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一、实验设计的几个原则 1.单一变量原则 控制其他因素不变，只改变其中一个因素（要研究的因素），观察其对实验结果的影响。遵循单一变量原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。 ⑴变量的种类 ①实验变量（自变量）与反应变量。实验变量是实验中由实验者操纵的因素或条件，而反应变量是指由实验变量而引起的变化结果，二者之间是前因后果的关系。实验的目的就在于获得和解释前因与后果。 例如：关于“温度对唾液淀粉酶水解淀粉的影响”的实验中，“低温(冰块)、适温(37℃)、高温 (沸水)就是实验变量，而这些变量引起的实验变化结果就是反应变量。该实验旨在获得和解释温度变化(实验变量)与酶的活性(反应变量)的因果关系。 ②无关变量与额外变量。无关变量是指实验中除实验变量外的影响实验结果与现象的因素或条件。由无关变量引起的变化结果就叫额外变量。它们也是前因后果的关系。但对实验与反应变量的获得起干扰作用。 例如：上例实验中，除实验变量(温度)外，试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、淀粉浓度、温度处理的时间长短等等就属于无关变量。如无关变量中的任何一个或几个对三组实验不等同、不均衡，就会产生额外变量，影响实验的真实结果。 ⑵变量的控制 控制变量法，是指控制其他因素不变，集中研究其中一个因素的变化，保证实验不受干扰或将干扰因素降低到最低程度。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。 ①操纵实验变量的方法：设法给研究对象施加干扰，造成实验对象的变化，从而使研究对象在被干扰状态中反映出某种现象和属性。方法：施加、改变、去除。 ②检测反应变量的方法：根据实验原理和实验条件确定观察、测量的指标和方法。具体：观察特异性颜色变化、沉淀反应；观察形态结构、生理变化；测量生长发育速度；测量生化反应速度。 ③控制无关变量的方法（平衡控制）：排除因实验对象的个体差异带来的影响；设法创造稳定的维持不变的相同条件进行对照，以抵消或排除这些因素对实验对象的干扰；设法提供适宜条件，以排除不利环境条件对实验对象的影响；重复实验，排除偶然因素的干扰，减少实验误差。 ④对照的方法 对照是实验控制的手段之一，目的还是在于消除无关变量对实验结果的影响。通过设置实验对照对比。既可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。 不论一个实验有几个实验变量，都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中的复杂关系的准则之一。 例如，在验证温度对酶活性的影响的实验中，就必须控制pH值、底物量和酶量的相等，只改变单一变量 —— 温度，观察不同温度下酶活性的差异。遵循单一变量原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。 2．对照性原则 通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组：对照组，也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组。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之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。 在实验中，为了排除无关条件的干扰，常常要设立对照实验。所谓对照实验是指有一个关键条件不同，而其他实验条件都相同的情况下所进行的一组实验，以此了解条件与结果之间的关系，增强实验结论的可靠性。其中，直接用于论证结果的一组称之为实验组，用于对比的一组称之为对照组。 实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法，只有设置对照实验，才能有效地排除其它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。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型： (1)空白对照，即不给对照组做任何处理的对象组；空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。例如，在“唾液淀粉酶催化淀粉”的实验中，实验组滴加了唾液淀粉酶液，而对照组只加了等量的蒸馏水，起空白对照。