[精品]加强实验设计理论教学,提高实验思维能力

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1、加强实验设计理论教学，提高实验思维能力,永定县坎市中学 余裕浪,生命科学是一门以实验为基础的科学，实验在生物学中占有十分重要的地位。从近几年生物高考试题分析看，对实验能力进行考查是重点。从实验考查的内容看，试题涉及实验仪器的使用，实验结果的预测，实验的设计，对实验现象和结果的分析、解释以及用恰当的形式（如表格、曲线、图形等）进行表达。实验试题来自课本实验素材的改造，或者是一个全新的实验情境，主要考查的是分析问题和解决问题的能力以及创造能力，引导中学教学提高学生的科学素质，培养学生的创新精神。这就对生物学实验教学提出了更高的要求，要适应高考对实验的考察，必需在平时的教学中创造性的完成课本布置的实

2、验、实习、探究和研究性课题，同时在日常教学中应大力灌输和渗透实验设计的有关理论知识并进行相应的训练，以提高学生的实验设计思维能力。,例:(2009全国卷32)(11分)已知2H2O2=2H2OO2可以通过观察反应过程中O2的生成速度(即气泡从溶液中释放的速度)来判断H2O2分解反应的速度。请用所给的实验材料和用具设计实验，使其能同时验证过氧化氢酶具有催化作用和高效性。要求写出实验步骤、预测实验结果、得出结论，并回答问题。 实验材料与用具：适宜浓度的H2O2溶液，蒸馏水，3.5%FeCl3溶液，0.01%牛过氧化氢酶溶液，恒温水浴锅，试管。 实验步骤： 实验结果预测及结论： 整个实验中，不同处理

3、的试管中O2的释放速度从快到慢依次是：。由此可得出的结论是。 如果仅将实验中的恒温水浴改为80，重做上述实验，O2释放的速度最快的是。原因是。,例题(2009全国卷32)(14分)请用所给的实验材料和用具，设计实验来验证哺乳动物的蔗糖酶和淀粉酶的催化作用具有专一性。要求完成实验设计、补充实验步骤、预测实验结果、得出结论，并回答问题。 实验材料与用具：适宜浓度的蔗糖酶、唾液淀粉酶、蔗糖、淀粉4种溶液，斐林试剂、试管、37恒温水浴锅、沸水浴锅。 若“”代表加入适量的溶液，“”代表不加溶液，甲、乙等代表试管标号，请用这些符号完成下表实验设计。 实验步骤： 按照上表中的设计，取试管、加溶液。 结果预测

4、：。 结论：。 在上述实验中，如果仅将37恒温水浴锅的温度调到20，而在其他条件不变的情况下重做上述实验，出现砖红色试管中的颜色会比37时的浅，其原因是。,(2009福建卷26.)右图表示的是测定保湿桶内温度变化的实验装置。某研究小组以该装置探究酵母菌在不同条件下呼吸作用的情况。 材料用具：保温桶(500mL)、温度计活性干酵母、质量浓度0.1g/mL的葡萄糖溶液、棉花、石蜡油。 实验假设：酵母菌在有氧条件下呼吸作用比无氧条件下呼吸作用放出热量更多。 取A、B两装置设计实验如下，请补充下表中内容： B装置葡萄糖溶液煮沸的主要目的是，这是控制实验的变量。 要测定B装置因呼吸作用引起的温度变化量，

5、还需要增加一个装置C。请写出装置C的实验步骤： 实验预期：在适宜条件下实验，30分钟后记录实验结果，若装置A、B、C温度大小关系是：(用“”表示)，则假设成立。,一、实验设计原理概述,1 生物学实验设计的含义 在进行生物学实验前，实验者根据一定的目的和要求，运用生物学的知识和原理，对实验过程中的材料、方法、步骤等全部方案的制定。,2 生物学实验设计的类型,根据课题要求，实验设计分为全部过程的设计和部分过程的设计两种类型。根据题目所给条件，又可分为开放型实验设计和限制型实验设计。如：“设计一个实验，验证ATP是生物直接的能源物质”属于开放型、全部过程的实验设计。近年来，福建省及全国高考生物学试题

6、中的实验题则属于限制型、部分过程的实验设计。,3、实验设计应遵循科学发现一般规律,美国科学家科南曾经将一般科学方法归结为六个步骤： （1）根据经验或现象的观察提出或确定问题，树立研究目标。 （2）观察并记录有关的数据、资料。 （3）据观察数据提出解释性假说，以解释观察到的现象。 （4）根据假说进行推演，构造理论体系，同时提出判决实验方案。 （5）用实际的实验对假说进行检验。 （6）根据实验所得结果，接受、修改或放弃假说 观察并提出问题提出假设设计并完成实验检验假设、得出结论。,4 、 设计生物学实验应遵循的原则,（1）科学性原则 所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手

7、段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。如：淀粉酶水解淀粉的顺序问题,（2）可行性原则 可行性原则是指在设计生物学实验时，从实验原理、实验的实施到实验结果的产生，都具有可行性。要考虑到实验材料要容易获得，实验装置简单，实验药品较便宜，实验操作较简便，实验步骤较少，实验时间较短,（3）简便性原则,设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作挝程比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。,（4）可重复性原则 在实验设计中也必须注意实验的可重复性。任何实验部必须要有足够的实验次数，才能判断结果的可

