摘 要 所謂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，就是要求學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理，選擇實(shí)驗(yàn)器材，安排實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法及分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。它包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要考查學(xué)生是否理解實(shí)驗(yàn)原理，是否具有靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)知識(shí)的能力，是否具有在不同情境下遷移知識(shí)的能力。
關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題 解題方法 探究性實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題注重對學(xué)生生物實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，包括�?shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)基本技能和實(shí)驗(yàn)分析表述等。實(shí)驗(yàn)性試題特別是新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題具有良好的區(qū)分度，能夠全面考查學(xué)生對相關(guān)知識(shí)的理解、遷移和綜合運(yùn)用能力以及語言組織能力，更能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與體現(xiàn)學(xué)生的能力水平。因此可以預(yù)料，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題將成為今后高考實(shí)驗(yàn)命題的主要題型。下面介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試題的一般解題方法與策略。
1 了解題目要求
解題先要認(rèn)真審題，找到關(guān)鍵詞，才能明確題意并少走彎路。首先要明確這是探究性實(shí)驗(yàn)還是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其次要明確該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模匆骄炕蝌?yàn)證的“生物事實(shí)”是什么？或者是此“生物事實(shí)”的哪一方面？
2 分析實(shí)驗(yàn)原理
明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮�，要分析該�?shí)驗(yàn)依據(jù)的科學(xué)原理是什么？涉及了生物學(xué)及一些相關(guān)學(xué)科的哪些方法和原理？實(shí)驗(yàn)基本原理是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，要研究實(shí)驗(yàn)，只有明確實(shí)驗(yàn)的原理，才能真正掌握實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵、操作的要點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、改造和創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)原理一方面可來源于題干，另一方面也可來源于課本中的相關(guān)知識(shí)，即可通過解讀題干或聯(lián)想課本相關(guān)知識(shí)來獲取實(shí)驗(yàn)原理。如“探究酶活性與溫度的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理為：淀粉遇碘變藍(lán)，淀粉酶可催化淀粉水解為麥芽糖，麥芽糖遇碘不變藍(lán)。
3 明確實(shí)驗(yàn)變量
變量是指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件，據(jù)其在實(shí)驗(yàn)中的作用，可分為實(shí)驗(yàn)變量與反應(yīng)變量、無關(guān)變量與額外變量兩類。
3．1 實(shí)驗(yàn)變量與反應(yīng)變量
實(shí)驗(yàn)變量，也稱為自變量，指實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者所操縱的因素或條件。反應(yīng)變量，也稱因變量，指實(shí)驗(yàn)中由于實(shí)驗(yàn)變量而引起的變化和結(jié)果。通常，實(shí)驗(yàn)變量是原因，反應(yīng)變量是結(jié)果，二者具有因果關(guān)系。實(shí)驗(yàn)的目的在于獲得和解釋這種前因后果。例如，在“探究溫度對酶活性的實(shí)驗(yàn)”中，所給定的低溫、適溫、高溫就是實(shí)驗(yàn)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(yīng)結(jié)果也隨之變化，這就是反應(yīng)變量，該實(shí)驗(yàn)即在于獲得和解釋溫度變化（實(shí)驗(yàn)變量）與酶的活性（反應(yīng)變量）的因果關(guān)系。
3．2 無關(guān)變量與額外變量
無關(guān)變量，也稱控制變量，指實(shí)驗(yàn)中除實(shí)驗(yàn)變量以外的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素或條件。額外變量，也稱干擾變量，指實(shí)驗(yàn)中由于無關(guān)變量而引起的變化和結(jié)果。顯然，額外變量會(huì)對反應(yīng)變量有干擾作用。例如，上述實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)變量（低溫、適溫、高溫）以外，試管的潔凈程度、唾液的新鮮程度、可溶性淀粉的純度、試劑溶液的劑量、實(shí)驗(yàn)操作程度、溫度處理的時(shí)間長短等等，都屬于無關(guān)變量，要求對低溫、適溫、高溫三組實(shí)驗(yàn)是等同、均衡、穩(wěn)定的。如果無關(guān)變量中的任何一個(gè)或幾個(gè)因素或條件，對三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的給定不等同，不均衡，不穩(wěn)定，則會(huì)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中產(chǎn)生額外變量，出現(xiàn)干擾，造成誤差。實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之一在于控制無關(guān)變量，或減少額外變量，以減少誤差。
4 分析實(shí)驗(yàn)材料用具，明確實(shí)驗(yàn)條件