课本中涉及到的用甲状腺制剂饲喂蝌蚪与正常情况下蝌蚪不作任何处理对照就属于空白对照；在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。其中甲为 组，乙为 组，且乙为典型的 对照。 (2)条件对照，即虽给对照组施以部分实验因素，但不是所研究的实验处理因素，而这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。这种对照方法是指不论实验组还是对照组的对象都作不同条件的处理，目的是通过得出两种相对立的结论，以验证实验结论的正确性。例如，在“动物激素饲喂小动物”的实验中，采用等组实验法，甲组：饲喂甲状腺激素( 组)；乙组：饲喂甲状腺抑制剂( 组)；丙组：不饲喂药剂( 对照组)；显然，乙组为 对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照、更能充分说明实验变量——甲状腺激素能促进动物的生长发育。显然，通过条件对照．实验说服力大大提高。 (3)自身对照，指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不再另外设置对照组； 例如，“质壁分离与复原”实验，自身对照简便，但关键要看清楚实验处理前后的现象及变化差异。课本中涉及到将过氧化氢酶加入H202液中说明酶是生物催化剂，则属于自身对照； 自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。 (4)相互对照，不单独设置对照组，而是几个实验相互为对照。这种方法常用于等组实验中。“植物向光性”实验中，利用若于组燕麦胚芽的不同条件处理的实验组之间的对照，说明了生长素与植物生长弯曲的关系。 证明玉米根的生长方向与地心引力的关系实验中不同方向放置的玉米种子之间则属于相互对照。光合作用中研究生成的氧气中的氧来自与水还是二氧化碳的实验. 如何设置对照实验呢？所谓对照实验是指除所控因素外其它条件与被对照实验完全相等的实验。对照实验设置的正确与否，关键就在于如何尽量去保证“其它条件（即无关变量）的完全相等”。具体来说有如下四个方面： ①所有用生物材料要相同 即所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面特点要尽量相同或至少大致相同。 ②所用实验器具要相同：即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。 ③所用实验试齐要相同：即试剂的成分、浓度、体积要相同。尤其要注意体积上等量的问题。 ④所用处理方法要相同：如：保温或冷却：光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。有时尽管某种处理对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但最好还是要作同样的处理。 3. 科学性原则 指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，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. 4．可行性原则：在实验设计时，从原理、实验实施到实验结果的产生，都实际可行。 5．简便性原则：实验设计时，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。 6．平行重复原则：在实验设计中为了避免实验结果的偶然性，必须对所做实验在同样条件下进行足够次数的重复，不能只进行1-2次便得出结论，重复、对照、随机是保证实验结果准确的三大原则。任何实验都必须有足够的实验次数才能判断结果的可靠性，设计实验只能进行一次而无法重复就得出“正式结论”是草率的。 7．安全性原则：实验方案的实施要安全可靠，不会对人或器材造成危害，设计实验时应尽可能避免使用有毒药品和一定危险性的实验操作 例：比较两组分析结论：下表数据是甲、乙、丙、丁四种不同的树苗在不同溶液中的生长结果，其中受N、P元素影响最大的树苗是（ ）
