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實驗設計是生物實驗中的一種常見題型，它能較全面的考查學生的實驗知識和基本技能，分析問題和解決問題的能力以及創造能力，因而在高考中相對穩定。由于學生缺乏實驗設計系統的理論知識，因此，遇到這類題型，就會感到無從下手，導致考試中嚴重失分。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題型等進行歸納總結，增加學生理論知識，提高學生分析問題和解決問題的能力。

一、實驗設計的基本內容

（一）實驗名稱或課題（是關于什么內容的實驗）；

（二）實驗目的（要探究或者驗證的問題或事實）；

（三）實驗原理（進行實驗所依據的科學道理，隱含著實驗假設和預期）；

（四）實驗材料和條件（進行實驗的主要對象，完成該實驗必備的儀器、設備、藥品等）；

（五）實驗方法與步驟（實驗采用的方法及必需的操作程序）；

（六）實驗測量或觀擦與記錄（對實驗過程及結果應有科學的測量手段、觀擦指標與準確的記錄）；

（七）實驗結果預測及分析（能夠預測可能出現的實驗結果并分析其原因）；

（八）實驗結論：對實驗結果進行準確的描述并給出科學的結論。

二、實驗設計的基本原則

（一）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要依據生物學基本知識和基本原理，不能主觀臆造。如：酸堿度對酶活性的影響，酶的高效性實驗的順序等。

（二）單一變量原則

1、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，通常可分為兩類：

（1）實驗變量與反應變量。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“溫度對酶活性的影響”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反應結果也隨之變化，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。

（2）無關變量與額外變量。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。額外變量，也稱干擾變量，指實驗中由于無關變量所引起的變化和結果。顯然，額外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，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，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、不穩定，則會在實驗結果中產生額外變量，出現干擾，造成誤差。實驗的關鍵之一在于控制無關變量或減少額外變量，以減少誤差。

（二）單一變量。在實驗設計中僅僅改變實驗中的某一項變量，其它因子不變，在此條件下，觀察、研究該變量對實驗材料和實驗結果的影響。除了整個實驗過程中欲處理的實驗因素外，其他實驗條件要做到前后一致。綜合研究多變量時，也要求先研究一個變量，再研究一另個變量。

（三）對照性原則。對照是實驗控制的重要手段之一，目的還是在于平衡或消除無關變量對實驗結果的干擾。通過設置實驗進行對照，可排除無關變量的影響，也可增加實驗結果的可信度和說服力。

通常，一個實驗可為實驗組和對照組。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，故實驗組與對照組的差異，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）；

雖然，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--甲狀腺激素能促進小動物的生長發育。

4、相互對照：指不另設對照組，而是幾個實驗組相互進行對照，在等組實驗法中，大都是運用相互對照，如“植物的向性運動”的等組實驗中，5個實驗組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。

（四）可重復性原則。指控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。目的在于盡可能消除無關變量所造成的實驗誤差，體現實驗的準確性與科學性。

（五）簡單可行性原則。指實驗材料容易獲得，實驗裝置簡化，實驗藥品便宜，實驗操作簡便，實驗效果明顯并能在較短時間內完成。從實驗目的、實驗原理到材料用品的選擇、實驗操作等，都要符合實驗者的一般認知水平，滿足現有的條件，具有實驗和完成實驗的可能性。

三、實驗設計的基本思路

（一）準確把握實驗目的：看清題意是要求設計實驗方案、步驟還是分析實驗結果，是探究性實驗還是驗證性實驗。

（二）明確實驗原理：要解決題目所給的問題，要用到生物學上什么原理。

（三）確定實驗思路：根據原理對實驗作出假設，并充分利用實驗材料設計實驗思路。

（四）精心設計實驗步驟：根據實驗目的、原理和思路，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟。并設置好實驗組和對照組，遵循實驗設計的原則。并將觀察到的現象如實進行記錄。

（五）準確預期實驗結果并分析得出結論：實驗步驟一般不連續描述，要分段敘述；試管、燒杯等要給予編號。在敘述實驗步驟及預期結果時結論時，語言文字要簡明扼要，準確科學。

四、實驗設計的基本題型

類型一：設計實驗方案型。

給出實驗用具、材料、藥品、實驗目的，或只給實驗目的，實驗器材自選，設計實驗方案。

［例1］請根據下述條件設計一個實驗，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實驗步驟并分析結果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml燒杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，細線一根，支架l個。

(一)實驗步驟：

(二)結果分解：

［解析］本實驗是考查滲透作用的原理和動手設計實驗的能力，解題的關鍵是如何利用透析袋和兩種液體形成一個滲透系統。當將兩種液體之一放入透析袋，另一液體放大燒杯中，然后將盛放液體的透析袋用線扎實(插入刻度玻璃管)并浸浴在燒杯的液體中時，由于兩液體具有濃度差，水分子便通過透析袋發生滲透作用，觀察刻度玻璃液面數值變化即可將二者區別開來。根據實驗設計理論，把所給器材的作用分析清楚，有助實驗設計思路的形成。

［答案］(1)實驗步驟：①將一瓶中的液體倒入燒杯中；②將另一瓶中的液體倒滿透析袋，刻度玻璃管插入袋內液體中，用線將袋口和玻璃管扎緊；③將插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液體的燒杯中，垂直固定于支架上，記錄玻璃管液面刻度；④一段時間后，觀察玻璃管液面刻度，確定液面上升還是下降。

(三)結果分析：如液面上升，則透析袋中的溶液為30%蔗糖溶液，燒杯中的溶液為10%的蔗糖溶液。反之，可推測透析袋中是10%蔗糖溶液，燒杯中的液體是30%的蔗糖溶液。

