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一、背景敘述

高中生物實驗分兩種類型，驗證性實驗和探究性實驗（包括研究性課題），由于后者更能體現探究能力、實驗設計能力和運用生物學知識和方法分析和解決實際問題能力；更能體現科學態(tài)度、科學精神和創(chuàng)新意識，是高考中為高校選拔人才的較好材料，近年來一直被沿用。由于缺乏實驗設計的有關理論知識，平時的練習也偏少，因此，遇到這類題型，就會感到茫然。為解決這一問題，現將有關實驗設計的基本理論、實驗設計的思路方法和常見的類型作一介紹，以期增加理論知識，提高分析問題和解決問題的能力之目的。 

探究性實驗一般包括：課題、假設、設計實驗、預期、完成實驗、觀察并記錄結果（有時需收集數據）、分析結果（數據）并推導結論七個基本內容。

（一）提出課題

人們對事物作縝密觀察以后，常常由于好奇心或想作進一步的了解而提出問題，雖然任何人都能提出問題，但只有意義的問題才值得探討，課題即為實驗的題目，是實驗要達到的具體目標，例如“蚯蚓如何借肌肉的收縮和舒張而移動身體？”

（二）假設

科學方法的第三步是假設。假設，也稱假說或猜測，指用來說明某種現象但未經證實的論題，也就是對所提出的問題所做出的參考答案。假設一般分為兩個步驟：第一步，提出假設，即依據發(fā)現的事實材料或已知的科學原理，通過創(chuàng)造性思維，提出初步假定；第二步，做出預期(推斷)，即依據提出的假設，進行推理，得出假定性的結論；例如，新編高中生物的“動物激素飼喂小動物的實驗”，其假設是：“甲狀腺激素對動物的生長發(fā)育有影響”；其預期結果是：“用適量的甲狀腺激素飼喂蝌蚪，將促使蝌蚪的生長發(fā)育加速”。實驗預期是較具體的推斷。

一個問題常有多個可能的答案，但通常只有一個是正確的。因此，假設是對還是錯，還需要加以驗證，即依據假設或預期，設計實驗方案，進行實驗驗證。

（三）設計實驗

實驗是驗證假設和解決問題的最終途徑，指在人為控制的條件下研究事物的變化的一種方法。這是科學方法的最大特色，也是科學方法中最困難的一步。如何求證假設可充分展現研究者的才華。在科學實驗中，要掌握或貫徹以下幾點：

1、單一變量原則

變量，或稱因子，是指實驗過程中所被操作的特定因素或條件。按性質不同，通常可分為三類：實驗變量、反應變量和無關變量

實驗變量，也稱為自變量，指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。反應變量，亦稱因變量，指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。通常，實驗變量是原因，反應變量是結果，二者具有因果關系。實驗的目的在于獲得和解釋這種前因后果。例如，在“溫度對酶活性”的實驗中，所給定的低溫(冰塊)、適溫(37℃)、高溫(沸水浴)就是實驗變量。而由于低溫、適溫、高溫條件變化，唾液淀粉酶水解淀粉的活性也隨之變化，這就是反應變量，該實驗即在于獲得和解釋溫度變化(實驗變量)與酶的活性(反應變量)的因果關系。

無關變量，也稱控制變量，指實驗中除實驗變量以外的影響實驗現象或結果的因素或條件。顯然，無關變量會對反應變量有干擾作用，例如，上述實驗中除實驗變量(低溫、適溫、高溫)以外，PH、試管潔凈程度、唾液新鮮程度、可溶性淀粉濃度和純度、試劑溶液的劑量、濃度和純度，實驗操作程度，溫度處理的時間長短等等，都屬于無關變量，要求對低溫、適溫、高溫3組實驗是等同、均衡、穩(wěn)定的；如果無關變量中的任何一個或幾個因素或條件，對3個實驗組的給定不等同、不均衡、不穩(wěn)定，則會在實驗結果中產生干擾，造成誤差。實驗的關鍵之一在于控制無關變量，以減少誤差。

