逍遥学能 2014-09-25 18:07
摘 要 所谓实验设计，就是要求学生分析实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计实验数据的处理方法及分析实验现象。它包括设计实验方案、设计实验步骤、设计实验改进方法等。实验设计，主要考查学生是否理解实验原理，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情境下迁移知识的能力。
关键词 实验设计题 解题方法 探究性实验 验证性实验
实验设计题注重对学生生物实验能力的考查，包括实验思想、实验方法、实验原理、实验基本技能和实验分析表述等。实验性试题特别是新实验设计题具有良好的区分度，能够全面考查学生对相关知识的理解、迁移和综合运用能力以及语言组织能力，更能充分发挥学生的创新意识与体现学生的能力水平。因此可以预料，设计性实验题将成为今后高考实验命题的主要题型。下面介绍实验设计试题的一般解题方法与策略。
1 了解题目要求
解题先要认真审题，找到关键词，才能明确题意并少走弯路。首先要明确这是探究性实验还是验证性实验，其次要明确该实验的实验目的，即要探究或验证的“生物事实”是什么？或者是此“生物事实”的哪一方面？
2 分析实验原理
明确实验目的后，要分析该实验依据的科学原理是什么？涉及了生物学及一些相关学科的哪些方法和原理？实验基本原理是设计性实验的基础，要研究实验，只有明确实验的原理，才能真正掌握实验的关键、操作的要点，进而进行实验的设计、改造和创新。实验原理一方面可来源于题干，另一方面也可来源于课本中的相关知识，即可通过解读题干或联想课本相关知识来获取实验原理。如“探究酶活性与温度的关系”实验的实验原理为：淀粉遇碘变蓝，淀粉酶可催化淀粉水解为麦芽糖，麦芽糖遇碘不变蓝。
3 明确实验变量
变量是指实验中由实验者所操纵的因素或条件，据其在实验中的作用，可分为实验变量与反应变量、无关变量与额外变量两类。
3．1 实验变量与反应变量
实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，也称因变量，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。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如，在“探究温度对酶活性的实验”中，所给定的低温、适温、高温就是实验变量，而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于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。
3．2 无关变量与额外变量
无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验结果的因素或条件。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量而引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量有干扰作用。例如，上述实验中实验变量（低温、适温、高温）以外，试管的洁净程度、唾液的新鲜程度、可溶性淀粉的纯度、试剂溶液的剂量、实验操作程度、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、高温三组实验是等同、均衡、稳定的。如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对三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，或减少额外变量，以减少误差。
4 分析实验材料用具，明确实验条件
4．1 生物实验题中已提供实验材料和用具
根据实验所提出的问题和要求，认真分析题中所提供的器材在实验中有什么作用？应该怎么用？在该实验中是否必须用到？都应作好充分的考虑。
通常题中给出的实验材料和试剂一般应充分利用，另外除非题目允许，否则自己不能随意增加试剂和材料。如果题中明确地说明了从题中所提供的器材中选取所需的进行实验，就要准确地判断和选取实验所需的用具和材料，防止少用或多用。其实这也相当于隐含条件，只要你分析判断准确，在实验设计时就不会有所遗漏。
4．2 自行确定实验材料和用具
这类题型看似灵活，实则更能把握。实验器材使用要科学、恰当，并且效果要好，这就需要根据实验步骤与要求等，联系相关的生物学原理，迁移运用教材相关实验中的实验用具，选择好器材才能准确地设计好实验。
5 设计实验步骤
了解生物实验的一般步骤，是快速作答的捷径。尽管不同的生物实验，根据其实验内容和实验进程可分为简繁不一的若干步骤，但大多数常规实验可按照下列步骤进行设计：
