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如何科学地进行生物实验设计解读
如何科学地进行生物实验设计
   实验能力是"教学大纲"要求学生掌握的一项基本能力。就是能使用恰当的方法验证简单的生物学事实，并对结果进行解释和分析。此能力要求包括两方面的内容：一是能够设计简单的实验，验证简单的生物学事实；二是能对实验现象、实验结果作出正确的解释和分析。
    实验能力也是高考"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。用理、化、生三科实验中所学的知识去解决实际问题。实验所占比分为30%（基本不变，也可能在25%左右）。
    实验设计是较高的能力要求，除要具备一定的知识基础外，还需要具有一定的创造能力。所设计的实验是建立在科学的基础上的，还应具有一定的观察和发现问题的能力。要提高这方面的能力，必须改变过去"背实验"的方法，亲自动手做实验，熟悉实验的操作步骤，弄清实验的原理，能运用所学知识对实验现象进行分析，以此来验证或探究某一结论。只有这样，才能促进实验能力的提高，促进科学思维的形成和发展，才能真正对实验的知识、内容进行举一反三。
    1 实验设计的基本内容
    1.1 实验名称 是关于一个什么内容的实验。
    1.2 实验目的 要探究或者验证的某一事实。
    1.3 实验原理 进行实验依据的科学道理。
    1.4 实验对象 进行实验的主要对象。
    1.5 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。
    1.6 实验方法与步骤 实验采用的方法与必需（最佳）操作程序。每一步骤都必须是科学的；能急时对仪器、步骤进行有效矫正。
    1.7 实验测量与记录 对实验过程与结果应有科学的测量手段与准确客观的记录。
    1.8 实验结果预测与分析 能够预测可能出现的实验结果并分析导致的原因。
    1.9 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 理科实验设计的三个原则
    2.1 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，包括3类：空白对照/相互对照/自身对照。具备可重复性。
    2.2等量性原则--每次实验所加试剂的量要相等。
    2.3单因子变量的原则。
    3 理科实验设计的4性
    3.1 科学性：这是实验方案设计的首要原则（原理、操作、程序、方法正确）。
    3.2 安全性：尽量避免危险性操作（如果必须使用，要注明，防止环境污染和人身伤害）。
    3.3可行性：实验设计应切实可行，所选取药品、仪器、设备在中学现有实验室内能够完成。
    3.4 简约性：实验方案尽可能简易方便（用药少/步骤少/时间短）。
        总之，a.原理正确，b.效果明显，c.装置简单，d.操作安全（其它正确步骤多一步要扣分）。
    4 实验设计的基本思路
    4.1 明确实验目的、实验原理与实验要求的基本条件；
    4.2 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；
    4.3 能够做到有效预测实验结果、科学描述实验结果，并得出科学的实验结论。
    5 实验设计应注意的问题
    5.1 在掌握实验目的、原理的基础上确定实验方法。
    5.2 严格遵循实验设计的基本原则，准确设置对照或变量。
    5.3 注意实验程序的科学性、合理性。
    5.4 对实验现象进行准确的观察、测量、记录。
    5.5 能够预测可能出现的实验结果与其导致原因，并能够得出科学的实验结论。
    5.6 多分析实验设计的实例。
    6 实验设计的实例分析
    6.1 "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与蒸馏水、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)薯条的长度与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。
    6.2 (广东、河南高考题)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将上述植物与装置放在暗室中饥饿，消耗掉叶片内贮藏的有机物。暗室内装有红色安全灯。
      ③饥饿一定时间后，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。
    误解 对该实验方案的分析片面或缺乏必要的实验分析能力而误答。
    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．将上述植物与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与材料。④准确表达实验结果和进行数据处理。
    6.3 (上海高考题)据药理研究，一种茅草的根内含有降血糖的因子与多种有益于健康的成分，某公司将它开发成一种保健饮料。该产品是否适用于糖尿病患者，生物学兴趣小组的同学以此作为研究课题，请你完成下面的实验鉴定报告。
    (1)实验目的 鉴定一种茅草的根是否含有还原性糖和淀粉。
    (2)实验原理 还原性糖可用            试剂，淀粉可用             试剂来检测。
    (3)实验器材 一种茅草的根、所需试剂、刀片、载玻片、酒精灯、试管夹、火柴、滴管。
    (4)实验步骤：
      ①鉴定还原性糖：                                           。
      ②鉴定淀粉：                                               。
    (5)实验现象                                                  。
    (6)结果分析                                                  。
    (7)在鉴定还原性糖的实验操作中应注意：                          。
    误解 对该实验所涉与的基本实验原理和鉴定糖类物质的方法不熟而造成误答。
    诊断 错因：本题考查实验设计，要求学生设计完成研究某种保健饮料是否适合用于糖尿病患者的实验，并写出实验报告。有些同学实验能力欠缺，实验设计缺乏严谨性和科学性：正确思路：从实验目的可以看出，该实验实际上是鉴定茅草根内是否含有还原性糖和淀粉，联系教材中的有关实验，有无还原性糖可以用班氏试剂鉴定，有无淀粉可用革兰氏碘液鉴定。根据教材中鉴定梨中还原性糖的实验步骤，写出鉴定茅草根中还原性糖的实验操作步骤，注意在将载玻片放在酒精灯火焰上加热时，为防止载玻片因加热不匀而爆裂，应在火焰上来回移动；根据鉴定淀粉的实验步骤，写出鉴定茅草根中淀粉的实验操作步骤。对实验结果进行分析，若有还原性糖、淀粉的存在，回答应出现什么颜色变化。若没有还原性糖、淀粉的存在，将出现什么颜色，从而对实验现象和实验结果进行分析，完成实验报告。