2、對照性原則

對照是實驗控制的手段之一，目的還是在于消除無關變量對實驗結果的影響。實驗對照原則是設計和實施實驗的準則之一。通過設置實驗對照對比。既可排除無關變量的影響，又可增加實驗結果的可信度和說服力。

通常，一個實驗總分為實驗組和對照組。實驗組，是接受實驗變量處理的對象組：對照組，也稱控制組，對實驗假設而言，是不接受實驗變量處理的對象組，至于哪個作為實驗組，哪個作為對照組，一般是隨機決定的，這樣，從理論上說，由于實驗組與對照組的無關變量的影響是相等的，被平衡了的，故實驗組與對照組兩者之差異，則可認定為是來自實驗變量的效果，這樣的實驗結果是可信的。按對照的內容和形式上的不同，通常有以下對照類型：

（1）空白對照 指不做任何實驗處理的對象組。例如，在“生物組織中可溶性還原糖的鑒定”的實驗中，向甲試管溶液加入試劑，而乙試管溶液不加試劑，一起進行沸水浴，比較它們的變化。這樣，甲為實驗組，乙為對照組，且乙為典型的空白對照。空白對照能明白地對比和襯托出實驗組的變化和結果，增強了說服力。

（2）自身對照 指實驗與對照在同一對象上進行，即不另設對照組。單組法和輪組法，一般都包含有自身對照。如“植物細胞質壁分離和復原”實驗，就是典型的自身對照。自身對照，方法簡便，關鍵是要看清楚實驗處理前后現象變化的差異，實驗處理前的對象狀況為對照組，實驗處理后的對象變化則為實驗組。

（3）條件對照 指雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，或者說這種處理不是實驗假設所給定的實驗變量意義的。例如，“動物激素飼喂小動物”的實習實驗，采用等組實驗法，其實驗設計方案是：

甲組：飼喂甲狀腺激素(實驗組)；

乙組：飼喂甲狀腺抑制劑(條件對照組)；

丙組：不飼喂藥劑(空白對照組)；

顯然，乙組為條件對照。該實驗即設置了條件對照，又設置了空白對照，通過比較、對照、更能充分說明實驗變量——甲狀腺激素能促進動物的生長發(fā)育。

（4）相互對照 指不另設對照組，而是幾個實驗組相互對比對照，在等組實驗法中，大都是運用對照，如“植物的向性”的等組實驗中，5個實驗組所采用的都是相互對照，較好的平衡和抵消了無關變量的影響，使實驗結果更具有說服力。

3、科學性原則

所謂科學性，是指實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當，整個設計思路和實驗方法的確定都不能偏離生物學基本知識和基本原理以及其他學科領域的基本原則，都要具有可行性。如：淀粉酶水解淀粉的順序問題。要有明確的觀測指標（a. 有無特異顏色、沉淀反應   b. 有無氣泡、氣味產生    c. 在形態(tài)結構、生長發(fā)育等方面具有明顯的特征）

4、重復性原則

在實驗設計中也必須注意實驗的可重復性。任何實驗部必須要有足夠的實驗次數，才能判斷結果的可靠性，尤其是有數據計算的實驗，設計的實驗不能只能進行一次，在無法重復的情況下，作為正式結論，這樣的結論易被推翻。

（四）預期

（五）完成實驗

（六）觀察并記錄結果

（七）分析結果（數據）并推導結論

七個基本內容中，除實施實驗筆試無法考查外，其它各項均是考查點。

（一）課題的考查

通常對課題的考查要求考生以合乎規(guī)范的方式寫出或補充課題，難度不大，但要注意以下兩點：

1、要緊扣試題的意圖，不能偏題。

2、課題是具體的、有明確的目標，不能大而空洞，如果試題的意圖是“探究不同光照強度對光合作用的影響”，而回答成“探究光照對光合作用的影響”即為偏題，不具體。

（二）假設的考查

一般要求根據試題中給出的材料、用具和藥品，提出一種可檢測的解釋，因為后面的實驗步驟的設計具體就是尋找證據檢驗假設成立與否，從而得出結論。等同于驗證性實驗的實驗原理，

