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1、科学实验的一般原理和方法第一节 实验课题的选择和实验设计【知识概要】一、实验的意义生命科学是一门以实验为基础的科学。在探索生命的过程中，揭开生命奥秘的主要方法是通过观察和科学实验。二、实验的种类生命科学的实验很多，从教学的角度来分有演示实验、验证实验、模拟实验、探究实验、定性和定量分析实验；从科学研究的角度来分有观察实验、析因实验、定性实验、定量实验、对照实验和探索性实验等。三、实验课题的选择选择的课题应具有一定程度的新颖性、实用性、先进性、可行性和教育性。确定课题是研究成功的关键，选题一定要注意深刻、创新、集中和可行。四、实验设计实验设计就是在选定课题和实验材料的基础上，根据实验目的，确定实
2、验原理，用文字的形式制订合理的实验方案（或叫实验计划） 。1实验设计的要求（1）在实验设计之前，应掌握研究问题的性质，具备必要的理论知识和基本的实验技能和技术。（2）要有明确的实验目的，根据目的确定研究内容。（3）实验设计要科学合理，注意控制实验条件和实验因子，尽量减少实验误差，确保实验得出明确的结果。（4）设计实验要注意设置对照，适当增加重复，保证实验的准确（5）实验取样要注意典型性和代表性。有些实验对研究对象需要进行系统观察，一般采用选点取样法。如田间试验，选点的方法是根据田块大小，小面积试验田采取对角线取样，大面积试验田采取棋盘式或蛇形取样（见下图）对角线取样 棋盘式取样 蛇形取样（6）
3、实验设计要考虑运用统计学来分析问题的可能性。分析的实验样本要有一定数量，使所得数据具有代表性的可靠性。2实验方案的内容（1）实验题目 即实验研究的课题名称。（2）实验目的 根据课题要求，明确实验要解决什么问题，探索方面的生物学规律，预期要取得何种成果。（3）实验原理 即实验的依据和思路。（4）实验内容 根据实验目的确定具体的研究内容。研究内容确定是课题的关键。一般方法是把研究问题分解为许多小课题，分进行研究，然后再将实验结果加以综合分析，探明课题要解决的问题（5）实验材料取材是实验成败的关键因素之一，一定要按科学的要求选好实验对象。（6）实验方法即实验采用哪些研究方法获得明确的实验结果。采用的
4、实验方法应尽量减少人为的或偶然的实验误差。确定实验方法对，应注意：根据研究内容确定实验类型和方法。如野外生物种类考察，主要采用观察实验法；为探明某一生命现象的原因，可采用析因实验法：为鉴定某种生命物质的性质和含量，可进行定性、定量实验分析法。根据实验的类型明确具体的研究方法。如观察实验是采用解剖观察法还是野外观察法，要明确观察的项目和标准。设置对照。无论采用什么实验方法都要考虑设置对照。设置对照的方法很多，有的以处理和不处理实验组进行比较，以不处理为对照；有的以常规品种或常规浓度为对照；有的实验是实验间相互比较，采用互比法，彼此互为对照。此外，做任何实验都要考虑重复的问题，实验结果要经过反复实
5、验加以验证。进行田间实验设计，应根据实验性质的不同，分为大区试验和小区试验。田间试验要做合理的田间规划，根据土地条件、作物种类、试验要求和工作方便，规划小区面积、重复次数和田间排列方式；另外，还要注意设置对照小区和保护行。设计实验方法应尽量采用先进的实验技术和仪器设备，确保研究结果的准确性。（7）实验用具和药品 即实验要采用哪些设备和仪器，使用哪些药品，从而实现有计划和有效的观测与分析。（8）实验程序即实验流程，也就是如何运用仪器设备作用于实验对象的程序或步骤，对全部实验过程作出总体设计。（9）日程安排根据整个实验的要求，按日程分阶段实施实验方案。【解题指导】例 1 给你洋葱、蔗糖、蒸馏水及必
