怎样对待生物实验设计题

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  实验设计不是教材实验的简单再现,它来源于教材又与教材有别,体现了“源于教材,高于教材”的命题。
  
  一、考纲要求:
  
  1.理解所学实验实习的内容,包括实验目的、原理、方法和操作步骤,掌握相关的操作技能。
  2. 具备验证相关生物学事实的能力,并能对实验现象和结果进行解释、分析和处理。
  3.能对一些生物学问题进行初步的探究性研究。
  
  二、实验设计的一般思路可概括为:
  
  明确实验目的→弄清实验的原理及相关的知识点→确立完成实验的关键条件→考虑每一材料用具可能的作用→设计实验方案(①实验步骤或实验装置图;②观察记录实验结果:③分析讨论,得出结论)。
  
  三、如何解答高考生物实验设计题
  
  1运用科学原理指导实验
  解生物实验设计题时,一定要认真审题。在审题中最关键的是要明确实现本实验目的的科学原理。弄清该题要验证或探究的是什么样的生物学事实。即明确实验要解决什么问题。一般在题干中有“验证……”、“证明……”、“探究……”,其后内容就是实验的目的。有些实验需要对其去粗取精,提炼要点.然后写出实验原理: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。对所学知识运用要求较高,这是完成实验设计题目的的关键。
  要使实验设计得科学,力求无懈可击,在设计实验时必须遵循以下几个原则:
  (1)设置对照原则(2)单因子变量原则(3)大样本原则
  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。
  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对等的实验。对照实验设置的正确与否,关键就在于如何尽量去保证“其它条件的完全对等”。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所用实验试剂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。
  例如:为了证明土壤中的微生物能分解农药,必须将土壤分为两等份,装入两个大小相同的容器,一个高温灭菌,一个不做处理,造成一个容器中的土壤中无生活的微生物,一个容器中的土壤中有生活的微生物。然后进行实验,才能说明问题。这就是设置对照原则。
  在进行此实验时,让两个容器中的土壤在一切其他条件都相同的情况下进行实验,惟独不同的只是一个容器中的土壤中有微生物,一个容器中的土壤中无微生物,有无微生物就成了这一实验的单因子变量。这就是单因子变量原则。
  在进行此实验时,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。让这几组实验装置在相同条件下同时进行,这就是平行重复原则。
  2、准确地运用实验材料支持实验
  选材应保持条件相同(如:日龄相同、体重相近的雄性成年大白鼠)还应讲究,否则将不能支持你的实验结论。
  如:想证明微生物的营养要素必须有氮源。我们需做一个对照实验:一个培养基中加入氮素,一个不含氮素。于是为你提供两种实验材料,一是NH4NO3、一是人尿。这时你不能认为人尿来的容易,又含有尿素等含氮的有机物,就用人尿作氮源。因为人尿中还含有无机盐等多种成分。说明不了本实验的结论。
  3、选定最优程序进行实验
  在明确了实验目的,明确了实验原理,选准实验材料,遵循实验原则后,就应该编制具体的操作细节,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,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。
  ⑦后面步骤中要用到的东西,如果题目没有给出,则必须在前面的步骤中准备好,如实验中要用蔗糖液,题目中只给出蔗糖,则就要先配制好蔗糖液;题目中如给的是配好的蔗糖液,则不能再配制了。……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:
  ①测交结果预测,除了全黑,有白有黑外,还有全白。
  ②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”。
  ③用亚甲基蓝做菌量检测时,不能把“褪色”说成“无色”。
  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。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。
  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。
  5、答题时讲究用词科学、准确
  有了如上所述的基本素质,最终还要通过完美的回答来展示自己的能力。答题时关键是用词上讲究科学、准确,简明地组织语言文字。如:
  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。
  四、典型例题解析:
  【例1】为证实“二氧化碳是光合作用合成有机物必需的原料”,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用一适当大小的玻璃罩罩住一株生长正常的盆栽绿色植物和一杯NaOH溶液,密封不漏气。
  ②将上述植物及装置放在暗室中进行饥饿处理,消耗掉叶片内贮藏的有机物。暗室内装有红色安全灯。
  ③饥饿处理一定时间后,自暗室中取出,照光若干小时,使其充分进行光合作用。
  ④取一叶片,放人盛有酒精的烧杯中,水浴加热,使叶绿素溶于酒精中。
  ⑤将已脱绿的叶片取出,平铺在一个培养皿中,用碘液,检测有无葡萄糖的特异颜色反应出现。该实验方案有几项明显错误,请指出错误并改正。
  【解析】诊断错因:忽视了平时的生物实验操作和训练。正确思路:①实验中无对照实验;②实验中不能用红色安全灯,因为色素能够吸收红光,进行光合作用,影响实验结果;③淀粉遇碘变蓝是淀粉等特有的颜色反应,而不是葡萄糖的颜色反应。鉴定还原糖(葡萄糖)的存在应用的试剂是班氏试剂。正确答案是:
  (1)实验步骤②中暗室内用“红色安全灯”是错误的,应改为绿色安全灯(此项不改,仅在对照中提到也给分);(2)实验步骤⑤中的“葡萄糖”是错误的,改为淀粉;(3)未设对照。对照的作法是:a.装置同题干中的步骤①,但玻璃罩内用同一种生长状况相同的另一株植物代替题干中的植物;用一杯清水代替NaOH溶液。b.将上述植物及装置放在暗室中饥饿,消耗掉叶片内贮藏的有机物。暗室内装有绿色安全灯。c.重复题干中的步骤③、④。d.重复改正后的题干中的步骤⑤。
  需要注意的是:对于实验分析要求从以下几个方面进行:①科学性和严谨性。主要指实验设计必须有充分的科学依据,在某些实验中要有对照实验。②实验条件的一致性和可重复性。在实验中除要设计的变量外,其他条件都要一致,并且一个实验不能只看一次的结果,必须有足够的实验次数,才能判断出实验结果的可靠性。③实验器材的选择。实验中材料用具的选择是非常重要的,要根据实验所提出的问题和要求,联系命题者所提供的器材,准确判断和筛选实验所需的用具及材料。④准确表达实验结果和进行数据处理。
  【例2】已知纯种的粳稻与糯稻杂交,F1全为粳稻。粳稻中含直链淀粉遇碘呈蓝黑色(其花粉粒的颜色反应也相同),糯稻含支链淀粉,遇碘呈红褐色(其花粉粒的颜色反应也相同)。现有一批纯种粳稻和糯稻,以及一些碘液。请设计两种方案来验证基因的分离规律。(实验过程中可自由取用必要实验器材。基因用M和m表示)。
  
