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专题一生物实验及设计基础
一、网络导学包括必修和选修教材考试大纲规定的17个常规实验及实验设计的原则、方法与解题思路。
二、考纲提示
实验能力是高考“考试说明”要求学生掌握的一项基本能力（设计和完成实验的能力）。此能力要求也包括两方面的内容：一是独立实验的能力（大纲归定学生实验和教师演示实验），即理解实验原理、目的、要求、材料、用具；掌握实验的步骤、控制实验条件、使用有关仪器、安全问题处理；观察现象、分析数据、得出结论；常规实验非常规做法。二是能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处相关的实验问题。
（一）实验方法要素及处理要素关系的基本原则
1．假设与假设验证原则
实验的第一个要素：“假设”；第一项原则是“假设验证”原则。
2．变量与单一变量原则
实验的第二个要素：“变量”；第二项原则是“单一变量”原则。
单一变量原则，有两层意思：一是确保“单一变量”的实验观测，即不论有几个实验变量，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，即实施中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。
3．控制与平稳控制原则
实验的第三个要素是“控制”，第三项原则是“平衡控制”原则。
通过实验控制，尽量消除实验误差，以取得较为精确的实验结果。
4．对照与实验对照原则
实验的第四个要素是“对照”；第四项原则是“实验对照”原则。
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5．捕获解释与真实客观原则
实验的第五个要素是“捕获”和“解释”；第五项原则是“真实客观”原则。
（二）实验设计的基本内容、三个原则、实例和备考策略
1.实验设计的基本内容
（1）实验名称是关于一个什么内容的实验。
（2）实验目的要探究或者验证的某一事实。
（3）实验原理进行实验依据的科学道理。
（4）实验对象进行实验的主要对象。
（5）实验条件根据实验原理确定仪器和设备；要细心思考实验的全过程。
（6）实验方法与步骤采用的方法及最佳操作程序。每一步必须是科学的；能及时对仪器、步骤进行有效矫正。
（7）实验测量与记录对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确客观的记录。
（8）实验结果预测及分析能够预测可能出现的实验结果并分析导致的原因。
（9）实验结论对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论。
2.实验设计的实例分析
“验证成熟植物细胞的渗透作用”实验设计实例：
Ⅰ实验名称：观察马铃薯条的渗透吸水与渗透失水现象。
Ⅱ实验目的：验证成熟植物细胞的渗透作用。
Ⅲ实验原理：当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，植物细胞通过渗透作用失水；反之则吸水。
Ⅳ实验对象：新鲜马铃薯条。
Ⅴ实验条件：0.8g/mL的蔗糖溶液、蒸馏水、大试管、有刻度的小烧杯、刀片、镊子等。
Ⅵ实验设计的基本原则：对照、等量。
Ⅶ实验方法与步骤：
(1)制备3条长度、宽度、体积都相同的新鲜马铃薯条。
(2)将其中的2条分别放入盛有等体积的蔗糖溶液与蒸馏水的烧杯中，另1条放入加塞的空试管中。
(3)2h以后，通过比较的方法观察薯条的长度变化及蒸馏水、蔗糖溶液体积的变化。
Ⅷ实验结果预测分析：可能出现的实验结果是：
(1)放入蒸馏水中的薯条长度增加，而放入蔗糖溶液中的薯条长度变小，且蔗糖溶液体积明显大于
蒸馏水体积。