第一步：实验分组
也称为实验组装，即选取题干提供的实验材料用具，对实验对象进行平均分组（分为实验组与对照组）并编号，注意相应的无关变量（如实验对象的大小或体重、个体数量、长势或健康状况等）要保持一致。一般可采用以下表述形式：选择长势相同、大小相似的同种植物随机等量（平均）分组，分别编号为甲、乙、丙；或选择年龄、体重（性别）、健康状况相同的某种动物随机等量（平均）分组，分别编号为1、2、3。
第二步：设置对照
对实验组与对照组进行不同处理，即实验条件（实验变量）要不同。要注意尽量实验能体现“单一变量”的词语，如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。
第三步：相同处理
将实验组与对照组置于相同的适宜环境条件下处理一段时间，即让无关变量保持一致，以免产生额外变量。这一步也可分散穿插在其他各个步骤中。
第四步：观察记录
观察描述实验现象与结果，或收集记录实验数据。因变量可能有多种具体的指标，因此观察和记录因变量时应选择其中合适的一种，要求能较好反映与实验变量之间的关系，并易于观察和测定。常用的关键词有“……一段时间后（或定时）观察（或测定）……，做好记录（并计算出平均值”等。
这是实验步骤的一般设计模式，由于实验设计是一种开放性试题，可能存在多种实验步骤和方法，这要看题目的具体要求而定，如有的实验中第一步和第二步可进行调换，也有的实验中没有第一步中的相关处理，分组与编号也与第二步合并在一起。无论如何，实验设计时一定要遵循实验设计的基本原则，最好要分析每一个环节之间的关联性，或几个相关实验的延续性，安排实验的最佳程序，防止实验步骤不严密、不科学。
6 预测实验结果与结论
实验结果是由实验变量而引起的变化，实验结论是根据实验结果作出的一种推论。根据实验原理及记录下来的实验现象与数据，进行分析整理，预测实验结果与结论。科学的结果与结论和实验现象之间要符合科学逻辑，符合生物学原理。预测实验结果与结论又可分为两种情况来分析：
一是探究性实验。探究性实验是指在假设的指引下，获取支持假说或推翻假说的信息的一类实验。这类实验的实验前并不知道实验结果，实验过程在于努力探索实验结论，重在实验过程的探究，实验目的在于培养实验人员的独立探索、观察能力和科学思维方法，提高科学素养，因而探究性实验的实验结果与结论是未知的，实验前需对实验结果进行预测，并分析出现该结果的原因，预测实验结果不唯一，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。预期实验结果时的表述方式为“若……（注：接预期的实验现象），则说明……（注：接预期的实验结论）”。
二是验证性实验。验证性实验是在一个设计完整的实验框架下来验证、检测实验结果能否达到实验原理所描述的结论的一类实验。这类实验的实验前已经知道了实验结果，实验过程在于努力获取预期的实验结论，重在实验结果的获得，实验目的在于使实验人员能了解该实验的操作方法、步骤，以达到熟悉生物所固有的实验现象特征。因而验证性实验的实验结果是唯一的，即实验原理所描述的结果，预期实验结果时的表述方式为“A组……（注：接实验现象）”、“B组（注：接实验现象）”。
7 注意事项
进行实验设计过程中应注意实验选材的合理性，如：所选材料应有利于实验现象的观察：如可溶性还原糖的鉴定中应选择“白色或近白色”的材料；所选材料应容易获得，尽可能选择无明显季节性、地域性的材料；所选材料应价格便宜。注意操作细节的合理性，如溶液或培养基灭菌后是否要冷却后使用？酶促反应的试管如何加热？是直接加热，还是水浴加温？用酒精溶解叶中叶绿素时，酒精直接或隔水加热？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。实验中若要使用有毒物质，应怎么使用？使甲状腺激素、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？同时还要注意操作顺序的合理性和实验方案的可操作性等。这些在实验设计前都应充分地考虑，才能准确、完整地设计好实验。
以上只是解答一般综合实验设计题的思考方法。在解题过程中，应根据题目的具体要求，做出最合理的答案。
8 例题赏析
8．1 探究性实验
某实验小组要对“低温是否会影响物质的跨膜运输”进行实验探究，设计了如下实验。
实验步骤：?
第一步：组装渗透装置两套，分别编号为1、2。
第二步：在两组烧杯中分别加入等量的水，在长颈漏斗中分别加入等量的同一浓度的蔗糖溶液，保持管内外液面高度相等。
第三步：对两组装置进行不同处理：1组用水浴锅加热至37℃，2组的烧杯外加冰块降温。
第四步：两组装置同时开始实验，几分钟后观察记录漏斗的液面刻度变化。
请分析回答下列问题：?
