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如何科学地进行生物实验设计

　　生物科学是一门实验科学，因此生物实验一直是生物学高考必出的内容。从近几年的实验题在高考中的题型变化来看，借助实验方法创设新情境，侧重考查学生对实验进行解释和分析的能力已成为命题趋向，其中设计型实验题更是热点。
由于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。因此这一类考查考生综合分析能力的题型在高考实验复习中显得尤为突出，也是令学生非常头痛的。下面结合本人两年来如何进行高三实验设计复习的实践，谈一点自己的体会。
一、什么是实验设计　　
所谓实验设计，就是要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验的现象。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。一个完整的实验设计过程包括5个环节。发现问题、提出问题、实验设计、实验实施、结论。其中实验设计是联系问题和结论的必要桥梁。
二、实验设计的基本原则　　
1）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。2）平行重复性原则　　平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。上述随机性原则虽然要求随机抽取样本，这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影响。平行重复的原则就是为解决这个问题而提出的　3）单一变量原则　　有两层意思：一是确保“单一变量”的实验观测，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，实验操作中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。4）对照原则 对照的目的在于削除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照，又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。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型。
A.空白对照　　指不做任何实验处理的对象组。B.自身对照　　实验与对照在同一对象上进行，不设对照组。C.条件对照　　虽给对象施以某种实验处理，但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。D.相互对照　　指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照。
三、实验设计的方法
一个比较完整的实验设计方案，一般包括这样几方面的内容：1）实验题目的确定；2）提出假说；3）设计实验方法和步骤；4）提出实验的预期结果；5）要观察和搜集的数据及方法。书写实验设计方案通常包括：“实验课题”、“实验假说”、“实验预期”、“实验目的要求”、“实验方法类型”、“实验对照类型”、“实验材料用具”、“实验方法步骤”和“实验结论与讨论”等项目。而在中学生物课本的实验指导中，实验假说和实验预期大都隐含在“实验原理”中。实验方法类型、实验对照类型则一般隐含在“方法步骤”中。
因此在实验设计中可以从以下几个方面去考虑：1）明确实验目的，即需要验证的生物学事实；2）严格遵守实验原理，实验所依据的科学原理，涉及到的生物学及相关学科的方法和原理；3）恰当选择实验对象，选择最能体现此生物学事实的具体对象，如细胞、组织、器官或生物个体；4）细心注意对实验条件、材料用具和装置的理化条件和生物学方法处理后，认真研究实验装置设计的严密性和合理性；5）合理设计实验步骤，要注意实验步骤的关联性和延续性，实验操作的程序性；6）精心设置对照组实验，控制和消除无关变量对实验结果的影响；7）提出假设条件，预测结果，假设是对可见现象作出可以检测的解释，假设的成立与否依赖证据；8）仔细观察实验现象，详细记录实验结果，只考虑单一实验变量对结果的影响；9）认真分析原因，全面讨论结果，无论实验成功与否都要分析原因，对实验要进行多角度、全方位的分析讨论。
四、实验设计的实例分析
　　例1 (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
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。
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。暗室内装有红色安全灯。
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。
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。
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：实验中无对照实验；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；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 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，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。d．重复改正后的题干中的步骤。
需要注意的是：对于实验分析要求从以下几个方面进行：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。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。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。准确表达实验结果和进行数据处理。
　例2将青蛙脑破坏保留脊髓，在脊柱下部打开脊椎骨，剥离出脊髓一侧的一对脊神经根。分别电刺激背根与腹根均可引起蛙同侧后肢发生运动反应。以已知背根含有传入神经，腹根含有付出神经，背根与腹根合并成脊神经。
请根据上述提供的实验材料设计实验步骤，并预测实验结果，以分别验证背根具有传入功能，腹根具有传出功能。
答案：实验步骤1：在背根中央处剪断，分别电刺激背根向中段、外周段，观察蛙后肢是否发生运动反应。预期结果：电刺激背根向中段应发生蛙后肢运动反应，电刺激背根外周段不发生反应，说明背根具有传入功能。
实验步骤2：在腹根中央处剪断，分别电刺激腹根向中段、外周段，观察蛙后肢是否发生运动反应。预期结果：电刺激腹根向中段不发生反应，电刺激腹根外周段就发生后肢运动反应，说明腹根具有传出功能。
　例3、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：
可能的实验结果及相应的结论：
（参考答案 方法步骤：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。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。 可能的实验结果及相应的结论：有光组萌发，无光组也萌发(或答发芽率差异不显着)，该种植物的种子萌发不受光的影响。有光组萌发，无光组不萌发(或答有光组发芽率高于无光组，差异显着)，光是该种植物种子萌发的必要条件之一。有光组不萌发，无光组萌发(或答无光组发芽率高于有光组，差异显着)，光抑制该种植物种子的萌发。
五、交流点拨——提高实验设计的能力
　　由于实验设计题具有开放性的特点，再加上每个学生自己独特的思考方法和不同的解决问题的途径，得出的结果是多种多样的，设计水平高低不同。所以，在进行了一定数量的设计训练后，教师要及时给予点拨或引导学生交流设计成果，总结出生物实验设计方案的基本思路和评价标准(科学合理、设计简捷、效果明显等)，从而使学生巩固实验设计方法，提高实验设计的能力。另外，通过学生对实验设计方案的讨论，可以互相取长补短，完善设计方案，丰富设计内容。同学的启示和教师的点拨丰富了解题的思路，启迪了思维，通过交流点拨使每个同学对问题的理解更加全面和深入，实验设计能力从本质上得到了很大的提高。