(2)放入蒸馏水中的薯条长度增加，而放入蔗糖溶液中的薯条长度不变，且蒸馏水的体积小于蔗糖
溶液体积。
(3)放入蒸馏水中的薯条长度不变，而放入蔗糖溶液中的薯条长度变小，且蔗糖溶液体积大于蒸馏
水体积。
(4)薯条的长度及溶液的体积都没有明显的变化。
Ⅸ实验测量与记录：将放入溶液中的薯条与试管中的薯条比较观察，并比较烧杯中溶液的体积：放入蒸馏水中的薯条变长、放入蔗糖溶液中的薯条变短，且烧杯中蔗糖溶液的体积比蒸馏水的体积大。
Ⅹ实验结论：放入蔗糖溶液中的薯条渗透失水，放入蒸馏水中的薯条渗透吸水。
3.实验设计题的分类解析
验证性实验的基本内容
（1）实验题目
（2）实验原理即完成实验所用的理论依据
（3）目的要求通过实验要解决的问题
（4）材料用具
（5）方法步骤
（为加强说服力，有时往往对实验要设立“实验组”和“对照组”。设计对照实验时切记：只有遵循“单一变量”原则，这样才有对照价值。补充实验步骤时，对每一步有必要先打腹稿然后下笔，并要编号清楚（如⑴……⑵……，表达清晰。）
（6）实验结果（预测实验现象）
验证性实验由于有明确的实验目的，预测的结果是科学的、合理的、惟一的。有实验（题目）中需要记录实验结果，这就要搞清楚记录什么？如何记录？
①用文字描述：略。
②表格的设计：要理清设计思路：Ⅰ.首先要读懂题目要求在表格“工作区”记录的内容。（题目中有明确的要求）Ⅱ.其次要明确表格的第一列写什么？第一行写什么？注意在第一列或第一行中肯定要写组别，即实验组和对照组（相互对照中组数可能更多）。Ⅲ.再绘制表格（切记：表格“工作区”是预留给所设计的实验中记录到的数据，而不是要学生造出数据来填入其中。因此只要设计完成一张空白表格即可。设计表格时，要先在草稿纸上画出表格轮廓，再写入答题纸中。）Ⅳ.表格设计好后，切勿忘记给表格添上题注（即表格名称）。
③坐标图的设计：要理清横轴的含义？纵轴的含义？纵横轴的单位？曲线的走势？关键点？
④分析实验结果：用书本理论分析实验结果。
（7）实验结论联系实验目的得出结论。结论是合理的、科学的、肯定的。不少结论是在实验要验证的内容中寻找。
（8）讨论
①对实验操作的理论、具体细节等进行讨论。
②也可讨论与实验无直接关系但有一定联系的其他知识。
注意：
验证性实验中，实验目的、实验（或预测）结果和实验结论三者是一致的。结果是指通过实
验所观察到的实验现象或通过实验直接得到的“成果”。
●验证性实验中，由于要验证的结论是肯定的，因此无实验假设。
●在验证实验中，如果实验记录作为题目条件已出现，那么就可得到肯定的实验结论。
探究性实验的基本内容
（1）实验课题如试题需要学生写出实验课题，那对课题的文字描述大多渗透在题干的字里行间，仔细阅读便可领会。实验课题的格式有：“×××××××××××研究”、“×××××××××××实验”
“××××××××××的影响”
（2）实验原理完成实验所应用到的理论依据。有的是书本学到的理论知识，有的在题目中作为条件出现。
（3）实验目的大多是写做了该实验后要解决的问题。
（4）材料用具：包括实验材料、仪器、试剂等，有时省略。大多数试题是作为条件提供给学生。（5）实验假设指用来说明某种现象但未经证实的论题，也就是对所提出问题所作出的参考答案。如果要学生写出来，请参阅实验课题的名称，但要比实验课题的名称在文字上写得更具体一些。（6）实验步骤的设计（即实验设计方案或曰实验设计思路）涉及到：
①实验设计思想
②器材药品
③实验步骤（要体现单一变量对照原则）。故要设立“实验组”和“对照组”。设对照组时，只需明确写出单一变量内容，其余条件（无关变量，如培养条件等）用“其他……条件与（甲）对照组相同”即可。
④观察记录（图表、曲线等。表格的设计要求同验证性实验）
（7）实验预测及分析探究性实验是对本不知道，现在需要知道的实验现象或结果进行探究。即使我们能用掌握的理论知识作出科学的、唯一的预测，但由于我们是作理论上的实验设计，因此实验预