4．1 生物實(shí)驗(yàn)題中已提供實(shí)驗(yàn)材料和用具
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所提出的問題和要求，認(rèn)真分析題中所提供的器材在實(shí)驗(yàn)中有什么作用？應(yīng)該怎么用？在該實(shí)驗(yàn)中是否必須用到？都應(yīng)作好充分的考慮。
通常題中給出的實(shí)驗(yàn)材料和試劑一般應(yīng)充分利用，另外除非題目允許，否則自己不能隨意增加試劑和材料。如果題中明確地說明了從題中所提供的器材中選取所需的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就要準(zhǔn)確地判斷和選取實(shí)驗(yàn)所需的用具和材料，防止少用或多用。其實(shí)這也相當(dāng)于隱含條件，只要你分析判斷準(zhǔn)確，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)就不會(huì)有所遺漏。
4．2 自行確定實(shí)驗(yàn)材料和用具
這類題型看似靈活，實(shí)則更能把握。實(shí)驗(yàn)器材使用要科學(xué)、恰當(dāng)，并且效果要好，這就需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟與要求等，聯(lián)系相關(guān)的生物學(xué)原理，遷移運(yùn)用教材相關(guān)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)用具，選擇好器材才能準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)。
5 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟
了解生物實(shí)驗(yàn)的一般步驟，是快速作答的捷徑。盡管不同的生物實(shí)驗(yàn)，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程可分為簡繁不一的若干步驟，但大多數(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)可按照下列步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：
第一步：實(shí)驗(yàn)分組
也稱為實(shí)驗(yàn)組裝，即選取題干提供的實(shí)驗(yàn)材料用具，對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行平均分組（分為實(shí)驗(yàn)組與對照組）并編號(hào)，注意相應(yīng)的無關(guān)變量（如實(shí)驗(yàn)對象的大小或體重、個(gè)體數(shù)量、長勢或健康狀況等）要保持一致。一般可采用以下表述形式：選擇長勢相同、大小相似的同種植物隨機(jī)等量（平均）分組，分別編號(hào)為甲、乙、丙；或選擇年齡、體重（性別）、健康狀況相同的某種動(dòng)物隨機(jī)等量（平均）分組，分別編號(hào)為1、2、3。
第二步：設(shè)置對照
對實(shí)驗(yàn)組與對照組進(jìn)行不同處理，即實(shí)驗(yàn)條件（實(shí)驗(yàn)變量）要不同。要注意盡量實(shí)驗(yàn)?zāi)荏w現(xiàn)“單一變量”的詞語，如我們常在實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)調(diào)“選取生長狀況相同的幼苗”、“數(shù)量大小相同的種子”、“置于相同并適宜條件下培養(yǎng)”、“加入等量的清水”等均是為了控制無關(guān)變量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。
第三步：相同處理
將實(shí)驗(yàn)組與對照組置于相同的適宜環(huán)境條件下處理一段時(shí)間，即讓無關(guān)變量保持一致，以免產(chǎn)生額外變量。這一步也可分散穿插在其他各個(gè)步驟中。
第四步：觀察記錄
觀察描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果，或收集記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因變量可能有多種具體的指標(biāo)，因此觀察和記錄因變量時(shí)應(yīng)選擇其中合適的一種，要求能較好反映與實(shí)驗(yàn)變量之間的關(guān)系，并易于觀察和測定。常用的關(guān)鍵詞有“……一段時(shí)間后（或定時(shí)）觀察（或測定）……，做好記錄（并計(jì)算出平均值”等。
這是實(shí)驗(yàn)步驟的一般設(shè)計(jì)模式，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種開放性試題，可能存在多種實(shí)驗(yàn)步驟和方法，這要看題目的具體要求而定，如有的實(shí)驗(yàn)中第一步和第二步可進(jìn)行調(diào)換，也有的實(shí)驗(yàn)中沒有第一步中的相關(guān)處理，分組與編號(hào)也與第二步合并在一起。無論如何，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)一定要遵循實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，最好要分析每一個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)性，或幾個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的延續(xù)性，安排實(shí)驗(yàn)的最佳程序，防止實(shí)驗(yàn)步驟不嚴(yán)密、不科學(xué)。
6 預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果是由實(shí)驗(yàn)變量而引起的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)論是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出的一種推論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理及記錄下來的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析整理，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論�？茖W(xué)的結(jié)果與結(jié)論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間要符合科學(xué)邏輯，符合生物學(xué)原理。預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論又可分為兩種情況來分析：
