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学习组织者:西关外国语学校 - 宽带多媒体综合教育平台WWW.LWEDU.COM 荔湾区名师工作站2009学年上学期校本教研学习资料 《生物学实验设计题的解题方法》 学习组织者:西关外国语学校 田晓燕 资料名称:《生物学实验设计题的解题方法》 周续莲(宁夏大学生命科学学院 银川 750021) 摘 要 本文简要归纳了生物学实验设计题的概念和类型，介绍了解答实验设计题需要的六个步骤，即仔细审题、明确实验原理、设计实验思路、选择实验材料和用具、设计实验操作步骤、预期实验结果,并以2005年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试(B卷)30题的(1)为例进行说明。 关键词 生物学实验 实验设计题 解题方法 实验思路 生物学是一门以实验为基础的学科，因此实验是生物学教学和考查的重要内容。在历次高考中，有关实验的试题都占相当比例。例如，1981年恢复生物学高考的第一年，生物学实验题就出现在高考试题中，而且分值约占总分的7,[1]。2002年的上海高考生物试卷中出现了要求写出实验器材和操作步骤的设计题，2005年全国理综试卷中也出现了生物学实验设计题。2007年以来以实验为背景的生物试题约占生物学科总分的30,，而且实验设计题几乎是每套高考试卷必考的题。但是，学生在实验设计题上的得分率并不高，主要是学生没有很好地掌握解题方法。本文结合高考考题对实验设计题的解题方法进行说明。 1 相关概念界定 生物学实验是根据研究目的，运用一定的手段(仪器、设备)主动控制、干预研究对象，或创造一种典型环境或特殊条件，并在其中进行的探索生命现象及其运动规律的实践活动。 生物学实验设计是根据一定的目的要求，运用有关的原理，对实验的材料、方法、手段、步骤等因素进行合理和安排，形成可行性的过程。在进行实验之前，需要先对实验的方法、步骤进行设计。设计的过程就是规划和安排用什么手段对研究对象(或条件)进行控制或干预，预期干预后的结果，并规划和安排获取结果的方法。设计的结果是形成可行的方案，它包括实验的目的、原理、材料用具、方法步骤、预期的结果。 生物学实验设计题是根据生物学实验和实验设计的要求，给出一定的条件，要求学生构思实验思路，或写出实验材料、方法步骤、预期实验结果，解释实验现象的试题。这类试题主要考查学生综合运用基础知识和实验方法分析问题，建立解决一些简单问题方案的能力。 2 生物学实验设计题的类型 目前高考中出现的生物学实验设计题主要有三类，第一类是要求写出实验步骤、用具、材料、预期实验结果，并解释或写出其中几项的试题。例如，2005年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试(B卷)30题的(1)小题:植物叶片表皮上分布有大量的气孔，气孔结构如图所示。当组成气孔的细咆(保卫细胞)吸水后，会膨胀变形，气孔开启。反之，细胞失水收缩，气孔关闭。请以放置一小段时间的菠菜为材料设计一个实验，气孔具有开启和关闭的功能。要求写出实验材料与主要用具、实验步骤、预测实验结果并做出解释。 第 1 页 共 5 页 荔湾区名师工作站2009学年上学期校本教研学习资料 《生物学实验设计题的解题方法》 第二类是要求设计实验思路的题。例如，2008年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试(宁夏卷)29题II题:已知蛋白质混合液中硫酸铵浓度的不同可以使不同种类的蛋白质析出(或沉淀)，随着硫酸铵浓度增加，混合液中蛋白质析出的种类和总量增加。下表是某蛋白质混合液中的不同蛋白质从开始析出到完全析出所需要的硫酸铵浓度范围。简要写出从该蛋白质混合液中分离出全部丁蛋白的实验设计思路。 