测应该是开放性的，即要写出所有可能出现的实验现象或结果。
探究性实验不象验证性实验能得出一个肯定的结论，往往有几种预测结果，相应的就有几种可能的结论。
（8）讨论讨论的是与实验直接有关的内容，也可能是与该实验内容有关的其他知识。
实验设计题的内容虽然较多，但在实际考试中由于种种原因，如试题考查内容、试卷长度等，内容往往是不完整的，主要由试题设计者来决定，选取其中主要部分对学生进行考查。
4.实验设计的三个原则
（1）对照性原则——科学、合理的设置对照可以使实验方案简洁、明了，且使实验结论更有说服力。
“实验组”与“对照组”确认
一个实验通常分为实验组和对照组（控制组）。实验组是施加实验变量处理的被试组；对照组是不施加实验变量处理的对象组，两者对无关变量的影响是相等的，两组之间的差别，被认为是来自实验变量的结果，如 2005年春季高考 3题中为研究光对幼苗生长的影响时实验变量应为撤掉光照，因而暗处生长的小麦幼苗应为实验组，而自然状态（即来接受实验变量处理）的小麦幼苗应为对照组，通过对照组能增强实验的信度。按照对照方式的不同可分为4种：
①空白对照：即不作任何实验处理的对照组。例如，在还原糖鉴定实验中留一部分样液不加入斐林试剂，以作对照。
②相互对照：即不设控制组，只在几个实验组之间相互对比。例如，在植物激素与向性的设计实验中，5个实验组的相互比较。在实验中要找出一个最佳效果点，就要采取相互对照进行实验。
③条件对照：即给对象施加某种实验处理，虽不是检验假设需要的，但更能充分说明实验变量的对照。例如，动物激素饲喂小动物的实验方案中：饲喂甲状腺激素的为实验组；饲喂甲状腺抑制剂的是条件对照组；不饲喂药剂的是空白对照组。
④自身对照：即实验与对照在同一对象上进行。例如，将过氧化氢酶加入过氧化氢溶液中证明酶
是生物催化剂可催化过氧化氢水解，即自身对照，处理前的对象状况为对照组，处理后的对象变化为实验组。
再如: 在探究温度(或pH)对酶催化活性影响实验中温度(或pH)(0度、50度,100度) 为条件对照。清水(软水) 、河水(硬水) 对加酶洗衣粉影响中，清水(软水) 、河水(硬水) 为相互对照。用缺素营养液培养的出现缺素症状的植株加入某元素后恢复正常为自身对照。
（2）等量性原则——每次实验所加试剂的量要相等。
（3）单因子变量的原则。
实验变量剖析：在实验过程中变量是指可被操纵控制的在性质和数量上可以变化的特定因素或条件，具体分析如下：
①实验变量与反应变量：
a．实验变量是研究者主动操纵的条件和因子，是作用于实验对象的刺激变量（也称自变量），自变量须以实验目的和假设为依据，应具有可变性和可操作性。
b．反应变量（又称因变量），是随自变量变化而产生反应或发生变化的变量，反应变量是研究是否成功的证据，应具可测性和客观性。
c.二者关系：实验变量是原因，反应变量是结果，即具因果关系。
②无关变量（控制变量）是指与研究目标无关，但却影响研究结果的变量，实验者应严格控制无关变量，否则实验结果的真实性无法得到认定、我们常在实验过程中强调“选取生长状况相同的幼苗”“数量大小相同的种子”“置于相同并适宜条件下培养”“加入等量的清水”等均是为了控制无关变量对实验结果的干扰。
【例题剖析】例如，生物课本内温度对酶活性影响的实验中：实验变量是低温（冰），适温(60℃），高温（沸水）；酶的活性变化即反应变量；试管的洁净度，淀粉酶的稀释度，可溶性淀粉的浓度，碘液的量和浓度，温度处理时间，操作程序等是无关变量。实验中不论有几个实验变量，都应做到每个自变量对应一个因变量，此外还要做到操作规范。在实验设计、实施的全过程中，应严格操纵实验变
量，严格控制无关变量，尽可能消除误差，获取较为精确的反应变量。
5.备考策略
归类总结，引导构建实验类型框架高中生物学实验常见类型和分类的依据参考表
（1）探索性实验和验证性实验
（2）比较实验