  【解析】方案一:采用测交法加以验证。(1)首先让纯合的粳稻与糯稻杂交,获取F1杂合粳稻。(2)让F1杂合粳稻与糯稻测交,观察后代性状分离现象。实验预期现象为测交后代应出现两种不同表现类型且比例为1:1。依据测交使用的糯稻为纯合体只产生一种含糯性基因的配子,后代既然出现两种表现型,粳稻(含M)和糯稻(含m,且为mm纯合),则F1必然产生两种类型配子,即M和m。由此可见,n中必然含有M和m基因,且M和m这对等位基因在n产生配子的过程中必定随同源染色体的分开而分离,最终产生了两种不同的配子,从而验证了基因的分离规律。
  方案二:运用F1花粉鉴定法。(1)首先让纯种粳稻和糯稻杂交,获取F1杂合粳稻,(2)F1开花时取其一个成熟花药,挤出花粉,置于载玻片上,滴一滴碘液并用显微镜观察。实验的现象为花粉一半呈蓝黑色,一半呈红褐色。实验现象说明F1在产生配子的过程中产生了一种含M基因的配子(蓝黑色)和一种含m基因的配子(呈红褐色)。由此说明,F1在减数分裂产生配子的过程中所含等位基因M和m随同源染色体的分开而分离,并最终形成了两种不同的配子,从而直接验证了基因的分离规律。
  本实验要求用两种方案来验证基因的分离规律。学生容易想到上述的第二个实验方案,而对孟德尔的测交实验方法不会应用于实际。可能认为是课本上讲的,没有与生产、实验相联系。
  【例3】假如在你的前面有A、B、C三个水样,它们是经过如下处理获得的:
  第一步,从泛着绿色的池塘中取水,静置4小时,倒去上清液,留下藻类。再加清水,静置4小时,再倒去上清液,留下藻类。重复3次。最后加水至900mL。
  第二步,将900mL藻液搅拌均匀,分别倒人3只300mL烧杯中继续培养。A烧杯中加入0.3克洗衣粉和0.3克尿素:B烧杯中加入0.3克尿素:C烧杯中不加任何物质。
  第三步,在向阳的窗台上培养5天,得到水样A、B、C。
  根据上述前处理过程回答如下问题:
  (1)如何通过实验大致计算出3个水样中绿藻的密度大小?
  (2)前处理过程中第一步处理的目的是什么?
  (3)如果已知洗衣粉中含有一定量的磷,你的检测结果可以说明什么问题?
  (4)上述实验不能证实氮也是藻类大量繁殖和生长的重要元素,如何修改上述实验过程来证实氮也是藻类大量繁殖和生长所需要的重要元素之一?
  (5)池塘中藻类大量繁殖和生长称为“水质富营养化”。大多数远离城市的天然池塘,施入一定的氮肥,常常不能引起池塘水质富营养化:而施入一定的磷肥后,很快就能引起池塘营养化。上述实验的合理解释你认为可能是什么?
  【解析】(1)镜检后求其平均值,再比较或用计数板计数后比较。(2)使水质贫营养化,消除原池塘水中的矿质元素对实验的影响便于以后的实验比较。(3)P是藻类的必需元素,也是水质富营养化的原因之一。
  (4)加设一烧杯,其中的藻液中只加洗衣粉,而不加尿素。(5)天然池塘中可能富含固氮的菌和蓝藻等,或因农田中使用氮肥后被雨水冲刷而流人池塘水体中使水体中化合态氮的量较为丰富,因而P就成为制约因素。
  本实验通过比较分析不同情况下的水质营养化问题,弄清了N、P的来源及对水生植物的不同作用就能较准确地做出答案。
  (审稿:郑春和编校:朱旭)
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