一是探究性實(shí)驗(yàn)。探究性實(shí)驗(yàn)是指在假設(shè)的指引下，獲取支持假說或推翻假說的信息的一類實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)前并不知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程在于努力探索實(shí)驗(yàn)結(jié)論，重在實(shí)驗(yàn)過程的探究，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谂囵B(yǎng)實(shí)驗(yàn)人員的獨(dú)立探索、觀察能力和科學(xué)思維方法，提高科學(xué)素養(yǎng)，因而探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論是未知的，實(shí)驗(yàn)前需對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，并分析出現(xiàn)該結(jié)果的原因，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果不唯一，大多有三種可能：變量促進(jìn)結(jié)果，變量抑制結(jié)果，變量與結(jié)果無關(guān)。預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)的表述方式為“若……（注：接預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象），則說明……（注：接預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)論）”。
二是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)框架下來驗(yàn)證、檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)原理所描述的結(jié)論的一類實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)知道了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程在于努力獲取預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，重在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲得，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑箤?shí)驗(yàn)人員能了解該實(shí)驗(yàn)的操作方法、步驟，以達(dá)到熟悉生物所固有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象特征。因而驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是唯一的，即實(shí)驗(yàn)原理所描述的結(jié)果，預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)的表述方式為“A組……（注：接實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）”、“B組（注：接實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）”。
7 注意事項(xiàng)
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)選材的合理性，如：所選材料應(yīng)有利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察：如可溶性還原糖的鑒定中應(yīng)選擇“白色或近白色”的材料；所選材料應(yīng)容易獲得，盡可能選擇無明顯季節(jié)性、地域性的材料；所選材料應(yīng)價(jià)格便宜。注意操作細(xì)節(jié)的合理性，如溶液或培養(yǎng)基滅菌后是否要冷卻后使用？酶促反應(yīng)的試管如何加熱？是直接加熱，還是水浴加溫？用酒精溶解葉中葉綠素時(shí)，酒精直接或隔水加熱？不同的情況下要合理地選用不同的水，如清水、池水、涼開水、蒸餾水、生理鹽水。實(shí)驗(yàn)中若要使用有毒物質(zhì)，應(yīng)怎么使用？使甲狀腺激素、胰島素、生長激素進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的方法應(yīng)如何操作？是飼喂，還是注射？同時(shí)還要注意操作順序的合理性和實(shí)驗(yàn)方案的可操作性等。這些在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前都應(yīng)充分地考慮，才能準(zhǔn)確、完整地設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)。
以上只是解答一般綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題的思考方法。在解題過程中，應(yīng)根據(jù)題目的具體要求，做出最合理的答案。
8 例題賞析
8．1 探究性實(shí)驗(yàn)
某實(shí)驗(yàn)小組要對“低溫是否會(huì)影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)步驟：?
第一步：組裝滲透裝置兩套，分別編號(hào)為1、2。
第二步：在兩組燒杯中分別加入等量的水，在長頸漏斗中分別加入等量的同一濃度的蔗糖溶液，保持管內(nèi)外液面高度相等。
第三步：對兩組裝置進(jìn)行不同處理：1組用水浴鍋加熱至37℃，2組的燒杯外加冰塊降溫。
第四步：兩組裝置同時(shí)開始實(shí)驗(yàn)，幾分鐘后觀察記錄漏斗的液面刻度變化。
請分析回答下列問題：?
（1）本實(shí)驗(yàn)是通過測定水分子通過膜的擴(kuò)散即 作用速率來進(jìn)行探究的。
（2）此實(shí)驗(yàn)的自變量是 ；為了直觀地表示相對速率，用 作為因變量。
（3）該實(shí)驗(yàn)可能的結(jié)果與結(jié)論是：?
①若1組漏斗液面比2組高，則說明 。
② 。
③ 。
（4）如果上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了“低溫能影響物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)乃俾省�，那么對于生物活�?xì)胞來講，產(chǎn)生這種情況的原因是：?
① 。
② 。
答案：（1）滲透
（2）滲透系統(tǒng)所處的不同溫度環(huán)境 漏斗液面高度的變化?
（3）①低溫會(huì)影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸且運(yùn)輸速率減慢；②若2組漏斗的液面比1組高，則說明低溫會(huì)影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸且運(yùn)輸速率加快；③若1、2組漏斗的液面高度相同，則說明溫度高低并不影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?