（1）本实验是通过测定水分子通过膜的扩散即 作用速率来进行探究的。
（2）此实验的自变量是 ；为了直观地表示相对速率，用 作为因变量。
（3）该实验可能的结果与结论是：?
①若1组漏斗液面比2组高，则说明 。
② 。
③ 。
（4）如果上述实验结果证明了“低温能影响物质跨膜运输的速率”，那么对于生物活细胞来讲，产生这种情况的原因是：?
① 。
② 。
答案：（1）渗透
（2）渗透系统所处的不同温度环境 漏斗液面高度的变化?
（3）①低温会影响物质的跨膜运输且运输速率减慢；②若2组漏斗的液面比1组高，则说明低温会影响物质的跨膜运输且运输速率加快；③若1、2组漏斗的液面高度相同，则说明温度高低并不影响物质的跨膜运输?
（4）①低温会影响细胞膜的流动性，从而影响其功能；②低温会影响酶的活性，从而影响细胞呼吸释放能量的过程。
解析：本实验属于探究性实验，关键是对实验结果的预测。该实验是通过处于不同温度条件的渗透系统中漏斗液面高度的变化，探究温度对物质跨膜运输的影响，因此实验的自变量应该是渗透系统所处的不同温度环境，因变量是漏斗内液面高度的变化。由于实验目的是探究“低温是否会影响物质的跨膜运输”，所以，有可能影响，也可能不影响。如影响，则又分低温能促进渗透和抑制渗透两种情况；如没有影响，则两组的液柱高度一致。分析低温影响活细胞跨膜运输的原因时，应从跨膜运输的方式入手，跨膜运输与膜的流动性有关，另外主动运输和胞吞、胞吐还需要消耗细胞呼吸释放的能量，从而找到解答该题的突破口。
8．2 验证性实验
为验证适宜浓度的生长素通过促进细胞分泌H＋，进而促进细胞伸长，有人设计了如下实验。请在实验方案中的空格中补上适当的内容并回答问题。
（一）实验方案：
（1）实验材料与药品：10－5mol／L生长素溶液、pH分别为5．0、9．0的缓冲液、黑暗中萌发的小麦种子若干、镊子、刀片、刻度尺、培养皿等。
（2）实验步骤：
①材料处理：选择在黑暗中萌发的 的小麦种子若干，用镊子取其胚芽鞘并切掉尖端，平均分成三组。
②将平均分组的胚芽鞘放入编号为1、2、3的培养皿中，加等量的不同试剂，置于相同且适宜的温度下培养。
③一定时间后 ，并进行若干次重复实验，记录结果。
（3）实验结果：
组别
处理方法
结果
1
10只胚芽鞘＋10-5mol／L生长素溶液
2
胚芽鞘生长不明显
3
10只胚芽鞘＋pH为5．0的缓冲液
胚芽鞘生长明显
（二）问题：
（1）步骤①中切除胚芽鞘尖端的目的是 。
（2）步骤③中重复实验的目的是 ，其他步骤中还有哪些措施也是为了达到这一目的？ 。
答案：（一）（2）①生长状况一致 ③测量并统计各组胚芽鞘的平均长度
（3）
组别
处理方法
结果
1
胚芽鞘生长明显
2
10只胚芽鞘＋10-5mol／L生长素溶液＋pH为9．0的缓冲液
3
（二）（1）排除胚芽鞘尖端产生的生长素对实验的干扰
（2）减小实验误差（一次实验的偶然性太大） 选择生长一致的幼苗、平均分组、置于相同且适宜的温度下培养、测量并统计各组胚芽鞘的平均长度。
解析：本实验属于验证性实验，目的是验证适宜浓度的生长素通过促进细胞分泌H+，从而促进细胞伸长。所以实验设置中要有一组用10-5mol／L生长素溶液处理胚芽鞘，即第1组，另外还要用pH分别为5．0、9．0的缓冲液处理胚芽鞘，即第3组和第2组。如果第1组与含有H+的第3组实验结果一致，即胚芽鞘生长明显，则有可能是H+发挥了促进作用，但是不能肯定是H+发挥的促进作用。若通过第2组实验证明在碱性（无H+）条件下胚芽鞘生长不明显这个事实，则可说明是H+发挥了促进胚芽鞘生长的作用，从而得出第1组生长素促进生长的原因与第3组一致：含H+。