高中生物实验设计的实践研究

高中生物实验设计的实践研究

                泸县四中      李春梅

摘  要：新课程要求高中生物教学应贯穿生物学核心素养教育，积极培养学生的观察能力、实验能力、思维能力和自学能力，初步的研究能力和创造能力，提高科学素质，使学生养成实事求是的科学态度，以及不断探求新知识和合作探究的精神。在做实验前实验设计是关键的一环，要完成一个实验则需要科学的，可实施的方案，并对其推理预测。

关键词：高中   生物实验设计    实验原则  实验过程 实验结果及结论

一、高中生物实验教学背景与学情分析

生物是研究生命现象以及生物活动规律的一门学科。高中生物教学中应贯穿生物学核心素养教育，积极培养学生的观察能力、实验能力、思维能力和自学能力，初步的研究能力和创造能力，提高科学素质，使学生养成实事求是的科学态度，以及不断探求新知识和合作探究精神。科学探究是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的能力。而现阶段由于很多学生对实验设计缺乏系统理论知识指导，在实验设计过程中出现很多缺乏严谨性、科学性进而导致错误的实验设计。例如：科学家通过实验发现，新鲜的动物肝脏中含有大量的过氧化氢酶，它能催化过氧化氢的分解（H₂O₂→H₂O＋O₂）。请你设计一个实验，验证新鲜的猪肝中含有过氧化氢酶。（要求：写出具体的实验操作过程；实验步骤应科学、合理和可行。）

学生1：把H₂O₂中的O₂用同位素¹⁸O标记，然后取捣碎的新鲜猪肝一部分放在H₂O₂中，检测放出的气体是否有O₂，从而说明H₂O₂能反应生成H₂O和O₂。—该生实验设计实验目的不明确。

学生2：在1支试管中加入2mLH₂O₂，再加入一部分捣碎的新鲜猪肝，观察有气泡产生，经检验为O₂，从而验证猪肝中有过氧化氢酶。——该生实验设计方法不规范 （未设立对照组）

学生3：取 2支试管，分别加入2mLH₂O₂，然后在甲试管中加lmL捣碎的新鲜猪肝，乙试管不加任何物质，观察发观甲试管有大量气泡产生，检验得知为O₂，乙试管没有这种现象，说明猪肝中有过氧化氢酶。 ——该生实验设计方法不规范 （不遵循等量对照原则）

学生4：将新鲜的猪肝和H₂O₂一起放在一个密闭的带有导管处容器里，导管连接在另一个放有小白鼠的密闭容器中，过一段时间，发现小白鼠正常活着，说明有O₂提供，此O₂即为H₂O₂在酶的作用下分解所致，从而也就说明了新鲜的猪肝中含有过氧化氢酶。——该生实验结果检验不科学（不符合简明性原则） 

因而在高中教学中应注重生物实验设计原则及方法的指导。

二、高中生物实验设计的基本原则

在实验设计中需要把握设计的原则，有科学性原则、对照原则、单一变量原则和平行重复原则等。

（一）、科学性原则：是所有原则的前提，实验设计要合乎科学性及可行行。科学性原则即实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料选择要恰当，实验思路与方法要正确。

（二）、对照原则：中学生物实验设计中最常用的原则，通过设置对照实验，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。

对照实验：除了一个因素以外，其余因素都保持不变的实验。通常，一个对照实验分为实验组和对照组（实验组和对照组可以是一个也可以分多个组）

实验组：1、是接受实验变量处理的对象组；   2、未知结果的。

对照组：1、对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组。 2、处于自然状态或理想状态的。3、已知结果的。

 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：指不做任何实验处理的对象组。 例如，在“微生物的实验室培养”的实验中，在甲培养皿接种大肠杆菌，乙培养皿不接种放在相同的环境中培养，比较他们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。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。

（2）自身对照：指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。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。

（3）条件对照： 指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。

例如：“动物激素饲喂小动物”实验，其实验设计方案是：

甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）；

乙组：饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）；

丙组：不饲喂药剂（空白对照组）。

显然，乙组为条件对照，该实验既设置了条件对照，又设置了空白对照，通过比较、对照，更能充分说明实验变量——甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。

（4）相互对照： 指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照。相互对照实验就是对比实验。一般表现出实验变量在量上的多少对反应变量的影响。

