08届高三生物实验设计与实验分析
生物学是一门以实验为基础的自然科学。生物学的理论都是人们在科学探究的过程中通过实验总结出来的。但是在实验过程中，会有多种因素影响、干扰实验结果，致使实验失败。此时，实验分析就显得很重要：一方面，可以找出并排除影响因素，使实验重做能获得成功；另一方面，还可以总结出经验教训，甚至可能还有意外的收获、新的发现，这在科学史上是不乏其例的。我们在进行实验时，首先对实验的根本目的要有深刻的认识；同时要重视实验结果，还要重视分析结果。不能只满足于实验的成功，而不愿对实验失败的原因进行分析等。因此，我们首先必须理解科学探究的一般过程，这是进行实验设计和实验分析的基本前提。
一、科学探究的一般过程
科学探究的一般过程可简单地用下图表示：
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二、实验类型的分析与设计
生物科学属于自然科学的范畴，生物实验是生物科学研究的重要方法。生物实验的类型与分类的依据如下表：
| 分类依据 | 生物实验类型 |
| 精确性及环境 | 实验室实验、自然实验 |
| 实验研究的质和量 | 定性实验、定量实验 |
| 实验的研究对象 | 动物、植物、微生命科学、遗传、细胞、人体 |
| 生命科学实验的性质 | 解剖实验、生理实验、生化实验 |
| 实验的作用 | 析因实验、对照实验、模拟实验 |
| 实验的进程 | 预备性实验、决断性实验、正式实验 |
在中学生物学中，还有很多观察实验、调查实验、探究实验，课堂教学中还有教师的演示实验，学生独立实验等。
三、几种实验类型简介
1、实验室实验和自然实验
（1）实验室实验是指在实验室内通过各种实验仪器和设备，在人为地制造、控制或改变实验对象的状态和条件下，考察与研究实验对象的一种有目的，有计划的操作或实践活动。由于实验室内的各种环境和条件便于实验者根据实验目的或实验材料的需要人为制造、控制或改变，而受自然环境干扰较少，因此实验室实验的设计到实验的控制过程、操作过程都比较严格，其实验结果的精确度也比较高。
（2）自然实验是在研究对象处于自然环境中和自然状态下对其加以考察的一种实践活动。自然实验的优点是把观察的自然性和实验的主动性结合在一起，因此自然实验在生命科学实验中被广泛应用。由于自然实验中对某些自然因素的控制不容易严格把握，常常影响其实验结果的精确性。比如：生态学、环境科学以及生物学的生活习性方面的实验研究等都离不开自然实验。
2、探索性实验与验证性实验
（1）探索性实验是探索研究对象的未知属性、特征以及与其他因素的关系的实验方法。探索性实验的特点就是对研究对象的不了解，或不完全了解，全凭实验者去“摸索”和“尝试”，所以探索性实验也称“试验”。
（2）验证性实验是验证某一个理论是否正确的实验。当对研究对象有一定的了解，并形成一定认识或提出某种假说时，就需要用实验来证明其正确与否。因此，验证性实验是把研究对象引向深入的重要环节。验证性实验有两种：一种是实验者验证自已提出的某种设想或假说；另一种是对别人提出的某种理论、假说或成果的验证。
实际上，在生物学科研究的过程中，探索性实验和验证性实验往往是不可分割的。验证性实验的结论也并非都是已知的，假设本身就不是结论，只能是一种预期。在对研究对象的探索过程中，对未知的研究目标，必然要提出假设或猜想，并做出预期，只有通过验证性实验性实验来证明假设的正确与否，才能得出科学和结论。虽然探索性实验是带有尝试性质的，但仍然是有一定的目标和方向的，只不过验证性实验的目标更具体。
3、定性实验与定量实验
（1）定性实验是判断研究对象具有哪些性质，并判断某种物质的成分、结构或者鉴别某种因素是否存在，以及某些因素之间是否具有某种关系的一种实验方法。一般来说，定性实验要解决的是“有与无”、“是与否”的问题，多用于某些探索性实验的初期阶段。主要是把注意力集中于了解研究对象“质”的特性方面，是进行定量实验的基础。
（2）定量实验是为了研究对象的性质、组成及影响因素有更深入的认识，就必须探究它们之间的数量关系，否则，得出的结论就可能是相反的。这种揭示各因素之间数量关系的实验称为定量实验。测量是定量实验的重要手段和方法。实际上，生物实验中的量化也是可以用数学函数式表达的，特别是现代生命科学的发展，生命科学统计学已经成为一门重要的生物实验工具学科。