類型二：評價和糾正型

分析已有實驗設計方案中不科學性，并提出改進。

［例2］北阿爾伯達的一個工廠把產酸的化學品排入到空氣中，工廠東面有一個湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已從原來的6兒降低到5.7。雖然酸性沉積一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不變。湖中原有的魚是河鱸和鯉魚。釣魚愛好者抱怨說，自從工廠開辦以來，魚資源已經減少。工廠的工人設計了一個實驗，證明工廠排放出去的化學藥品與魚資源的減少沒有關系。

工人取一只大容器，盛放湖水，維持pH值在5.7。從湖里找來大魚放在該容器內，喂以蛋白質飼料。在這樣的條件下，魚正常成長。

假定你是一個獨立的仲裁員，受雇于垂釣愛好委員會委拖，來對該項實驗進行評估，列出你要得到的附加信息，并列舉說明你要用什么方法去得到這些信息。

［解析］本實驗設計方案中沒有考慮魚的生活中受著多種因素影響，這與單一變量原則是相違背的。分析問題不全面，只考慮單一因素的影響，設計實驗無說服力，也不符合實驗設計的要求。本題考查思維的全面性，在認定兩個問題時，除了看有無直接聯系外，也要注意考慮間接聯系。

［答案］該實驗設計測量不出下列因素。而這些因素都是對河鱸和鯉魚的影響的：

（l）酸對河鱸和鯉魚的食物數量多少的影響；

（2）酸對河鱸和鯉魚的魚卵或幼魚的影響；

（3）由于春季干涸造成pH值季節性漲落的影響；

（4）由于酸的分解作用而進入水域的重金屬量是多少；

為了說明上述第一點，必須完成一項研究，即確定各種浮游生物，水生昆蟲和小魚的多少。如果這個食物網的某些環節正在喪失，則有必要去研究酸是否對此有影響。為了說明上述第二點，可以在酸化水中飼養魚卵和幼魚。魚的數量減少可能是上述第一點和第二點結合的產物，所以人工飼養幼魚可能會給出不可靠的結果。

對于季節性漲落，應該對全湖長期取水樣。做仔細徹底的記錄至少一年。這一因素可能和第二點相符合，因為魚卵或繁殖更受低pH值的影響。重金屬是累積的有毒物質，人工飼養和魚與湖里吃污染食物的魚相比，并不處在相同水平的毒素中。應該在湖水中、魚飼料中以及河鱸和鯉魚身體中檢測如鉛這樣的重金屬含量。

所有這些因素都說明，酸的影響是長期的，在容器里短期飼養的魚不可能給出可靠的結果。這種研究必須以年為周期來實施，而且要與該工區其他湖水情況作比較。

類型三：補充完善型

對已有的實驗設計進行補充和完善。

［例3］向你提供的條件僅有健康活潑的家兔一只，75%酒精、無菌干棉球、解剖刀、潔凈的載玻片10塊(編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、紅墨水、秒表，請在上述提供的條件范圍內，設計一個測定血液凝固時間的實驗。

實驗步驟：①用酒精棉球消毒兔耳；②用消毒解刮刀剖開兔耳邊緣的小靜脈；

請將實驗步驟補充完整：

［解析］這類題目的題干中已經提供了一定的信息，基本上劃定了答題的模式，目的明確，前面的方法步驟等信息已為續答作了鋪墊，只要明確題目中的實驗變量和反應變量，然后設計對照組，再根據有關原理分析，一般就能比較正確地寫出答案。本實驗設計方案很巧妙地看出血液是否凝固。

［答案］③把從刀口流出的血液分別在ABCDEFGJIL10塊載玻片上滴一滴(第一滴血棄去不用)；④取血后對兔耳刀口外進行消毒止血；⑤在L載玻片上滴一滴紅墨水(起對照作用)；⑥開始記錄時間，過l分鐘后將A載玻片豎立，第二分鐘后將B載玻片豎立(在它們豎立的同時，都將L載玻片豎立)，其余類推，看血液是否完全凝固(血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改變為凝固)；⑦血液完全凝固，而墨水仍然流動，即為血液凝固時間。

五、生物實驗設計題解題策略

（一）生物高考實驗設計的三種題型雖然在形式上有一定的差異，但在答題中卻有共同點，先要認真研究課題，找出其中的實驗變量和反應變量，其次是構思實驗變量的控制方法和實驗結果的顯示方法，最后再選擇適宜的實驗材料，在注意實驗步驟邏輯性的前提下表達實驗的方法步驟。在實驗方法和步驟設計中最重要的是把握好變量控制。

（二）重視課本實驗的復習，掌握書本知識是提高實驗設計能力的基礎。要熟悉教材，心中有書。題在書外，理在書內。因此要深入理解與靈活應用基礎知識。在考試說明中明確提出了，要求“理解所學實驗的實驗內容，包括實驗原理、方法和操作步驟、實驗變量的控制、掌握相關的操作技術”。

（三）挖掘課本中所蘊含的實驗因素，深刻領會教材有關實驗的本質與特點是提高實驗設計能力的前提。要認真分析教材所涉及的實驗，包括學生實驗，演示實驗，經典實驗等。生物學的每一個知識結論都是在觀察、實驗的基礎上得出的，在平時的復習中要注意多挖掘知識結論中所蘊含的科學思想和方法，深入分析實驗的條件、過程、現象、結果和結論的科學性。例：生長素的發現過程中，涉及生長素產生的部位、感光的部位、作用的部位、運輸的方向等，這些都可以思考如何設計實驗來證明。

（四）學會對已知實驗進行變換和轉化是提高實驗設計能力的有效手段。求變、求異思維的發展有助于提高實驗設計能力。善思會變才能應答自如，通過換位思考提高素質，才能將所學知識，技能遷移到新情景中來，才能依據實驗目的、原理和材料安排實驗步驟等，并作出分析、評價和結論