第三类是要求修改、补充完善实验方法步骤的题。例如，2004年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试(北京卷)的第31题:一种以地下茎繁殖为主的多年生野菊分别生长在海拔l0m、500m和1000m的同一山坡上。在相应生长发育阶段，同一海拔的野菊株高无显著差异，但不同海拔的野菊株高随海拔的增高而显著变矮。为检验环境和遗传因素对野菊株高的影响，请完成以下实验设计。 (1)实验处理:春天，将海拔500m和1000m处的野菊幼芽同时移栽于l0m处。 (2)实验对照:生长于 ________ m处的野菊。 (3)收集数据:第二年秋天 ________________________ 。 实验设计题一般都是综合性试题，对学生能力要求较高，难度较大。但是，解答这类试题是有一定规律可循的，需要掌握一定的方法。 3 生物学实验设计题的解题步骤 根据设计实验的过程，解答实验设计题一般需要六个步骤，下面以2005年普通高等学校招生全国统一考试理科综合能力测试(B卷)30题的(1)小题(简称2005年30题)为例进行说明。 3.1仔细审题 审题是做题的前提。在做题时，首先要仔细阅读题干、分析所给条件，明确题目的要求，根据所学的生物学知识，挖掘题目中的隐含条件，找出实验中的变量。 题目要求“证明气孔具有开启和关闭的功能”。通过分析题干可知，气孔的开闭是由保卫细胞吸水或失水引起的。但是，保卫细胞韵吸水或失水又是由什么引起的?题干并没有告诉，这个条件是隐含的，需要学生运用课堂所学知识来回答。根据课堂所学知识可知，细胞外液的浓度是引起细胞吸水和失水的原因。因此，细胞外液的浓度是气孔开闭的真正原因。所以，在此实验中，细胞外液浓度是自变量，气孔的开闭是因变量。 要“证明气孔具有开启和关闭的功能”，必须观察到气孔的开启和关闭的过程。因为用显微镜才能看到气孔，又因为气孔位于菠菜叶片的表皮，要想用显微镜看到气孔，还需要用表皮制作成临时装片。根据自变量和因变量之间的关系，要看到气孔的开启和关闭变化，还需要用浓盐水和清水分别处理保卫细胞。这些问题的解决都需要运用课堂所学的相关知识，这也是这道题的难点所在。这道题的难度较大，得分率仅为0(3。但是通过分析，把这些隐含的条件都挖掘出来，后面的问题就比较容易解决。 3.2明确实验原理 在实验的设计和操作过程中需要遵循一些规律性的知识或方法，这些规律性的知识或方法是确保实验具有科学性的前提条件，是设计实验的依据。在解答实验设计题时，经过审题分析后要根据题干所给的条件和课堂所学的相关知识，确定设计实验的依据，这是解答实验设计錾的关键。 第 2 页 共 5 页 荔湾区名师工作站2009学年上学期校本教研学习资料 《生物学实验设计题的解题方法》 根据前面的分析，“证明气孔具有开启和关闭的功 能”，需要依据以下几个原理: (1)气孔的结构和位置 气孔位于菠菜叶片表皮上，由保卫细胞构成。 (2)气孔开启和关闭的原因 当组成气孔的保卫细胞吸水后，会膨胀变形，气孔开启;反之，细胞失水收缩，气孔关闭。浓盐水可以使保卫细胞失水，从而使气孔关闭。清水可以使保卫细胞吸水，从而使气孔开启。 (3)观察气孔开启和关闭的方法显微镜的使用方法，制作临时装片的方法。 3.3 设计实验思路 设计实验思路就是根据实验原理构思进行实验的方法和过程，这是设计实验的关键环节，也是近几年高考试题中出现频率较高的内容。 根据生物学实验的概念，构思实验方法就是确定实验中运用什么手段(仪器、设备)去控制或干预? 去控制或干预实验对象，还是实验条件?是否需要设置对照?控制或干预后出现什么现象?如何记录现象?在设计实验时，一般是通过改变自变量从而达到改变 因变量的目的。因此，用浓盐水使菠菜叶表皮保卫细胞失水，气孔关闭。用清水使保卫细胞吸水，从而使气孔开启。