定量实验有定性实验不能取代的作用。它能够从测量到的具体数量上准确地判定研究对象所具有的某种性质及其各种因素之间的函数关系或相关关系，从而更深入地揭示其生命运动规律。
4、比较实验
比较实验是通过对照或比较来研究和揭示研究对象某种属性或某种原因的一种实验方法。这种实验要设置两个或两个以上的相似组样：一个是对照组，作为比较的标准；另一个是实验组，通过某种实验步骤，在两组之间判定实验组是否具有某种性质或影响。在实际研究中，根据需要，又把比较实验分为相对比较实验和对照比较实验。
（1）相对比较实验是在两种或多个相似组样之间进行比较，以确定实验组样之间某种特性上的异同、优劣。比如：对双子叶植物和单子叶植物的各个器官解剖后进行比较观察等。
（2）对照比较实验是在两个相似组样中进行，其中一个是已经确定其结果的事物，称之为“对照组”，让其自然发展，实验者对之不加干涉；另一组是未稳中有降的、需要研究的事物，称其为“实验组”。将实验组中的未知因素同对照组的已知因素进行对照比较，通过对实验组的人为干预，以确定该因素的影响作用。对照比较实验在生物学研究中是广泛应用的。依据对研究对象的影响与否，又可以将对照比较实验分为“阳性对照”和“空白对照”。
阳性对照给对照组施以已经被证明是一种有效的处理因素。空白对照给对照组施以对研究对象没有任何影响的处理因素，这样的对照叫空白对照。说明的是“空白”绝不是什么影响因素都不给予，而是针对实验组所要研究的因素给予空白，以突出或纯化所要研究的因素。在对照比较实验中，为了获得可靠的实验结果，应该注意以下两点：第一，除了用于比较的因素外，其他因素必须加以严格控制，并尽量趋于相同；第二，要注意消除实验中的系统误差，这需要采取随机方法抽取样本，并运用数理统计的方法来做出显著性检测。
相对比较实验和对照比较实验虽然都是通过比较的方法进行实验，但两者的不同在于相对比较实验只是对比较的双方做出差异的鉴别，而对照比较实验需要通过与已知因素的对照来确定未知因素的影响或作用。因此，对照比较实验中对相关因素的控制作用即人为干预的作用更大。
5、析因实验
生物科学史中的一些实验，是生物学家针对某些生命现象或生命运动的变化来寻找其原因而进行的。这种实验称为析因实验。析因实验的特点是：结果是已知的，即所表现出的生命现象是客观的、可见的，而影响或造成这种现象或结果的各种因素，特别是主要因素是未知的。通过析因实验对未知原因的探索，常常导致科学上和重大发现，或科学理论的建立。
析因实验还可以用于探索性实验中实验现象和结果与预期的不一致，或实验出现了异常现象时。在解决实际生活或生产中的具体问题时，也常会用到析因实验。
6、模拟实验
在研究工作中，由于对研究对象不能或不允许进行实际实验，为了取得对研究对象的认识，根据已知的事实、经验和一定的科学理论，设计和构想出研究对象的“替代物”，通过对替代物的实验，以获取研究对象的信息和资料。这种实验就叫做模拟实验。模拟实验是根据相似性原理，用模型来代替研究对象的。这种实际存在的研究对象叫“原型”，而模拟的“替代物”叫“模型”。在实验研究中，实验手段只直接作用于模型，而不直接作用于原型。模拟实验中的模型大致可分为两大类，一类是理论模型，另一类是实物模型。理论模型包括图像模型、逻辑模型和数学模型。实物模型可分为自然模型和人造模型。自然模型是人们从自然界已有的事物中选择出来代替原型作为研究对象的事物。比如：医学中选择某种动物作为人类的模型进行药物反应实验。自然模型在生物实验中有着广泛的应用。人造模型是指人工制造出来的代替原型进行实验的某种装置。人造模型是通过人的控制，人为地制造与原型更为相似或更为一致的模型，它可以克服自然模型的局限性，从而使得模拟实验的结果更为精确和科学。总之，作为实物模型应具备这样的几个特点：（1）与原型有相似关系，即在结构或功能上是相似的。（2）能被人的感官直接感知。（3）可用作实验对象。
四、实验设计与实验分析题型及解题基本步骤
实验设计类试题包括两种题型：实验设计和实验方案评价。实验设计题的设计思路通常是题目给出实验目的、实验试剂和用品，要求考生据此设计实验。设计的实验有验证性的，也有探索性的，有的试题还会要求考生预测和分析实验结果。实验方案评价题与实验设计题关系密切，如果考生有清晰的实验设计思路，解答这类问题并不困难。这类题目的设计思路通常是给考生一个或几个实验方案，这些方案或者不完整或者有几项明显的错误或者让考生自己判断实验设计是否合适。实验设计类试题的解题基本步骤可大致归纳如下：