A、甲 B、乙 C、丙 D、丁 二、 实验设计的基本内容 实验名称：是关于一个什么内容的实验。 实验目的：要探究或者验证的某一事实。 实验原理：进行实验依据的科学道理。 实验对象：进行实验的主要对象。 实验条件：完成该实验必需的仪器、设备、药品条件。 实验方法与步骤：实验采用的方法及必需操作程序。 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的记录。 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。 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。 三、 实验设计的解题思路（步骤）、模式 第一：应认真研究实验课题，找出其中的实验变量和反应变量，理解题目已知条件所隐含的意义、实验目的、实验原理及实验要求的基本条件。确定实验的类型（验证型或探究型）和组数并作出假设。所谓假设，就是对可见现象提出一种可以检测的解释，提出假设后应寻找证据，如果符合事实则假设成立。假设实际上是对所提出的问题所作出的参考答案。在检测假设之间，常先提出实验的预期结果，如果预期没有实现，则假设不成立。一般来说假设的形成可分为两步：首先依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过发散性思维，提出涵盖各种可能的初步假定；之后，依据假定进行推理、排除并综合分析，得出具体的假定性结论。例如：“动物激素饲喂小动物的实验”，其假说是：“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”，假定性结论是“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪，生长发育加速”。 第二，充分利用所给器材和试剂，构思实验变量的控制方法和实验结果的捕获方法。—般情况下，题目中所指定的器材、试剂，任何一种都应在实验的相关步骤中出现，避免遗漏或自行增加某种器材或试剂。精心策划实验方法、严格设计实验过程、合理设置对照或变量，并引入科学的测量方法 第三，最后再选择适宜的实验材料(实验对象)，在注意实验步骤关联性的前提下表述实验步骤，并从不同的角度分析实验结果，得出相应的结论。 流程图如下：
实验的步骤中应表述的要点 (1)控制变量 A、控制无关变量 实验分组(编号)：随机大样本材料分组、实验器械分组。设置对照组：其它条件相同，适宜条件下进行实验 B、操纵实验变量 (2)检测反应变量 解题模式： 1、将相关的实验材料、用具等平均分组并编号；（在这里实验材料包含实验中用到的各种动植物，取材时要注意数量和生理及发育状态相同；用具有烧杯、培养皿，饲养动物的容器等等。这些材料用具在试题中都会给出，注意要结合实验的目的、原理合理利用。） 2、根据实验变量设置对照（注意：单一因素不同；其他因素相同且最适）； 3、观察并记录实验数据和现象（结合题意找出具体的观察和记录对象）。 [例题]蝌蚪在发育过程中，前后肢的伸出、头部形态的改变、尾部的消失、体形的变化等，都受甲状腺激素的影响。请根据实验材料设计实验，验证甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。 实验材料：15只同时孵化的蝌蚪（体长均为15mm），三个相同的玻璃缸，培养皿、小网、坐标纸（1mm╳1mm）、饲料、甲状腺激素、甲状腺抑制剂、清水。 实验步骤：1．将15只同时孵化的同种蝌蚪（体长均为15mm），随机分为3组（每组5条），分别放入3个相同的玻璃缸中，加入等量的清水，分别编号为1、2、3号。 2．1号中加入甲状腺激素5mg，2号中加入甲状腺抑制剂5mg，3号中不加任何药物。向1号、2号玻璃缸中连续投药7天，每天一次，药量相同。 3．将3组蝌蚪在适宜的相同饲料、温度的条件下培养。 4．实验期间，每天按时观察1次，观察时用小网将蝌蚪捞出，放在培养皿中，再将培养皿放在坐标纸上，观察并测量蝌蚪的体长，观察前肢、后肢和尾的变化，并记录。 思考：找出实验中的实验变量 反应变量 无关变量 实验中采用了哪些对照方法 通过哪些具体的方法消除无关变量对实验结果的影响___________ 四、实验设计应注意的问题 1、在掌握实验目的(即需要验证的生物学事实)、原理的基础上确定实验方法。 2、严格遵循实验设计的基本原则，准确设置对照或变量。 3、注意实验程序的科学性、合理性。 4、对实验现象进行准确的观察、测量、记录。 5、合理地设计操作过程 基本的实验方法选定以后，紧接着就要编定具体的操作细节，这些操作细节的设计要合理规范、切实可行，否则也会造成很大的失分。如： ①从动物体内取血，是从臀大肌中抽取，还是从血管中抽取？取血前是否要用酒精棉球对取血部位进行消毒？ ②向淀粉糊中加了唾液后是否要振荡试管呢？ ③酶促反应的试管如何加热？是直接加热，还是水浴保温？ ④在用酒精溶解叶中叶绿素时，酒精要加热，是直接加热，还是隔水加热？ ⑤使甲状腺制剂、胰岛素、生长激素进入动物体内的方法应如何操作？是饲喂，还是注射？ ⑥不同的情况下要合理地选用不同的水。