用显微镜观察实验结果，用纸笔进行记录。这个实验可以在同一菠菜叶表皮制作的装片上先后进行，而且加清水和加浓盐水本身就形成了对照，是自身对照，不需要再设对照组。 构思实验过程就是确定进行实验的先后顺序。虽然上面的问题都清楚了，但是，操作时，却不一定是按上面的顺序进行。还需要根据实验中每一步之间的逻辑关系确定进行实验的顺序。首先要用菠菜叶表皮制作装片。在制作过程中，要滴加清水，保卫细胞将吸水，气孔会有所变化，因此装片做好后先在低倍镜下观察。为了能清晰地观察到气孔，还需要转入高倍镜下观察。然后再滴加浓盐水，再观察。实验思路如下: 先取菠菜叶表皮制作临时装片，然后把装片放在低倍镜上找到气孔，换到高倍镜下观察并记录现象。在盖玻片的一侧滴加浓盐水，再观察、记录现象。 3.4 选择实验材料和用具 进行生物学实验需要运用一定的材料和用具。实验用具主要根据实验原理、思路和题干所给条件来选择。如果题中给出了部分材料和仪器设备供选用，就应充分利用而不能再选其他的。在选用时，需仔细考虑所给出的材料和仪器设备分别起什么作用，怎样运用。 题中所给的实验材料是菠菜叶。根据实验原理和设计思路，主要用具有显微镜(观察气孔);载玻片、盖玻片、解剖刀、镊子、清水、滴管(制作临时装片);浓盐水、吸水纸(使保卫细胞失水)。 3.5 设计实验操作步骤 实验操作步骤是对实验思路中每一步的操作方法进行具体的说明，包括控制或干预实验对象(或条件)的操作步骤，观察、记录实验现象的操作步骤。主要根据仪器设备的使用方法设计，必须说明用什么仪器设备做什么。操作步骤要简洁、具体、可行。根据前面的分析，操作步骤如下:?取菠菜叶，用镊子剥取表皮。?在载玻片上滴一滴清水，将表皮放人清水中，盖上盖玻片，制成临时装片。?将临时装片放在显微镜载物台上，先在低倍镜下找到气孔，移动到视野中央，再换高倍镜进行观察，记录观察到的气孔状况。?在盖玻片的一侧滴上浓盐水，在另一侧用吸水纸吸取盖玻片下的液体，反复做几次。?继续观察气孔的变化，并做记录。 3.6预期实验结果 在设计实验时，需要根据实验原理，推测可能出现的结果，这称为预期。一般在构思实验思路时就应预期每一步可能出现的结果。制成临时装片观察时，气孔应张开;在盖玻片的一侧滴上浓盐水后，气孔应关闭。因为根据实验原理，滴加清水后，保卫细胞吸水膨胀，气孔张开;滴加浓盐水中，保卫细胞失水，气孔关闭。由此证明，气孔具有开启和关闭的功能。 4小结 一般来说，一道实验设计题可能只涉及这六个步骤中的某些环节，例如，有些题只要 第 3 页 共 5 页 荔湾区名师工作站2009学年上学期校本教研学习资料 《生物学实验设计题的解题方法》 求设计实验思路，有些题要求写出实验步骤、用具、材料、预期实验结果并解释，或写出其中的某一项。如果学生解题时能把整个过程搞清楚，解题就会更容易。如果试题考什么，学生就思考什么，因为思维不连贯，解题过程可能不顺利。例如，在2005年30题中，虽然没有要求写出实验原理，但是在设计实验步骤、预期和解释实验结果时，都要用到实验原理。我们在阅卷中发现相当一部分学生不清楚实验原理，就去设计实验方法步骤，结果很多学生的设计都不合理。因此建议，按照以上六个步骤解答实验设计题。另外，实验原理是解答实验设计题的重要依据，不管题目是否要求写出，都应搞清楚。 主要参考文献 [1]宋建陵(2004(中学生物学实验教学百年回顾(生物学教学，29 (9):23,26 此文发表于《生物学教学》2009、第9期 附:读后反思 该篇文章较系统的阐述了生物学实验和生物学实验设计的实质，对生物学实验设计所包含的系列内容、出题依据和近些年高考实验设计题类型等进行详细介绍。该文还针对高考实验设计试题的类型，详述解题的六个步骤，论述清晰，指示性强，对高中生物实验设计的教学和高考备考有非常好的指导作用。