（三）實驗預期的考查

是常考點，有兩種情況，一是預期最可能的結果，二是預期各種可能的結果。該點一般和結論一起考查。答題時注意題目的意思，扣題回答，還要注意實驗的性質，若是驗證性實驗，只回答一種結果預期。

（四）實驗步驟設計的考查

最常見的幾種考查形式是：寫出實驗步驟、補充關鍵步驟、續(xù)寫步驟或找出設計中的錯誤。該考查點對考生來說最難，跨度最大，需熟知儀器、藥品的使用方法，掌握生物學實驗的一些基本技術、方法，掌握設計的原則并能準確運用，還需有具體實驗情境中獲取信息和靈活處理能力。但并非毫無辦法，只要考生基本功扎實、思維冷靜，總能找到解題的正確思路。

解答的關鍵是把握好下面的幾個原則：１、對照原則（單因子變量原則）；２、重復原則：平衡偶然誤差，尤其是有計量的實驗；３、科學原則。

設計步驟之前先要明確以下內容：實驗變量是什么？如何控制？反應變量是什么？用什么觀測指標來表示反應變量的變化？

步驟的一般順序：

１、分組并編號、前期共性處理；

２、實驗變量處理；

3、后期共性處理；

4、觀察現象，記錄結果；

5、分析結果，推導結論。 

（一）顯微技術

（1）臨時裝片制作技術

（2）顯微鏡使用方法

（二）生物鑒定方法

1、物質鑒定：還原糖、脂肪、蛋白質、DNA、染色體、光合產物（淀粉、氧氣）、呼吸產物（CO2）、大腸桿菌、必需礦質元素等。

2、遺傳鑒定：

（1）遺傳方式判斷

（2）變異來源鑒定

（三）生物分離技術：分離原生質體、分離動物組織單細胞、分離葉綠體、生物大分子的分離（離心分離、電泳分離、透析分離、層析分離）等。

（四）生物測量方法：細胞周期測定、呼吸作用強度測定、光合作用強度測定、酶的活性測定、生長素對植物生長影響的測定、種子發(fā)芽率測定、種群密度調查、微生物數量測定等。

（五）其它：放射性同位素標記的應用、溫控技術、緩沖技術、微生物培養(yǎng)方法（包括配制培養(yǎng)基、培養(yǎng)基滅菌、接種）、微生物分離方法、遺傳雜交試驗(植物雜交試驗、動物雜交試驗)、遺傳育種方法（植物育種、動物育種、微生物育種）、遺傳病調查方法、體細胞或原生質體融合法（包括：獲取植物原生質體或動物單細胞、促融、篩選、后期培養(yǎng)即組織培養(yǎng)法、動物細胞培養(yǎng)法）。 

 (2001年理科綜合)有人設計了下列實驗，試圖證明“生長素(IAA)在植物體內的運輸，主要是從植物體形態(tài)學上端(頂端)向下端(基端)運輸，而不能倒轉過來運輸(如生長素只能從胚芽鞘的上端向下端運輸)。”

一、材料、用具：胚芽鞘、瓊脂、刀片等

二、方法、步驟與結果：

(一)制備瓊脂塊(下圖左)

(二)取一段胚芽鞘中間部，上面放含IAA的瓊脂塊，下面放空白瓊脂塊(上圖右)

(三)取步驟(二)下面瓊脂塊(a)的一部分放在去尖的胚芽鞘的一側(右圖)

三、結論：以上實驗證明了“生長素(IAA)在植物體內的運輸，主要是從植物體形態(tài)學上端(頂端)向下端(基端)運輸，而不能倒轉過來運輸“。

我們認為，僅用該實驗步驟(一)、(二)、(三)還不足以嚴密論證以上結論，請在上述實驗的基礎上補充相應的實驗方法，步驟和結果。

[解析]典型的實驗設計的要求是：①設置對照實驗，②嚴格控制實驗條件、努力減少誤差；③要考慮增加重復次數，反復驗證結果。根據上述要求，仔細分析本題實驗內容。可發(fā)現本題缺少對照實驗。因此，實驗結果不能成立，因此，應補對照實驗的內容。