6、要的工具，请设计一个测定洋葱表皮细胞滚浓度范围的实验方案。析 （1）实验原理：水分的渗透作用。（2）实验方法：配制一系列不同浓度的蔗糖溶液（如 5、10、15、20） 。制作上述各蔗糖溶液处理的洋葱表皮细胞装片。用显微镜按蔗糖溶液的浓度梯度逐个观察装片。（3）结论：该洋葱表皮细胞液的浓度介于能引起与不能引起细胞质壁分离的两种相邻浓度溶液的浓度之间。该实验的设计是按照一般实验法的原理，直接通过实验组而得出结论的。例 2 请你设计一个实验，证明动物生长激素的分泌器官及其生理作用。 （切除动物垂体情况很复杂，本实验仅作为学生设计实验）析 设计方案 （1）材料：幼年兔（或其他幼年哺乳动物） 。（2）处
7、理：实验组 A：切除垂体；实验组 B：切除垂体后每天注射生长激素；对照组 C：正常兔。（3）根据观察的结果得出结论：实验组 A：生长停止；实验组 B：先停止后又继续生长；实验组 C：不停止生长。由此得出生长激素是垂体分泌的，能促进幼小动物生长的结论。该实验的设计是利用对照实验法的原理，通过实验组和对照组结果差异的比较得出结论的。例 3 有一个生产大队研究小麦增施氮肥（尿素）的增产试验。实验设计为两个处理：处理（一）为每公顷施尿素 150kg；处理（二）为每公顷施尿素 300kg；以不施肥为对照（CK） 。施肥试验小区的排列方式有两种：重复一次和不设重复。试绘制小麦田间试验小区两种排列方式的规划
8、图。析 根据试验设计要求，每个试验小区面积应一致，两种田间排列方式如下二图。施肥试验一（重复一次） 施肥试验二（不设重复）【巩固练习】1研究不同饲料喂养家猪的育肥效果和比较小麦不同品种叶片大小的实验，应如何选择材料？2某中学课外活动小组计划进行白玉蜗牛的养殖实验，在实验设计上，你认为应探究哪些具体内容？3在动物实验中，正确设置对照十分困难，要选择 20 只完全相似的动物分为每组 10 只的对照组和处理组，是难以做到的。那么，进行这种实验，你能提出一个聪明的设置对照的方法吗？4许多科学家认为，孟德尔进行的植物杂交试验，选择豌豆做实验材料是他成功的关键；卡尔文在研究植物光合作用的暗反应时，选择小球
9、藻（Chlorella）为材料也是成功的关键。这是为什么？5有一位船长要试验某种防治晕船药物的效果，他选择旅客为对照，让船员都服用药剂，其结果大多数旅客晕船了，而船员没有晕船，这一结果能否说明这种药的功效？为什么？第二节 实验实施的技能和技巧【知识概要】一、实验的要求（l）要有探索求知的科学精神，应严格按操作规程进行实验；（2）要注意运用科学的研究方法，严格控制实验条件，尽力排除偶然因素的干扰，保证实验成功；（3）在实验过程中不断有所发现，有所创新。二、观察与描述1观察的意义任何科学都是从有选择的观察开始的。通过对生命现象和生命过程的观察，描述出观察到的各种不同生物的形态结构、生活习性等特点，
10、逐渐积累起有关生物的知识。2定性观察和定量观察观察可分为定性观察和定量观察。定性观察主要考察研究对象的性质、特征及其基本属性，也叫质的观察。定量观察主要考察研究对象的各种量及量的关系 ，也叫量的观察，如比较生物学常通过测量进行定量观察。3直接观察和间接观察常用的观察方法：（1）直接观察，即直接通过人的感觉器官进行观察。这种观察方法简便，但有时不够准确。 （2）间接观察，即间接通过仪器进行观察。如借助显微镜、望远镜等进行观察。 （3）分析性观察。如通过生物外部形态特征的观察，逐步深入到内部结构和生理观察，逐渐认识生物的本质，这就是分析性观察。4观察和描述在实验过程中，观察的目的在于了解事物，因此
11、，观察后要把观察到的现象通过描述记录下来。描述时，首先必须知道它是什么；其次把它的特点描述出来，说清楚所观察的各种特点或过程的各个主要环节；三是重点明确，抓住实质内容或整个过程的主要生物学环节；四是描述时应使用精确的定义和名词述语，使大家容易理解。5观察应注意的事项（1）要有目的地进行，有选择地观察，注意典型性原则。 （2）要避免先入之见的干扰，注意观察的客观性原则。 （3）在观察中应坚持全面性、系统性原则，尽可能从多方面观察生物的现象。 （4）对生物现象的观察，常常需要反复地进行。对观察的结果，要反复核实，以便真实地记录所观察的现象。 （5）观察记录时最好采用数字化，使描述趋向定量化，使观察