比较实验是通过对照或比较来研究和揭示研究对象某种属性或某种原因的一种实验方法。这种实验要设置两个或两个以上的相似组样，一个是对照组，作为比较的标准；另一个是实验组，通过某种实验步骤，在两组之间判定实验组是否具有某种性质或影响。
◆可以把对照比较实验模式为
（3）定性和定量实验
（4）验证性实验和探究性实验有关内容的比较
当然，涉及到具体的实验题时，一般不会面面俱到，也就是以上各项实验要求不会在试题中全部出现，即在题中仅出现其中的部分要求，因此解题时需具体情况具体分析。
（三）实验设计题的应试技巧解答实验设计题的思路
1．明确实验目的弄清该题要验证或探究的是什么样的生物学事实。一般在题干中有“验证……”、“证明……”、“探究……”，其后内容就是实验的目的。
实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。
(1)材料和用具：日龄相同体重相近的雄性成年大白鼠两组，甲状腺激素溶液，蒸馏水，灌胃器，
耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。
(实验提示：给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定。)
(2)方法与步骤：_____________________________________________。
(3)结果预测与分析：________________________________________。
[解析]（接上例）此实验目的就是题干中“为了验证甲状腺激素的生理作用”这句“验证”后面
的内容，即“验证甲状腺激素的生理作用”。
2．分析实验原理 就是完成该实验的理论依据是什么？这就需要分析实验中所涉及的生物学及相关学科中的知识、方法，以及所依据的科学科学原理。另外提供的实验仪器的使用方法和原理也是应考虑在内。此过程要求学生利用储备知识独立分析、运用。
[解析]接上例：实验原理是甲状腺激素的生理作用，即加速物质的氧化分解，耗氧量增加，提高神经系统的兴奋性，使活动量增加。
3．独立设计实验 根据题目给出的材料、用具（一般情况下要用全所给的材料用具），实验设计应从
⑴编组标号。研究对象、器皿等要编组标号，设立实验组和对照组．．．．．．．．．； ⑵实验处理。分别对实验组和对照组施加单一变量．．．．．．．．．．．．．．．．
； 实验处理要遵循“单一变量，对照原则”。单一变量，就是对实验结果有关键影响的单一因素；对照原则，就是要有正反两个方面的实验。即在实验中设置对照组，与实验组进行比较，以显示实验的效果，增强实验结果的可信度和说服力。常见的对照方法有以下几种：
在对实验组和对照组进行处理的时候，要注意下图所示的程序：
⑶培养（或饲养）、观察、记录等。
观察记录实验现象和实验数据，最后根据实验原理对实验结果进行预测与分析。
[解析]接上例：方法步骤：
①将两组大白鼠分别标号为甲组和乙组，并分别用给出仪器测定与记录耗氧量和活动量。——编组标号
②每日用灌胃器给与甲组鼠灌喂甲状腺激素溶液，给与乙组灌胃等量的蒸馏水，饲养一段时间。
——实验处理，设立实验组（甲组）和对照组（乙），操纵实验变量“甲状腺激素和蒸馏水”。
③定期测量与记录甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量。——培养（或饲养）、观察、记录
4．实验结果分析要弄清题目的目的是“验证型的”还是“探究型的”。如果是“验证型的”实验，则要根据所学知识和原理，分析得出应有的实验结果和推出相应的结论，（此时一般只有一个结果和相应的结论，且结论与实验目的相对应）。若是“探究型的”实验，则要根据原理、目的，预测出可能的结果和推出相应的结论（此时一般有几个不同结果及相应的结论）。预测结果“三步曲”
⑴实验预测