其实在区、市教研活动和备考研讨中有关实验设计的内容已有许多，但作为一线教师在实际工作自己仍有许多方面需要加强，下面以08学年高一级生物联考题中实验设计题的答题情况，粗谈自己今后在这方面教学中应加强的地方。 高一上学期统考第53题:某研究小组在探究“影响酶活性的条件”的实验时，提出“过氧化氢酶的活性是否受PH影响”的问题，并设计了如下的实验操作步骤: ?向甲、乙试管内各加入2ml新配制的体积分数为3,的过氧化氢溶液; ?向甲试管内加入lml质量分数为5,的盐酸; ?向乙试管内加入1ml质量分数为5,的氢氧化钠溶液; ?向甲、乙试管内各加入2滴新鲜的质量分数为20,的猪肝研磨液; ?观察试管中发生的变化。 请回答下列问题: (1) 请根据该小组设计的实验操作步骤，设计一个表格，以便操作和记录。 (2) 过氧化氢分解速率是本实验的因变量，可观测的指标是____________ 。 (3) 上述实验缺少对照，请补充一个实验对照组。_____________。 (4) 在完成改进方案后， 预期的实验结果是:________________。 统考中学生此题答题的得分率较低，未达50,。此题属于该篇论文中所说第一类型的实验设计题，主要考查实验步骤和预期实验结果，题目要求以表格的形式呈现实验步骤，也考查了学生图文转换的能力。此题的解题关键在于如何确定自变量，因变量以及因变量的表现形式。题干中“过氧化氢酶的活性是否受PH影响”可确定自变量为不同PH值，受PH影响后酶活性高低为因变量。 从改卷的情况看，学生在答此题时存在如下一些问题，一、审题不认真，没有真正弄明题意，不能明晰的自变量和因变量，只是依葫芦画瓢的方式按题目步骤的次序绘制表格，所绘制的表格不能正确的反映自变量和因变量的关系。因此相当一部分学生的表格上缺乏实验结果记录栏。二、受不能正确确定因变量和自变量的影响，部分学生也未能准确的判断因变量的表现形式(产生的气泡量)，从而也不能准确预测实验的结果。由于学生在实验课上进行过“过氧化氢酶催化过氧化氢分解”的实验，对在酶催化下过氧化氢被分解成O和HO22具有一定认识的，但对酶作用实质、实验设计中的因变量一定要以可观测指标表示认识不够。 第 4 页 共 5 页 荔湾区名师工作站2009学年上学期校本教研学习资料 《生物学实验设计题的解题方法》 在酶促反应中，酶活性高低直接影响酶促反应的速度，酶促反应的速度又以单位时间内反应物生成量的多少来表示。由于反应物0以气泡形散发，气泡量的多少代表了氧气量的多少，2 而且可以目测，所以因变量就以同一时间试管内生成的气泡量来表示。一些同学知道用氧气产生速率来反映酶活性高低，但没有考滤到单位时间内氧气分子生成数量是不可目测的，答错了实验观测的指标。三、也是受变量未分清的影响，对照组设置漏洞多。实验组是指人为运用一定手段主动控制某一条件下进行的实验，被控制的这一条件就是实验组和对照组之间的差异，此外一切条件相同，这样才能确保单一变量。学生的答案多数为增添第三支试管，加入1ml蒸馏水。由于没有说明其它的条件如何，结果变成第三支试管与前两支试管间存在多变量，变量和结果之间就不存在一一对应的关系，不能成为对照组。 从以上学生答题情况分析看出，实验设计教学中存在如下不足: 1、实验设计考查的各个环节强调不足，学生未能熟吨位各种不同考题。 2、从实验设计题题干内容去辩析自变量和因变量以及它们各自的呈现形式的训练仍然不足，学生不能有效的出一些答题规律 3、自变量和因变量间因果关系的分析仍不够，因为二者关系的理清涉及实验设计 步骤的设置和前后顺序，直接影响考查实验步骤时的得分率。 总而言之，学生要答好实验设计题，必以较好的基础知识作为支撑，所以提高学生实验题的解题能力，首先要做好的就是基础知识的教学。其次，日常教学中学生实验思维、在自变量和因变量的辩析、实验目标达成后表现形式的判断上还要进一加强。为学生解实验设计题能力提高再作努力。 第 5 页 共 5 页