生物实验设计与评价

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。　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、 实验设计的四个原则　　 1.对照性原则：　　在实验设计中，通常设置对照组，通过干预或控制研究对象以消除或减少实验误差，鉴别实验中的处理因素同非处理因素的差异。　　实验设计中可采用的对照方法很多，除了有阳性对照、标准对照、自身对照、相互对照之外，通常采用空白对照的原则：即不给对照组以任何处理因素。值得强调的是，不给对照组任何处理因素是相对实验组而言的，实际上对对照组还是要做一定的处理，只是不加实验组的处理因素。　　 2.随机性原则：实验设计中的随机化原则，是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。这样做的意义在于：一是可以消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；二是平衡各种条件，避免实验结果中的偏差。　　 3.平行重复原则：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。　　 4.单因子变量原则：　单因子变量原则，即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。二、实验设计的基本方法　　 1.了解题目要求：解题首先要明确题意，只有明确题意才能方向明确，少走弯路。看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果。　　 2.明确实验目的原理：明确实验到底要解决什么问题，要用到生物学上什么原理。　 3.确定实验思路：就是根据原理对实验作出假设，并对可能产生的现象作出预期，并充分利用实验材料设计实验思路。　　 4.设计实验步骤：根据上述实验目的、原理和思路，设计出合理的实验装置和实验操作步骤。要思考题目中所给出的实验材料和试剂分别起什么作用？怎样运用？要注意：一是题目中给出的实验试剂和材料一般应充分利用；二是除非题目条件允许，否则不能自己随意增加实验试剂和材料。由于实验设计是一种开放性试题，可能存在多种实验步骤，但一般应遵循以下几个要求：简便性、可行性、安全性和精确性。　　 5.记录实验现象和数据：在实验中将观察到的现象如实、准确地记录下来。除了用文字进行记录外，还可以用数据或符号进行记录。　　6.分析得出结论：　　根据实验观察的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，归纳出一般概括性判断，并用文字、图表、绘图等方法作一个简明的总结。　　以上只是解答一般综合实验设计题的一般思考方法。在解题过程中，应根据实验设计题的具体情况和要求，作出正确的回答。　三、 实验设计题型类析　　 1.设计实验方案：题目给出实验目的及一些附加条件，让学生设计实验方案，写出实验原理，解答这类题首先要根据题目的要求和给出的条件，确定和书本相关的知识点及实验原理，构思相关的生物情境，然后再设计便于操作的实验方案。　　例1　设计一个于室外空旷处进行的，在不用任何药剂、装置合乎触及幼苗的情况下，使幼嫩植株长成如图示形态的实验方案，并说明实验原理。　　 (1) 实验方案　　 (2) (2)实验设计原理　　解析：这是来源于生活中的习题，可采用的方法很多，如利用向光性生长等，但题目作了许多限制，因此根据生活常识可设计为将正常生长的植株花盆侧放在地上，待其弯向上方生长后，再摆正花盆。其原理为利用茎的背地性生长的特性。 2.设计实验步骤：根据题目要求给定的器材以及实验提出的目的，设计或补全实验步骤。这类题目体现了高考试题理论联系实际的原则和学以致用的趋向。要求教学中要强化实验，培养学生"根据实验试题的要求和有关原理设计出简单实验方法"的能力，以及"通过分析和综合、比较和论证，选择解决问题的最佳方案的评价能力"。例2　现提供新鲜柑桔60个，塑料桶(篮)数个，松树针叶适量，蒸馏水、清水、无色透明保鲜袋若干，医用APC(保鲜剂)、温湿计、台式天平、量筒、空调机等。请你设计一个实验方案，在室温24℃的条件下，研究松树针叶是否有保鲜作用。解析：(1)将柑桔分成甲、乙、丙三等份，称好每份的重量。 (2)分组处理。甲组：不经任何处理，用一塑料桶(篮)把一份柑桔装好，放在室内桌架上。乙组：在一塑料桶(篮)底铺上适量的松树针叶，放上一层柑桔再铺上一层针叶，如此重复直至把一份柑桔放完，上面再用松针叶覆盖好，放室内保存。丙组：用适量医用APC(保鲜剂)溶解于蒸馏水配成一定浓度的溶液，把一份柑桔放入浸泡适当的时间。取出后晾干水分，（此括号内不是文章内容，来自www.lexue88.com，阅读请跳过），用保鲜袋包装好放塑料桶(篮)中保存。(3)观察与记录。利用空调机将室温调节为24℃，定时观察各组出现斑点和软腐的情况，做好详细的记录。试验进行到柑桔完全失去食用价值时结束。(4)实验结果分析。在三组处理中，只要乙组的柑桔保鲜期优胜于甲组，说明松树针叶有保鲜作用，而乙组的保鲜期接近、相等或优于丙组，则说明松树针叶有良好的保鲜作用。　　 3.设计实验改进方法：此类试题主要考查学生对实验设计的严密性和科学性，并以此为媒介，引导解决问题的最佳方法，进一步培养学生的科学素质和科学能力。　例3引起50%左右细胞发生初始质壁分离的浓度，我们称之为细胞液的等渗浓度。为了测定洋葱表皮细胞的等渗浓度，有人把剪成小块的洋葱表皮细胞分别(等量)依次放入下面各组溶液中，并记录结果如表（１）：(1)该洋葱表皮细胞的等渗浓度为多少？(2)如果再给你4组实验材料，请设计出可以更精确地测出细胞等渗浓度的方法。解析：这类试题并不单纯以实验能力为考查目的，而是以实验作为问题情境，考查学生的综合分析能力。根据题设条件可知该洋葱表皮细胞的等渗浓度为0.5-0.6mol/L之间。如何设计一个更加精确的测定方法，从题中的设计思路推知，可采用缩小各组蔗糖溶液的浓度梯度加以测定。因此可分别配置浓度为0.52mol/L、0.54mol/L、0.56mol/L、0.58mol/L的4组蔗糖溶液进行类似实验。或先配置浓度为 0.55mol/L的蔗糖溶液进行实验，如果发生初始质壁分离的超过50%，则再配置0.53mol/L的蔗糖溶液，如果没有达到50%，则再配置 0.58mol/L的蔗糖溶液。依次类推，先后进行4次实验。 4.综合实验设计型：这类试题完全为开放性试题，其条件、方法和方案均具有不确定性。要求根据题型要求自行设计。例4　某地种、养殖品种及生产的某些因素如表（２）。请依生态学原理，选择种、养殖生物各两种，设计一个良性循环的生态系统(以物质循环示意图方式展示，如有必要请做简要说明)。解析：本题要求学生运用生态学知识，根据生态平衡原理，设计一个良性循环的生态系统，其条件、方法和方案具有不确定性。其要点是做到投入少、产量高，要有效避免或减轻环境污染，要以生物能转化的废弃物循环利用为基准点。根据题设要求，种植和养殖可随意选取两种，同时可考虑设置沼气池将秸秆和粪便入沼气池发酵产生沼气，供家庭生活使用。沼渣供植物作肥料，植物草茎可作为养殖动物的饲料。施肥要求用农家肥，防止环境污染不用化肥。同样为避免环境污染，治理虫害不用农药，而采取生物防治方法，甚至可采用转基因技术，将抗虫基因导入农作物体内，从而具备抗虫功能。其参考设计方法如图（３）所示：说明：可用性引诱剂、害虫天敌等生物防治方法防治害虫。