①验证性实验如“验证……”、“证明……”都可预测到与实验目的一致的结果。
②探究性（预测结果“三步曲”）实验如“探究……”预测的实验结果不惟一，大多有三种可能：“变量促进结果；变量抑制结果；变量与结果无关”，或“全肯定；全否定；一肯定一否定”等。
[解析]接上例：实验目的中有“验证……”，因为是验证性实验，所以实验结果可预测为：未给甲状腺激素时，甲、乙两组鼠的耗氧和活动量相近。给甲组鼠甲状腺激素后，其耗氧和活动量均大于乙组。
⑵很多实验是化学反应类型，肉眼观察不到，应该考虑加入指示剂，借助颜色变化或仪器辅助观察。实验结果可采用文字描述、表格、坐标曲线等方式描述。
[解析]接上例：甲状腺激素促进物质氧化分解的化学反应无法观察，但可以以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标。
5．实验结论通过现象、结果的分析，概括出规律性的问题，结论一般就是实验的目的。
[解析]接上例：此实验的目的是：验证甲状腺激素的生理作用；结论是甲状腺激素能促进新陈代谢，加速体内物质的氧化分解，提高神经系统的兴奋性，从而使耗氧量和活动量加大。
6．讨论讨论的内容可以是实验中的内容，也可以是跟实验有关的其他问题。如：[解析]接上例：①验证甲状腺激素的作用，为什么要以耗氧量和活动量作为观察指标？②如以体
重为衡量指标，那么实验组的大白鼠在实验前后的体重有何变化？
实验步骤设计
1．选材：选材应保持条件相同（如上例中：日龄相同、体重相近的雄性成年大白鼠）
2．分组：体现操纵实验变量
．．．．．．。从实验目的中分析出实验变量是什么，如“验证甲状腺激素的生理作用”即变量为甲状腺激素，实验组有甲状腺激素，对照组无甲状腺激素。（每日用灌胃器给与甲组鼠灌喂甲状腺激素溶液，给与乙组鼠灌喂等量的蒸馏水）
3．培养、观察：除实验变量外，对实验组和对照组的培养、饲养等条件应要相同，即控制无关变量
．．．．．．。4．统计分析结果：（定期测量与记录甲、乙两组鼠的耗氧量和活动量）
5．得出结论：这一规范并非一成不变，在运用时掌握基本原则，灵活处理，才能以不变应万变。
关于“假设”“预期”“结果”与“结论”的辨析
（1）假设：“假设”，也称假说或猜测，是指用来说明某种现象但未经证实的论题，也是对所提出的问题作出的参考答案，即依据发现的事实材料或科学原理，通过创造性思维，提出初步假定。如“孟德尔分离现象解释验证”的测交实验中，提出的假说是：“F I（Dd）产生配子时，因等位基因分离，使得 F I产生含基因D和基因d的两种配子，且其数目相等。”再如“观察植物细胞质壁分离和复原”实验中，提出的假说应为：
当细胞外溶液浓度＞细胞液浓度→细胞失水
当细胞外溶液浓度＜细胞液浓度→细胞吸水
（2）预期：“预期”是在实验设计方案确定以后，实验正式实施之前，根据假说和原理，对实验可能出现的结果的判断，是依据提出的假说进行推理，得出假定性结果或推论，即“假如假设成立，则应有何种结果”，如“孟德尔分离现象验证实验，假如假说成立则有测交的后代应出现Dd与dd为1：1的结果，即高茎与矮茎数量比应为1：1”，而“观察植物细胞质壁分离与复原实验”中，假若假设成立，则应有处于高浓度（30％）蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞因不断失水→质壁分离，而处于清水
中的已分离细胞因细胞吸水→质壁分离复原
（3）结果：结果应为实验实际出现的情况，如“孟德尔分离现象解释实验”中出现的结果为“得到的64株后代中，30株高茎，34株矮茎，两种性状分离比为1：1”而“质壁分离复原实验”中处于30％蔗糖溶液中的洋葱表皮细胞果真发生了质壁分离，而处于清水中的已分离细胞果真发生了复原现象。
（4）结论：结论的得出须依据实验结果，即若出现的结果与预期结果一致则得出与先前的假说一致的结论或“假说成立”，若实验出现的结果与预期结果不符，则得出的结论应为“假说不成立”。