例如：在探究酵母菌细胞呼吸方式的实验中，一个是有氧条件，一个无氧条件形成相互对照。在美国科学家鲁宾卡门利用同位素¹⁸O分别标记H₂¹⁸O和C¹⁸O₂探究光合作用释放的O₂是否来自水，一个是H₂¹⁸O，一个是C¹⁸O₂形成相互对照。

（三）、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，对实验结果进行科学的分析和增强实验结果的可信度与说服力。实验中要做到“单一变量” ，即控制好自变量，保证无光变量的一致性。自变量：是指实验中人为改变的变量。如：《比较过氧化氢酶和FeCl₃的催化效率》实验中，FeCl₃溶液和肝脏研磨液都属于自变量。无关变量：是指在实验过程中，除自变量以外的影响实验变化结果的因素和条件。实验中，无关变量如果控制不当或不加控制，就会干扰预期实验结果的出现，影响科学实验中所要研究和解释的自变量和实验结果的关系。针对无光变量的控制应注意：

①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实验器具要相同。即试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具大小、型号、洁净度等要完全一样。

③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处理方法要相同。保温或冷却：光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。有时尽管某种处理针对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但还是要做同样的处理。

（四）、可重复性原则：可以减少误差，增加信度，提出观点。  例如：①在探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度的实验中选用的枝条就不能每组一株应该每组多株，避免误差。例如：②在19世纪末，欧文顿曾用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行上万次地实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。于是他分析提出观点：膜是由脂质组成的^（1）。

三、高中实验设计基本内容

在实验设计中中基本内容包括：实验课题、实验目的 、实验原理、材料用具、实验步骤 、实验结果和结论。它们之间的关系如下图：

（一）、准确把握实验目的。实验目的是整个实验设计的灵魂，所有实验步骤的设计都要围绕实验目的这个核心进行，因此在进行实验设计前首先要认真分析实验目的。通过分析实验目的一方面可确定实验变量，为实验条件的控制、对照实验的设置提供依据；另一方面可确定实验性质，即实验是“验证性实验”还是“探究性实验”，以便能正确地预期实验结果和结论。

（二）细心分析实验原理。实验原理即实验的理论依据，其主要包含了实验时要用到生物学上基本知识、规律或结论。例如1：观察DNA、RNA在细胞中的分布的实验中其原理是：①甲基绿和吡罗红两种染色剂对DNA和RNA的亲和力不同，甲基绿使DNA呈现绿色，吡罗红使RNA呈现红色。利用甲基绿、吡罗红混合染色剂将细胞染色，可以显示DNA和RNA在细胞中的分布；②盐酸能够改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞，同时使染色体中的DNA和蛋白质分离，有利于DNA与染色剂结合。（该实验原理主要说明了该实验相关的基本知识）

例如2：观察植物细胞的吸水和失水的实验中其原理为①质壁分离的原理：当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞就会通过渗透作用而失水，细胞液中的水分就透过原生质层进入到溶液中，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的收缩性大，当细胞不断失水时，原生质层就会与细胞壁分离；

②质壁分离复原的原理：当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，细胞就会通过渗透作用而吸水，外界溶液中的水分就通过原生质层进入到细胞液中，整个原生质层就会慢慢地恢复成原来的状态，紧贴细胞壁，使植物细胞逐渐发生质壁分离复原。（该实验原理主要说明了该实验相关规律）

例如3：探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度的实验中其原理：植物插条经生长素类似物处理后，对植物插条的生根情况有很大的影响，而且用不同浓度、不同时间处理其影响程度亦不同。其影响存在一个最适浓度，在此浓度下植物插条的生根数量最多，生长最快。（该实验原理主要说明了该实验相关规律和结论）

（三）提出实验思路。实验思路主要包括两个方面控制自变量和观测因变量。

例如1：2019年理综生物全国1卷中T29，将生长在水分正常土壤中的某植物通过减少浇水进行干旱处理，该植物根细胞中溶质浓度增大，叶片中的脱落酸（ABA）含量增高，叶片气孔开度减小，回答下列问题。有研究表明：干旱条件下气孔开度减小不是由缺水直接引起的，而是由ABA引起的。请以该种植物的ABA缺失突变体（不能合成ABA）植株为材料，设计实验来验证这一结论。要求简要写出实验思路。