8、靠性，设计的实验不能只能进行一次，在无法重复的情况下，作为正式结论，这样的结论是很难具有说服力的，易被推翻。,（5）控制变量原则（单一变量原则）,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:,A 、实验变量与反应变量,实验变量,亦称自变量,指实验中由实验者所操纵、给定的因素或条件。反应变量,亦称因变量或应变量,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。实验的目的即在于捕获解释这种前因后果。例如,在“唾液淀粉酶水解淀粉”的实验中,所给定的低温(冰块)、适温(37)、高温(沸水浴)就是实验变量。而由于低温

9、、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,该实验即在于捕获解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系及其经验事实。,B、无关变量与额外变量,无关变量,亦称控制变量,指实验中除实验变量以外的影响实验变化和结果的因素或条件。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(低温、适温、高温)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、试剂溶液的剂量和浓度、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、

10、稳定的;如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件,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。,单一变量原则,是处理实验中的复杂变量关系的准则之一。它有两层意思:一是确保“单一变量”的实验观测,即不论一个实验有几个实验变量,都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量;二是确保“单一变量”的操作规范,即实验实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如,上述实验遵循单一变量原则,第一在观测上要做到:低温处理观测记录低温下的变化和结果,适温处理观测记录适温条件下的变化和结果,高温处理观测记录高温下的变化和

11、结果,反应变量不能混淆;第二在操作上要做到:对3个实验一要在预先的低温、适温、高温条件下做实验处理,常见的错误是先在常温(譬如25)下做处理再放到低温、适温、高温条件中进行观测,这样就混入了“常温”这个无关变量及额外变量。总之,实验设计、实施的全过程,都应遵循单一变量原则,6、随机性原则,随机是指分配于实验各组对象（样本）是由实验对象的总体中任意抽取的，即在将实验对象分配致各实验组或对照组时，它们的机会是均等的。如果在同一实验中存在数个处理因素（如先后观察数种药物的作用），则各处理因素施加顺序的机会也是均等的。通过随机化，一是尽量使抽取的样本能够代表总体，减少抽样误差；二是使各组样本的条件尽量

12、一致，消除或减少组间人为的误差，从而使处理因素产生的效应更加客观，便于得出正确的实验结果。,7、对照性原则,对照是实验控制的手段之一，通过设置对照实验，可消除无关变量对结果的影响，增加实验结果的可信度和说服力。,二、生物教学中如何渗透实验设计理论（以渗透“对照性原则”为例）,（一）教学中有意灌输对照实验的知识 1 什么是对照实验 如果两组（或两组以上）实验中，除了一个因素不同外，其余因素都保持相同，那么这两组（或两组以上）实验称为对照实验。简单的说就是指除所控因素外其他条件与被对照实验完全对等的实验。,2 对照实验的构成,对照实验通常分为实验组和对照组。实验组是指接受实验变量处理的对象组。对照

13、组也称控制组，指对实验假设而言，不接受实验变量处理的对象组。对照组和实验组要依据研究的问题和做出的假设来决定，有时候研究的问题和作出的假设改变了，对照组和实验组可能会发生对换。一般来说，保持原有状态的组作为对照组，人为改变条件的组作为实验组；或者是，已知实验结果的组作为对照组，未知实验结果的组作为实验组。,3 对照实验的目的和作用,对照的目的在于平衡无关变量对实验结果的影响。由于同一种实验结果可能会被多钟不同的实验因素所引起，因此如果没有严格的对照实验，即使出现了某种预想的实验结果，也很难保证该实验结果是由某因素所引起的，这样就使得所设计的实验缺乏应有的说服力。只有设置对照实验，才能有效地排除

14、其他因素干扰结果的可能性，才能使设计显得比较严密，所以大多数实验，尤其是生理类实验往往都要有相应的对照实验。在对照实验中，通过对照组的设置，可以干预或控制研究对象以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素同非处理因素的差异。通过对照实验后，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的、被平衡了的，故实验组与对照组两者的差异，就可认定为是来自实验变量引起的效果，这样的实验结果是可信的。,4 对照实验的类型,对照实验按对照的内容和形式上的不同，通常有以下四种对照类型，各种对照实验中哪个作为实验组，哪个作为对照组，应具体情况具体分析。,4.1 空白对照,空白对照组是指不作任何实验处理的对象

15、组。这里的不作处理，并非什么因素都不给予，而是针对实验所要研究的因素不给予，以体现实验因素的有无对实验结果的影响。,例如，在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中，分别向4支试管加入2mL过氧化氢溶液，然后将2号试管放在90左右的水浴中加热，观察气泡冒出的情况，并与不作任何处理的1号试管作比较，3号试管滴入2滴FeCl3溶液，4号试管滴入2滴新鲜的动物肝脏研磨液，观察哪支产生气泡多。这样，2、3、4号试管为实验组，1号为对照组，且1号试管为典型的空白对照。即用实验研究因素所处理的对象组称为实验组，未用实验研究因素处理的对象组就为对照组。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，大大增强

16、了说服力。,例1 ： 1864年，德国科学家萨克斯将绿色叶片放在暗处几小时，然后把此叶片一半遮光，一半曝光。经过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，成功地证明绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。萨克斯对这个实验的设计具有严密的逻辑性，具体体现在 ( ) A有对照实验 B本实验不需要设置对照实验 c曝光处作为对照实验 D遮光处作为对照实验,但是到现在，知识背景变化了，我们已经确知光合作用的过程、条件及产物等，所以又可以通过该实验“证明植物光合作用需要光照”，这时的实验目的改变了。当然淀粉的有无就是检测光合作用是否进行的标准了。在这样的情况下，此实验实验组和对照组又该如何判断呢？,此时，笔者认为遮光处理是实验组，因为这样可以证明无光不能进行光合作用，而对照组只是为确定其他因素对此结果无影响(如材料，空气等的影响)。