由此可知，“假设”应对应“结论”，“预期”应对应“结果”，在实验讨论时应注意描述的科学性即“如果出现何种结果，则应有何种结论”，例如用检测呼吸装置的红色液滴检测酵母菌呼吸类型时，应为若液滴向左移动则推出什么结论，若液滴向右移动则推出什么结论，而不能描述为“若为有氧呼吸，则液滴向哪移动”，再如在验证淀粉，碘液能否通过半透膜时应描述为“若袋内外液体均变蓝（结果或现象），则淀粉、碘液均能通过半透膜。”而不能描述为“若淀粉、碘液均能通过，则袋内外液体均变蓝”。
三、题型解读
高考实验考查的基本内容
（1）常规实验的考查常规实验是教材中规定学生必须要掌握的几个实验。通过常规实验的学习，关键是要掌握生物学科基本的实验设计思想，基本的实验方法及一般的分析方法。对教材中常规实验的考查一般为：1、对实验原理、实验材料和实验试剂的分析和解释2、对实验步骤及实验顺序的分析和解释3、对实验设计中对照实验的分析和解释4、对实验结果的分析和解释5、基本实验操作仪器的使用（例如显微镜）
（2）拓展实验的考查拓展实验也就是实验设计例题。这类例题有以下几种类型：
①判断实验设计过程正确与否
证明“唾液淀粉酶对淀粉有消化作用”，某同学制订了下列实验方案：
(1)实验目的(略) (2)实验材料和用具(略) (3)实验方法和步骤
①取1支试管，注入2ml浆糊。②用凉开水漱口后，用小烧杯收集唾液。③向试管内加入2ml唾液。
④往试管中滴加2滴碘液。⑤将试管振荡后放十分钟。取出试管，观察溶液颜色的变化。
(2)结论：唾液中含有淀粉酶能将淀粉分解成麦芽糖。该实验方法和步骤及结论有没有错误？如有，请指出并改正。
【解题思路】获取信息-发现谬误-改正完善
【参考答案】有三处错误： (1)未设立对照实验，步骤①还应取1支试管，③往这支试管中加入2ml清水；(2)步骤顺序颠倒，步骤④应与步骤⑤对调；(3)实验结论错误，本实验只能证明淀粉被水解，而不能证明水解产物是什么。
②补充实验步骤，分析实验结果
黄瓜花是单性花，雄花和雌花容易分辨。现在生物园里有几株黄瓜正在开花，为你提供必要的器具和药品，请你完成下面的实验方案，证明：黄瓜子房发育成果实需要种子提供的生长素。
器具药品：透明纸袋、回形针、小纸牌、剪刀、镊子、毛笔、烧杯、适宜浓度的生长素溶液。
步骤一：选择一批发育正常，即将开放的黄瓜雌花，为每朵花套上透明纸袋，用回形针将纸袋固定好，然后，将这些雌花分为3组，分别挂上1、2、3的小纸牌。
步骤二：
结果预测：第一组雌花________；第二组雌花__________；第三组雌花________。
【解题思路】获取信息-分析加工-依题作答
【参考答案】步骤二：待纸袋中的雌花开放后，打开纸袋，将各组花作如下处理：1组—授以黄瓜的花粉，2组—在子房壁上涂抹适宜浓度的生长素，3组—不作任何处理，之后，都套上纸袋。
结果预测：1组—结出有籽黄瓜，2组—结出无籽黄瓜，3组—不结黄瓜。
③实验过程细节分析
右图实验装置用于研究温度对凝乳酶催化乳汁凝固的影响，先将酶和乳汁放入2个试管，然后将2个试管放入同一水浴(温度用T℃表示)环境中持续15min，再将酶和乳汁倒入同一试管中混合，保温并记录凝乳所需的时间。
通过实验记录在不同的温度下凝乳所需的时间，结果如右表：
(1)为什么酶和乳汁混合之前在同一水浴环境中保温 15 min ，实验结果更准确？ (2)若将酶和乳汁直接放入同一试管内混合并保温对实验结果有何影响？ (3)比较并解释装置B 和D 的结果。
(4)解释以下两种处理时实验结果有无什么变化。 ①将装置A 内混合物加温至40℃______________。
装置
水浴温度(℃) 凝乳时间(min) A
10 ∞不凝固 B
20 7.0 C
30 4.0 D
40 1.5 E
50 4.0 F
60
∞不凝固