其分析该实验的自变量是干旱和是否缺少ABA，因变量是气孔开度情况。

故其答案是：取ABA缺失突变体植株在正常条件下测定气孔开度，经干旱处理后，再测定气孔开度，预期结果是干旱处理前后气孔开度不变。

将上述干旱处理的ABA缺失突变体植株分成两组，在干旱条件下，一组进行ABA处理，另一组作为对照组，一段时间后，分别测定两组的气孔开度，预期结果是ABA处理组气孔开度减小，对照组气孔开度不变。

例如2：2019年理综生物全国Ⅱ卷　物质W是一种含氮有机物，会污染土壤。W在培养基中达到一定量时培养基表现为不透明。某研究小组欲从土壤中筛选出能降解W的细菌（目标菌）。在从土壤中分离目标菌的过程中，发现培养基上甲、乙两种细菌都能生长并形成菌落（如图所示）。

土壤中的某些微生物可以利用空气中的氮气作为氮源。若要设计实验进一步确定甲、乙菌能否利用空气中的氮气作为氮源，请简要写出实验思路、预期结果和结论，即　　　　。

其分析实验的自变量是有无氮源，因变量是细菌能否生长。

故其答案是：将甲、乙菌分别接种在无氮源培养基上，若细菌能生长，则说明该细菌能利用空气中的氮气作为氮源。

（四）精心策划方法步骤。

1、明确实验目的，是探究性实验还是验证性实验（直接关系到实验预期和结论）。

2、分析实验材料、仪器、试剂，思考所提供材料、仪器、试剂的用途、使用方法。

3、根据预期结果确定实验组和对照组，确定是否需要条件对照。

4、施加自变量，即实验组和对照组处理的差异，这种差异是唯一的。通常如果只需一个实验组的，考虑用“加法“或”减法”，（如激素相关实验中的注射法 、饲喂法、手术切除法等方法），如果需要多个实验组的，考虑高中低的设置，或（浓度、温度、pH、CO₂浓度、光照强度等）梯度设置、或不同种类设置。

5、实验步骤书写一般分为三步：
第一步，取材，分组，编号；（有时需要先对部分材料进行加工）
第二步，分组处理，设置对照，控制变量；（有时此步也可以分为几个步骤）
第三步，观察实验现象。

例如：2018年全国高考生物（Ⅱ）卷中T29为研究垂体对机体生长发育的作用，某同学用垂体切除法进行实验，在实验过程中，用幼龄大鼠为材料，以体重变化作为生长发育的检测指标。请完善下面的实验步骤。

①将若干只大鼠随机分为A、B两组后进行处理，A组（对照组）的处理是　　　　　　　；B组的处理是　　　　　　　　　　　　　　　　。

②将上述两组大鼠置于相同的适宜条件下饲养。

③　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

④对所得数据进行统计处理与分析。

分析：明确这个实验目的是研究垂体对机体生长发育的作用，使用的方法是用垂体切除法，实验组为“减法”切除垂体，而对照组则注意无关变量要相同则需要做相应的手术但不切除垂体，观察实验现象与结果则以题干中体重变化作为生长发育的检测指标。

故其答案是（1）①手术但不切除垂体　　切除垂体③每隔一定时间，测定并记录两组大鼠的体重。

（五）准确预测实验结果和结论。

实验结果就是在实验过程中观察到的实验现象或收集到的数据即描述实验组和对照组的观测指标；实验结论与实验目的相呼应，描述实验变量和反应量之间的因果关系即主要是对实验结果的分析得出的定性表述。实验结果的呈现一般是文字叙述、坐标曲线和设计表格三种类型，另柱形图，注意校正数据、取平均值等减小实验误差。根据实验预期，得出结论。如果是验证性实验：预期是肯定，结论是对假设的肯定或否定；如果是探究性实验：预期是不确定的，有多种可能，一般有肯定、否定和中间预期，结论也是不确定的。

四、小结

通过对高中生物实验设计的实践研究及教学，学生实验设计目的明确了，实验思维严谨了，实验设计的方法具有科学性和可行性。例如：通过高三下期月考试题中实验题中答题得分率汇总及高三诊断性考试实验题抽样检测如下图。发现通过系统的实验教学学生在实验习题方面的得分率提高了。

参考文献

1.生物必修1《分子与细胞》课程教材研究所 生物课程教材研究开发中心编著：北京

人民教育出版社.2007：第65页第5行。