（4）①低溫會(huì)影響細(xì)胞膜的流動(dòng)性，從而影響其功能；②低溫會(huì)影響酶的活性，從而影響細(xì)胞呼吸釋放能量的過程。
解析：本實(shí)驗(yàn)屬于探究性實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵是對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測。該實(shí)驗(yàn)是通過處于不同溫度條件的滲透系統(tǒng)中漏斗液面高度的變化，探究溫度對物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)挠绊�，因此�?shí)驗(yàn)的自變量應(yīng)該是滲透系統(tǒng)所處的不同溫度環(huán)境，因變量是漏斗內(nèi)液面高度的變化。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄俊暗蜏厥欠駮?huì)影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸”，所以，有可能影響，也可能不影響。如影響，則又分低溫能促進(jìn)滲透和抑制滲透兩種情況；如沒有影響，則兩組的液柱高度一致。分析低溫影響活細(xì)胞跨膜運(yùn)輸?shù)脑驎r(shí)，應(yīng)從跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞饺胧�，跨膜運(yùn)輸與膜的流動(dòng)性有關(guān)，另外主動(dòng)運(yùn)輸和胞吞、胞吐還需要消耗細(xì)胞呼吸釋放的能量，從而找到解答該題的突破口。
8．2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證適宜濃度的生長素通過促進(jìn)細(xì)胞分泌H＋，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞伸長，有人設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。請?jiān)趯?shí)驗(yàn)方案中的空格中補(bǔ)上適當(dāng)?shù)膬?nèi)容并回答問題。
（一）實(shí)驗(yàn)方案：
（1）實(shí)驗(yàn)材料與藥品：10－5mol／L生長素溶液、pH分別為5．0、9．0的緩沖液、黑暗中萌發(fā)的小麥種子若干、鑷子、刀片、刻度尺、培養(yǎng)皿等。
（2）實(shí)驗(yàn)步驟：
①材料處理：選擇在黑暗中萌發(fā)的 的小麥種子若干，用鑷子取其胚芽鞘并切掉尖端，平均分成三組。
②將平均分組的胚芽鞘放入編號(hào)為1、2、3的培養(yǎng)皿中，加等量的不同試劑，置于相同且適宜的溫度下培養(yǎng)。
�、垡欢〞r(shí)間后 ，并進(jìn)行若干次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄結(jié)果。
（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
組別
處理方法
結(jié)果
1
10只胚芽鞘＋10-5mol／L生長素溶液
2
胚芽鞘生長不明顯
3
10只胚芽鞘＋pH為5．0的緩沖液
胚芽鞘生長明顯
（二）問題：
（1）步驟①中切除胚芽鞘尖端的目的是 。
（2）步驟③中重復(fù)實(shí)驗(yàn)的目的是 ，其他步驟中還有哪些措施也是為了達(dá)到這一目的？ 。
答案：（一）（2）①生長狀況一致 ③測量并統(tǒng)計(jì)各組胚芽鞘的平均長度
（3）
組別
處理方法
結(jié)果
1
胚芽鞘生長明顯
2
10只胚芽鞘＋10-5mol／L生長素溶液＋pH為9．0的緩沖液
3
（二）（1）排除胚芽鞘尖端產(chǎn)生的生長素對實(shí)驗(yàn)的干擾
（2）減小實(shí)驗(yàn)誤差（一次實(shí)驗(yàn)的偶然性太大） 選擇生長一致的幼苗、平均分組、置于相同且適宜的溫度下培養(yǎng)、測量并統(tǒng)計(jì)各組胚芽鞘的平均長度。
解析：本實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證適宜濃度的生長素通過促進(jìn)細(xì)胞分泌H+，從而促進(jìn)細(xì)胞伸長。所以實(shí)驗(yàn)設(shè)置中要有一組用10-5mol／L生長素溶液處理胚芽鞘，即第1組，另外還要用pH分別為5．0、9．0的緩沖液處理胚芽鞘，即第3組和第2組。如果第1組與含有H+的第3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，即胚芽鞘生長明顯，則有可能是H+發(fā)揮了促進(jìn)作用，但是不能肯定是H+發(fā)揮的促進(jìn)作用。若通過第2組實(shí)驗(yàn)證明在堿性（無H+）條件下胚芽鞘生長不明顯這個(gè)事實(shí)，則可說明是H+發(fā)揮了促進(jìn)胚芽鞘生長的作用，從而得出第1組生長素促進(jìn)生長的原因與第3組一致：含H+。
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.douzifanli.com/gaozhong/177660.html
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