1．明确实验目的及要求：仔细阅读题目，从题干中提取以下信息；本实验研究的问题、实验提出的假设。
2．分析实验原理：结合所学知识、题目中给出的背景材料及其他基本条件如器材、试剂等，分析实验原理。
3．设计实验方案：选择合适的实验材料，合理设置变量和对照，并引入科学的测量方法。
4．预测实验结果：预测应出现的实验结果（验证性实验）或可能出现的多种实验结果（探索性实验），并科学地加以描述。
5．得出科学的实验结论：分析实验结果或处理实验数据，肯定或否定假设，从而得出相应的结论。
实验分析类试题也有两种题型，即解释实验现象、结果和根据实验结果得出实验结论。实验分析类试题与实验设计类试题虽然在题目形式和具体要求上有些差异，但在思考方法上非常相似，考生若有清晰的实验设计思路，往往也就具备了较强的实验分析能力。因此，实验分析类试题的解题基本步骤可参照实验设计类试题。
五、设计实验必须遵循的原则
1．科学性原则：指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。
科学性原则具有两个方面的含义：首先必须保证实验的设计不出现科学性错误；其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的因素。具体的科学性原则体现在这几方面：（1）实验原理的科学性；实验原理是实验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须是经前人总结或经科学检验得出的科学理论。（2）实验材料选择的科学性；根据实验目的和实验原理选择恰当的实验材料，是保证实验获得预期结果的关键因素之一。（3）实验方法的科学性；只有科学的实验方法，才能得出正确而可靠的实验结果。（4）实验结果的科学性；这是指对于实验得出的结论不能简单对待，而应该首先记录，然后整理，最后再经过仔细分析，找出它们所能透露给我们的最大的信息量。
2．对照原则：在实验中，为了排除无关条件的干扰，常常要设立对照/对比实验。所谓对照/对比实验是指有一个关键条件不同，而其他实验条件都相同的情况下所进行的一组实验，以此了解条件与结果之间的关系，增强实验结论的可靠性。其中，直接用于论证结果的一组称之为实验组，用于对比的一组称之为对照组。常用的对照组类型有以下几种：
（1）空白对照：对照组为不作任何处理的对象组；
（2）自身对照：实验与对照在同一对象上进行，不另设对照组；
（3）条件对照：给实验组某种条件处理，给对照组另一条件的处理；
（4）相互对照：指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。
3．单一变量原则：不论一个实验有几个实验变量，都应该做到一个变量对应观测一个反应变量。控制其他因素不变，只改变其中一个因素（要研究的因素），观察其对实验结果的影响。实验中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。这样，只有遵循单一变量原则，既便于对实验结果进行科学的分析，又增强实验结果的可信度和说服力。
4．平行重复原则：在实验设计中，为了避免实验结果的偶然性，必须对所做实验在同样条件下进行足够次数的重复，不能只进行1-2次便得出结论。
5．可操作原则：所设计的实验过程要具有可操作性，一些条件比较高或不能实现的过程不能在实验过程中体现。
6．简便性原则：要求所选方案原理简单，操作简便，尽可能采用简单的实验仪器装置，用较少的实验步骤和实验药品，在尽可能短的时间内完成实验。
7．安全性原则：实验方案的实施要安全可靠，不会对人或器材造成危害，设计实验时应尽可能避免使用有毒药品和一定危险性的实验操作。
六、实验中的变量
在实验过程中，变量是指可被操纵的特定因素或条件。据其在实验中的作用，可分为两类：
1．实验变量与反应变量
实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者操纵的因素或条件。反应变量也称为因变量，指实验中由实验变量引起的变化和结果。通常实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。比如：淀粉酶水解淀粉的实验中，所给定的低温、适温和高温是实验变量，而由于三种温度条件变化，酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这是反应变量，该实验即获得和解释温度变化（实验变量）与活性（反应变量）的因果关系。