[答案]補充方法、步驟與結果(一)：另取一段胚芽鞘中間部分倒放，上面放含IAA的瓊脂塊，下面放空白瓊脂塊。

(三)下面瓊脂塊(b)的一部分放在去尖的胚芽鞘一側

[誤區(qū)]受定勢思維影響，不考慮實驗設計的對照原則，而且是從生長素含量上做文章，難以找到正確突破口。

[說明]設置對照實驗，是實驗設計要證明問題的核心，此類題理應從原有實驗內容中尋找實驗內容是否全面，即可找到解題思路。 

1、（2003全國）（14分）麥品種是純合體，生產上用種子繁殖，現要選育矮桿（aa）、抗病（BB）的小麥新品種；馬鈴薯品種是雜合體（有一對基因雜合即可稱為雜合體），生產上通常用塊莖繁殖，現要選育黃肉（Yy）、抗病（Rr）的馬鈴薯新品種。請分別設計小麥品種間雜交育種程序，以及馬鈴薯品種間雜交育種程序。要求用遺傳圖解表示并加以簡要說明。（寫出包括親本在內的前三代即可）。

2、（2004全國）(22分)將等量萌發(fā)的種子和煮沸自然冷卻后的種子分別放入甲、乙兩試管中，如下圖所示(本實驗中石蠟油短期內不影響生物的生長)。兩試管中均無空氣存在。

據圖分析回答：

⑴甲試管放置幾個小時后，管內頂部出現氣泡，其中的氣體成分主要是     ；將該氣體引入    溶液中，可使該溶液變混濁。

⑵甲試管中產生氣泡的現象是種子     進行造成的，寫出表示這一過程的反應式     。

⑶乙試管在與甲試管同樣的時間內，試管內頂部未出現氣泡，原因是     。

⑷乙試管繼續(xù)放置幾天，一些微生物開始繁殖，導致試管內頂部也出現少量氣體，這是這些微生物從試管中的     獲得了所需要的營養(yǎng)物質進行新陳代謝的結果。一般來說，微生物所需的營養(yǎng)要素可歸納成     、     、     、     和     五大類。

⑸這些微生物可能的來源是(答出兩個來源即可)                  。

3、（2004江蘇）（7分）玉米正常植株葉片為綠色，患一種遺傳病后植株的葉片具白色條斑，或為不能成活的白化苗。顯微觀察發(fā)現，白化苗和白色條斑處的葉肉細胞不含葉綠體。有人為了探索該病的遺傳機理，用人工授粉的方法進行了如下兩個實驗。根據下列實驗結果回答問題：

 （1）實驗一

      P    ♀條斑葉     ×     綠色葉♂

                        ↓

      F1     綠色葉          條斑葉或白色葉

     重復該實驗后代的性狀不出現一定的分離比。

①實驗結果顯示，母本患條斑病時，該病通過__________________方式遺傳。

②實驗中后代不同性狀的個體的比例是隨機的，其原因__________________

（2）實驗二

      P         ♀綠色葉     ×     條斑葉♂

                              ↓

      F1                    綠色葉

                              ↓（自交）

      F2          綠色葉           條斑葉或白色葉

      表現型比例     3       ：          1

    重復該實驗，后代的性狀分離比始終為3：1。

    實驗二結果顯示，母本正常時，該病的遺傳受________________________的控制。 

4、（2004江蘇）（8分）科學家利輻射誘變技術處理紅色種皮的花生，獲得一突變植株，其自交所結的種子均具紫色種皮。這些紫色種皮的種子長成的植株中，有些卻結出了紅色種皮的種子。

（1）上述紫色種皮的花生種子長成的植株中，有些結出了紅色種皮種子的原因是：

（2）上述紫色種皮的種子，可用于培育紫色種皮性狀穩(wěn)遺傳的花生新品種。假設花生種皮的紫色和紅色性狀由一對等位基因控制，用文字簡要敘述獲得該新品種過程：

5、（2004江蘇）（11分）環(huán)境污染對植物的生長發(fā)育有不同程度的影響。在一定程度上，植物在污染環(huán)境中也有繼續(xù)保持正常生命活動的特性，這種特性稱為抗性。研究植物的抗性對篩選具有凈化環(huán)境的植物種類和保護環(huán)境有積極意義。