12、更详细、具体。三、测量与测定1测量与测定的含义测量就是用仪器确定空间、时间、温度、速度、功能等有关数值。在科学实验中，有时需要知道研究对象所含的化学成分及其具体含量，这就需要通过化学仪器进行分行，不仅进行定性分析，还要进行定量测定。2测量的方法测量物体。液体和气体的方法很多，测量一些规则形状的物体，测量后要经过数学公式（如计算面积和体积的公式等）的运算，才能得出所需的数值。测量的内容和方法简介于下表。测量方法简表测量内容使用仪器、工具单位（国际制）应用实例长度刻度尺、卡尺、测微尺米（m） 、千米（km） 、分米（ dm） 、厘米（cm） 、毫米（mm） 、微米（m）测量动植物体、器官和细胞的长
13、度面积刻度尺、测绳、皮尺平方米（m 2） 、平方厘米（cm 2） 、公顷（km 2）测量土地、种群分布和叶的面积体积、容积刻度尺、三角板、量简量杯、容量瓶升（L） 、毫升（mL） 、微升（ L ） 、立方米（m 3） 、立方厘米（cm 3）测量溶液和生物体器官大小质量、重量天平、磅秤、托盘、天平、分析天平、电子秤千克（公斤 kg） 、克（g） 、毫克（mg ） 、吨（t） 、微克（ g）测量生物体的干重和湿重时间钟、表、秒表秒（s） 、分（min） 、时（h） 、日（d）记录生命活动的过程和活动节律温度温度计、体温计、地温计摄氏度（）测量人和动物体温、大气、水体和土壤温度3测定的方法在生物学实
14、验中，常对生物材料进行化学分析，其中应用范围的是比色法和容量法。（1）比色分析法这是一种利用标准溶液或标准试纸和被测物质溶液进行测定比较，以确定被测物质含量的方法。例如，测定土壤中的酸碱度（pH） ，可用精密 pH 试纸对土壤浸出液进行测定，其显色反应与标准比色卡对比，便可测得溶液的 pH 值，即土壤的酸碱度。测定组织中的可溶性糖，可利用某些化学试剂（如斐林试剂）与生物组织中的可溶性糖中的还原糖（如葡萄糖和果糖）发生作用，根据是否生成砖红色沉淀，即可鉴别可溶性糖的存在。在生物化学实验中常用比色计等仪器进行定量分析。（2）容量分析法容量分析法中常用的一种方法是容量沉淀法。它是根据标准溶液在沉淀反
15、应中所需的用量，计算被测物质含量的方法。例如，测定水果中的维生素 C含量、植物的呼吸强度（CO 2 释放量）等均可采用这种分析方法。四、现象和数据的记录良好的记录是确保实验成功和提高工作效率的关键。记录工作应注意：（1）要有牢固装订的记录本。记录本上有固定的记录格式（包括记录内容、日期和记录人） 。 （2）每次观察到的现象和数据应及时记入笔记本上，以免记错或遗漏。（3）应用不退色的笔记录，以备长期保存。 （4）记录必须完整，而且是原始记录，有的实验结果常需绘制草图或拍照等方式记录一些现象和问题。【解题指导】例 1 根据提供的动物标本，通过详细观察试比较豺、狼的区别，请填入下表：体 型 体 色
16、尾 部豺狼析 经过观察和测量，豺体型小，狼体型大；豺的体色为红棕色，狼为灰黄色；豺的尾粗长、毛密似狐尾，狼的尾较短尖，尾下垂，很少活动。例 2 取数量相同，大小一致的两种不同处理（喷施生长素浓度不叫的棉花叶片，利用实验桌上的设备，设计一种测量叶片面积的方法。（1）较详细地叙述你的实验过程。（2）计算出两种处理叶面积的大小。析 棉花叶片属不规则形状物体。测量叶片面积有两种方法：（1）利用刻度尺测量叶片的长度（叶片基部至叶尖的长度）和叶长度中点处的宽度，按长宽0.761 公式计算叶面积。 （2）利用方格纸，把叶片平整地放在方格纸上，用削尖的铅笔把叶片的边缘描绘下来。由于每一方格的面积是已知的，计算叶片占据的格数，即可求出叶片的面积。例 3 取相同数量的国光和红富士不同苹果品种的果实，利用实验桌上提供的卡尺、刻度尺、量杯、量简、台秤等工具，设计一种测量苹离
