蛙。说明经50热水处理，甲状腺激素失去活性。 C、若乙缸蝌蚪发育比甲缸快，比丙缸慢。说明经50热水处理，7 甲状腺激素丧失去了部分生物活性。 该实验中设置甲组实验的目的是：对照 该实验选用蝌蚪做材料的优点是： 蝌蚪发育成青蛙为变态发育，且时间短，便于观察。 做该实验所选用的蝌蚪有什么要求 ？为什么? 同一种蛙同时孵化出的蝌蚪。 排除实验材料的差异而造成对实验结果的影响。 例2 某些植物能分泌一些化学物质用于抑制别种植物在其周围生长，这称为他感作用。大麦、玉米、大豆、向日葵等植物，是杂草的天然抑制者，又叫“闷盖庄稼”。 为了验证大麦对邻近杂草生长具有他感作用。请根据所给材料器具，在给出的实验方法和步骤的基础上继续完成实验、预期实验结果。 材料器具：大麦种子、狗尾草，50厘米×50厘米×10厘米栽种盒、剪刀、洒水壶、 20厘米×10厘米纸袋、镊子、天平、两脚规、直尺 方法步骤： 第一步：选取A、B、C三个栽种盒，在栽种盒土壤表面画5厘米× 5厘米的小方格，每方格中心放一粒大麦或杂草种子。三个栽种盒的播种方式依次是： A盒：间行排列大麦和狗尾草种子。 B盒：全部播种大麦种子。 8 C盒：全部播种狗尾草种子。 第二步：洒上少量细泥土覆盖种子，用细孔眼洒水壶浇水，把三只实验栽培盒放在的20左右环境中培养2-4周，每天均保持足够时间的。 第三步：每天观察记录，统计盒内植株的地上枝平均干重、等数量特征。比较三只实验栽培盒的植物特征差异。 结果预期和结论： 比较A盒与C盒狗尾草： A盒生长明显受到抑制 A盒与C盒生长状况相当 结论：大麦对邻近杂草生长具有他感作用。 大麦对邻近杂草生长没有他感作用。 为进一步证实大麦分泌物具有抑制狗尾草的生长作用，请你设计实验方案。 方案一：用水培养大麦，然后把这些水收集起来浇灌狗尾草。 方案二：把大麦的根茎切碎制成匀浆，用大麦提取液培养狗尾草。 w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 9