（1）一項研究表明，植物對SO2的抗性與葉片上氣孔密度和氣孔大小等有關。所得數據如下表

被測植物

平均受害面積

（％）

氣孔

氣孔密度

（個／mm2）

每個氣孔面積

（mm2）

甲植物

13.5

218

272

乙植物

33.4

162

426

丙植物

57.7

136

556

①該研究說明，植物對SO2的抗性與氣孔的密度呈______________關系，和每個氣孔的面積呈_____________關系。 

②在SO2污染嚴重的地區(qū)，最好選擇表中________________植物為行道樹種。

（2）工業(yè)生產中產生的SO2是酸雨（pH＜5.6）形成的主要原因之一。有人設計實驗研究酸雨對植物的毒害作用。實驗過程如下圖所示（除圖中特別說明的外，其他條件甲、乙均相同）：

實驗結果表明，“酸雨”使植物葉片變黃，而對照實驗中的植物沒有變黃。該實驗說明“酸雨”對植物的生長發(fā)育有影響。

參照上述裝置和試劑以小麥種子為實驗材料嘗試設計實驗，探究2種不同pH的酸雨對種子萌發(fā)率的影響。

①   探究的問題：不同pH的酸雨對小麥種子萌發(fā)率的影響。

②作出的假設：________________________________________________________。

③實驗步驟（簡要敘述）：

④實驗預期結果與分析（實驗預期結果多種多樣，寫出其中3種并加以分析）：

6、（2004全國2）（20分）胰高血糖素對小白鼠和人具有相同的生理作用。為了驗證“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，請以小白鼠為實驗對象設計實驗步驟，預測和解釋實驗應出現的結果，并寫出實驗結論。 

（一）實驗材料和用具：

（二）實驗步驟：

（實驗提示：采用腹腔注射給藥，給藥劑量不作實驗設計要求；給藥1小時后，用注射器在小鼠膀胱處穿刺取尿液。）

（三）實驗結果的預測、解釋和結論：

7、（2004天津）（18分）生態(tài)工作者從東到西對我國北方A、B、C三種類型的草原地行調查。下表是不同調查面積的物種數量統(tǒng)計結果：

（1）A、B、C三種類型的草原對放牧干擾的抵抗力穩(wěn)定性由強到弱的順序是      。導致這三種類型的草原物種數量不同的關鍵生態(tài)因素是        。如果將A草原與我國東北針葉林相比，兩者之間恢復力穩(wěn)定性較強的是        。

（2）調查B草原某種雙子葉草本植物種群密度時，設計如下調查步驟：

① 選取為最佳樣方面積。

② 在該物種分布較密集的地方取5個樣方。

③ 計數每個樣方內該植物的個體數。若計數結果由多到少依次為N1、N2、N3、N4、N5，則將N3作為種群密度的估計值。

請指出以上設計步驟中的錯誤并加以改正。

8、（2004天津）（20分）（1）人們不會在熱泉中發(fā)現活著的嗜冷海藻，而經常可以在冷水環(huán)境中分離出嗜熱微生物。請根據酶的特性分析產生這種現象的原因。

（2）淀粉酶可以通過微生物發(fā)酵生產。為了提高酶的產量，請你設計一個實驗，利用誘變育種方法，獲得產生淀粉酶較多的菌株。① 寫出主要實驗步驟。② 根據誘發(fā)突變率低和誘發(fā)突變不定向性的特點預期實驗結果。

提示：生產菌株在含有淀粉的固體培養(yǎng)基上，隨著生長可釋放淀粉酶分解培養(yǎng)基中的淀粉，在菌落周圍形成透明圈。

9、（2004廣西）(6分) 番茄是自花授粉植物，已知紅果(R)對黃果(r)為顯性，正常果形(F)對多棱果(f)為顯性。以上兩對基因分別位于非同源染色體上。現有紅色多棱果品種、黃色正常果形品種和黃色多棱果品種(三個品種均為純合體)，育種家期望獲得紅色正常果形的新品種，為此進行雜交。

試回答下列問題：

(1)應選用以上哪兩個品種作為雜交親本?