    正确答案是：(2)班氏试剂；革兰氏碘液。(4)①将一种茅草的根切成薄片(或压碎)，放于载玻片上，滴加1～2滴班氏试剂。将载玻片放在酒精灯上加热，观察颜色变化。②将一种茅草的根切成薄片(或压碎)，放于载玻片上，滴加1～2滴革兰氏碘液，观察颜色变化。(5)、(6)学生可以有几种不同的回答，但一定要求观察到的实验现象与结果分析相一致(如：观察到的有红黄色，说明有还原性糖存在；如没有红黄色，说明没有还原性糖存在。如有蓝色或蓝紫色出现，说明有淀粉存在；如没有蓝色或蓝紫色出现，说明没有淀粉存在) 。(7)载玻片在火焰上加热时要来回移动，以免加热不匀而爆裂。
    6.4 现有如下材料：3支试管(编号分别是A、B、C)、淀粉、碘液以与将温度控制在37℃、O℃和100℃的3个水浴锅。
    (1)请根据以上提供的材料与条件，写出实验的步骤3与其以后的实验步骤，以证明温度对酶的催化活性的影响。
    实验步骤：
    步骤1：制备5ml淀粉溶液并冷却至常温。
    步骤2：收取唾液若干。
    步骤3：
    ……
    (2)写出实验的结果：                                    。
    (3)分析实验结果：                                      。
    误解 对实验的无关变量的控制考虑不足，从而影响实验结果而出错。
    诊断 错因：本题同样涉与实验设计，但给出了具体的材料与条件，要求设计实验操作的步骤，并预期结果，分析原因。有些同学对实验步骤的严密性和合理性把握不够，从而导致步骤不全或叙述不确切。正确思路：首先明确本实验的原理是"温度能影响酶的活性"。实验条件分别给出了3组不同的温度，所给的试管也是3支，因此在设计对照实验时显然该设计为3组实验，利用温度分别为37℃、O℃和100℃的环境条件。
    正确答案是：(1)步骤3：取3支试管各加入2mL可溶性淀粉；步骤4：将A、B、C3支试管分别放置于37℃、O℃和100℃的水浴锅中，维持lOmin；步骤5：各加入1mL新鲜唾液，摇匀后，保持各自温度lOmin；步骤6：各加1滴碘液检验，观察溶液颜色变化。(2)A试管不变蓝。B、C试管均变蓝。(3)A试管所处温度条件适于酶的活性发挥，淀粉被唾液淀粉酶分解成麦芽糖，后者遇碘液不变蓝。B、C试管所处温度过低或过高，酶无催化活性或丧失活性，淀粉不被分解，遇碘液变蓝。说明酶的催化作用应具备适宜的温度。
    7 【练习1】某同学由温度能影响酶的活性联想到温度能否影响甲状腺素的活性。为了探索这一问题，他做了一个实验。在实验步骤(1)、(2)、(3)中各有一处错误或不妥之处，请改正并预测实验现象与结论。实验步骤:
    (1)取三只相同的洁净玻璃缸，编上号，分别装上等量的蒸馏水、河水、自来水。
    (2)取发育状况不同的15只蝌蚪，分成三等份，分别放人1、2、3号玻璃缸中，三只玻璃缸放在相同的适宜外界条件下培养。
    (3)每天同时向1、2、3号玻璃缸中分别投入普通饲料、甲状腺制剂拌匀的饲料、用60℃温水处理1小时的甲状腺制剂拌匀的饲料。
    (4)过几天比较蝌蚪的发育状况。改正：
    预测实验现象与结论：
    ( 参考答案 改正：(1)蒸馏水/河水/自来水改为河水，(2)不同改为相同，(3)投入后加等量。预测实验现象与结论：①若B玻璃缸内蝌蚪发育最快，而A、C玻璃缸内蝌蚪发育状况相同，说明高温使甲状腺制剂失活。②若B玻璃缸内蝌蚪发育最快，C玻璃缸内次之，A玻璃缸最慢，说明高温使甲状腺制剂活性降低。③若B、C玻璃缸内蝌蚪发育状况相同，而A玻璃缸内较慢，说明高温未影响甲状腺制剂活性。)
    【练习2】现有一种植物的种子，已经知道它的萌发受水分、温度和氧气的影响，但不了解其萌发与光是否有关，探究光的有无对该种子萌发的影响，请你依据所给材料和用品设计出实验的方法步骤，预测可能的实验结果，并分别得出相应的结论。
    材料和用品：数量充足的铺有滤纸的培养皿、无菌水、表面消毒过的种子等
    方法步骤：
    可能的实验结果与相应的结论：
    （参考答案 方法步骤：①向培养皿中倒入适量的水，将等量的种子分别放入两组培养皿中。②将一组置于有光照的环境中，另一组置于黑暗环境中，在培养过程中，使两组所处温度、水分、空气状况适宜且相同。 可能的实验结果与相应的结论：①有光组萌发，无光组也萌发(或答发芽率差异不显著)，该种植物的种子萌发不受光的影响。②有光组萌发，无光组不萌发(或答有光组发芽率高于无光组，差异显著)，光是该种植物种子萌发的必要条件之一。③有光级不萌发，无光组萌发(或答无光组发芽率高于有光组，差异显著)，光抑制该种植物种子的萌发。）

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读书的好处

1、行万里路，读万卷书。
2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。
3、读书破万卷，下笔如有神。
4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文
5、少壮不努力，老大徒悲伤。
6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿
7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。
8、读书要三到：心到、眼到、口到
9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。
10、一日无书，百事荒废。——陈寿
11、书是人类进步的阶梯。
12、一日不读口生，一日不写手生。
13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基
14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游
15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德
16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿
17、学习永远不晚。——高尔基
18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向
19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子
20、读书给人以快乐、给人以光彩、给人以才干。——培根