如：清水、池水、凉开水、蒸馏水、生理盐水。……等等 6.实验材料在数量上要尽可能多的选取，记录数据时取其平均值以减少实验误差。 7.在记录实验数据时，要学会设计数据表格或以坐标图的形式现示实验数据。 8.注意吸取物理、化学中相关实验原理，如：（物理）多次测量取平均值，（化学）实验前检查装置气密性等。 9、实验结论的表述 （1）现象→分析→结论（由特殊上升到一般的提炼归纳过程） （2）两种表述句式： A．验证性实验：因为（现象）说明（分析原因）证明（结论） B．探究性实验：如果（现象）那么说明（结论） 10、简明地组织语言文字 ①步骤设计一般不宜连续描述，往往需要分段叙说，并加以编号。 ②试管（或烧杯，水槽等）要加以编号，如A、B或甲、乙等等，这样可使叙说简洁一些。 ③叙说中尽量要用规范的实验术语，不能用含糊的口语，如：“盖玻片”不能说是“薄的玻璃片”；“等量的”不宜说成“一样多的”；“振荡”不宜说成“晃动”“摇动”等等。 ④准确地预测实验结果，实验设计的最后往往还需要预测实验结果，在结果预测上要全面，准确。而在这一环节上，学生往往会出现各种各样的错误。例如： A．测交结果预测，除了全黑，有白有黑外，还有全白。 B．加碘后，“不变蓝”不等于“无色”或“没有颜色变化”；另外“不变”也不能说成“无现象”。 C．用亚甲基蓝做菌量检测时，不能把“褪色”说成“无色”。 D．在验证甲状腺激素对促进幼小动物发育的作用时，不能把“发育”说成“生长”。能够预测可能出现的实验结果及其导致原因，并能够得出科学的实验结论。 E．研究光对种子萌发的影响时 把“有无光照”说成“阳光”“阴暗 f．常用的表达词汇：适量、适宜、适应、等、相同、等量、各、分别、显著差异、一段时间 11、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： 1．实验名称：观察马铃薯条的渗透吸水与渗透失水现象。 2．实验目的：验证成熟植物细胞的渗透作用。 3．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。 4．实验对象：新鲜马铃薯条。 5．实验条件：0.3g/L -1 蔗糖溶液、蒸馏水、大试管、有刻度的小烧杯、刀片、镊子等。 6．实验类型： 型7．实验组数： 组 8．实验变量： .实验变量控制：______ 9．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。 10．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。 11．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。 12．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 五、实验基础知识[方法归纳总结] （一）制片技术——制片法 2.制片法：中学常用的四种制片法是石蜡切片法（如制作植物茎横断面的切片），涂片法（如制作细菌、酵母菌、口腔上皮细胞临时装片），压片法（洋葱根尖有丝分裂、观察早期花蕾花粉母细胞、洋葱鳞片叶表皮等临时装片的制作），徒手切片法（如桂花叶片横切） （二）染色及染色剂：染色的目的在于使生物组织和细胞受染色剂的作用（化学反应或主动吸收等），其各部分结构能清楚的显示出来，便于显微镜下识别和分析研究。 1.染料及染色剂 （2）染色剂：染料溶解在溶剂中而成的溶液。如碘液、醋酸洋红液、龙胆紫溶液、亚甲基蓝溶液、红墨水等。 2.染色方法：根据材料是活的还是死的分为活体或半活体染色（如0.01%亚甲基蓝溶液对根染色——根对离子的交换吸附实验、碘液对口腔上皮细胞的染色等）及死体染色（如根尖有丝分裂实验中龙胆紫溶液对已解离的根尖的染色）。 3.生物实验中常用的溶液：水、酒精、丙酮、汽油等。 4.介绍几种制剂的作用 （1）2，4-D生长素类似物：有双重性，低浓度促进生长；高浓度抑制生长；培育无籽果实。 （2）10-4M的秋水仙素：a.诱发基因突变。b.使染色体加倍，培育多倍体。c. 单倍体育种，培育纯种。 （3）0.9%生理盐水（维持红细胞、口腔上皮细胞形态），10%KNO3溶液（植物细胞质壁分离和自动复原），5%CaCl2溶液和0.01%亚甲基蓝溶液（根对离子的交换吸附），15%盐酸溶液（对根尖解离），丙酮、酒精（溶解色素），层析液（分离色素），龙胆紫溶液、醋酸洋红液（根尖细胞染色体染色），30%蔗糖溶液（植物细胞质壁分离和复原） （4）紫外线：一定剂量作为能量、保温，高剂量导致细胞基因突变。 |
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