(2)上述兩親本雜交產生的F1代具有何種基因型和表現型?

(3)在F2代中表現紅色正常果形植株出現的比例有多大?F2代中能穩(wěn)定遺傳的紅色正常果形植株出現的比例有多大?

10、（2004廣西）(12分)為了驗證甲狀腺激素的生理作用，試以大白鼠的耗氧量和活動量為觀察指標，根據給出的實驗材料和用具，設計實驗步驟，預測實驗結果，并作出分析。

(1)材料和用具：日齡相同體重相近的雄性成年大白鼠兩組，甲狀腺激素溶液，蒸餾水，灌胃器，耗氧量測定裝置，小動物活動測定儀等。(實驗提示：給藥途徑為每日灌胃，給藥劑量和儀器操作不作考試要求，室溫恒定。)

(2)方法與步驟：

(3)結果預測與分析： 

11、（2005全國）(21分)為了驗證胰島素具有降低血糖的作用，以小鼠活動狀況為觀察指標設計實驗。某同學的實驗方案如下：

①將正常小鼠隨機分成A、B兩組，觀察并記錄其活動狀況。②A組小鼠注射適量胰島素溶液，B 組注射等量生理鹽水。一段時間后，A 組小鼠會出現四肢無力，活動減少，甚至昏迷等低血糖癥狀，B 組活動狀況無變化。③A 組小鼠出低血糖癥狀后，分別給A、B兩組小鼠注射等量葡萄糖溶液。一段時間后，A 組小鼠低血糖癥狀緩解，B 組活動狀況無變化

該實驗方案可以說明胰島素具有降低血糖的作用，請回答：

（1）該實驗原理是：                                                 

                                                                     。

（2）分析小鼠注射胰島素溶液后出現低血糖癥狀的原因：

                                                                  。

（3）胰島素在血糖平衡調節(jié)中的作用是                                       

                                                                          。

12、（2006年廣東）(8分)為觀察生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，設計4個密閉、透明的生態(tài)瓶，各瓶內的組成和條件見下表。經過一段時間的培養(yǎng)和觀測后，發(fā)現甲瓶是最穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

 請回答以下問題：

(1)乙瓶中，藻類的種群密度變化趨勢為        ，原因是                       ；

(2)丙瓶比甲瓶有較多的有機物，原因是                                       ；

(3)丁瓶與甲瓶相比，氧氣含量              ，原因是                        ；

(4)根據觀測結果，得出結論：①               ；②                         。

13、（2006年重慶）（21分）植物甲、乙是兩種瀕危藥用植物（二倍體）。請按要求回答問題：

（1）以植物甲、乙的莖尖和葉片為材料，通過組織培養(yǎng)獲得了再生植株，解決了自然繁殖率低的問題。這表明植物細胞具有              。由葉片等材料形成的愈傷組織的形態(tài)結構特點是              。

（2）右圖分別是植物甲、乙的萌發(fā)花粉粒和未受精胚珠的示意圖。

在分離球珠細胞的原生質體時，通常使用纖維素酶和果膠酶破除細胞壁，其原理是利用了酶的         性質。

如果將右上圖中的1個精子與右下題圖中的1個____細胞或2個    融合，可培育出三倍體植株。用適當濃度的秋水仙素處理該三體植株的幼苗，可能獲得藥用成分較高的六倍體植株。秋水仙素的作用機理是            。

（3）植物乙自然結實率低，主要原因是花粉粒萌發(fā)后多數花粉管不能伸長。為探究生長素對植物乙花粉管伸長的影響，某生物興趣小組進行了課外實驗，得到了表結果：

生長素濃度(mg/L)

0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

花粉管平均長度(mm)

0.5

3.6

5.5

6.4

5.2

3.1

0.4

0.2

請結合表中數據對實驗結果進行簡要分析：                                   。

根據上述分析，可以得出的結論是：                                   。