2．无关变量与额外变量
无关变量也称为控制变量，指实验中除了实验变量外的影响实验现象和实验结果的因素或条件。额外变量也称为干扰变量，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。显然额外变量会对反应变量起干扰作用。如上述实验中的试管洁净程度、酶的新鲜程度，淀粉的纯度等等，都是无关变量。在实验设计和操作中，要尽量减少无关变量，而且不同的实验组中的无关变量应完全相同，这样就能避免实验结果的差异是由无关变量引起的可能性，便于清晰地研究实验变量与反应变量的关系。
七、常规实验方法
1、显微观察法：如观察植物细胞有丝分裂的实验，观察植物细胞质壁分离与复原实验等。
2、示踪原子法：如噬菌体侵染细菌实验，光合作用碳和氧元素的转移途径实验等。
3、等组实验法：如淀粉酶催化淀粉实验，生长素发现过程的胚芽鞘实验等。
4、加减法创意：如用阉割法，摘除法研究某激素的实验；饲喂法，注射法研究某激素的作用机制。
5、杂交实验法：如孟德尔杂交、测交实验法等。
6、化学分析法：如番茄和水稻对钙和硅的选择性吸收的实验，叶绿体色素的提取和分离实验等。
7、理论分析法：如大、小草履虫的竞争实验，植物根向地生长，茎背地生长的实验，植物向光性实验等。
8、模拟实验法：如渗透作用实验装置，分离定律的模拟实验等。
八、实验设计的基本内容
1、实验名称：是关于一个什么内容的实验。
2、实验目的：要探究或者验证的某一事实。
3、实验原理：进行实验依据的科学道理。
4、实验对象：进得实验的主要对象。
5、实验条件：完成该实验必备的仪器、设备、药品条件。
6、实验方法与步骤：实验采用的方法及必需的操作程序。
7、实验测量与记录：对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确的记录。
8、实验结果预测及分析：能够预测可能出现的实验结果并分析导致的原因。
9、实验结论：对实验结果进行准确的描述，并给出一个科学的结论。
九、实验设计注意事项
１ 实验分析的一般方法——“四步分析法”
在实验教学过程中，注重实验分析的能力培养，总结实验分析的方法为“四步分析法”；即从取材、药品与试剂、步骤及操作、显微镜的使用四个方面对实验进行分析的方法。
１．１第一步：取材分析
正确取材是实验成功的第一步。有的实验失败的原因，往往是取材不正确而引起的，因而在实验分析时，要首先考虑取材是否正确。例如，实验一“观察植物细胞的有丝分裂”（以下简称“实验一”）中，准确切取洋葱根尖生长点部位，是实验成功的前提。有的制成的装片中往往看不到或看到很少的分裂相细胞，就是因为切取部位正确导致的，即没有选准根尖的生长点部位。实验二“观察植物细胞的质壁分离和复原”（以下简称“实验二”）中，取材部位应该是在新鲜的洋葱鳞片叶外表皮的紫色较深处。而在内表皮或紫色很浅的部位取材，往往观察不到或仅有很少紫色液泡。实验三“观察根对矿质元素离子的交换吸附现象”（以下简称“实验三”）中，剪取的是有活性的根，如果是死根、烂根，则观察不到预期的结果。实验四“叶绿体色素的提取的提取和分离”（以下简称“实验四”）中，选取的时片要肥厚、色浓，而老叶、发黄的叶子则不能选龋
１．２第二步：药品与试剂分析
药品与试剂的量、浓度、纯度等都是影响实验正确结果的重要因素，要逐一检查，不能忽视。
１．２．１关于量的问题。
有些实验对药品与试剂的量有一定的要求，如实验四中，丙酮、层析液的量就要按规定使用：提取５ｇ叶片中的色素，用２ｍｌ丙酮是适中的，若丙酮过多，会使色素浓度降低，减少滤纸条上色素的量，使分离效果不明显；若丙酮少了，色素提取又不充分。色素分离时，向烧杯中例入层析液时，其量的标准是液面不能超过１ｃｍ（距烧杯底），否则将没及滤纸条上的滤液细线，色素就迅速溶解到层析液中去了，结果在滤纸条上得不到相应的色素分离图谱。
１．２．２关天浓度问题。
实验中，规定的浓度，都是人们经过多次试验后，认为最适合的。实验员在实验前配制药品与试剂时，浓度要配准，否则将会影响学生实验。如蔗糖溶液浓度较高时（高于３０％），会使细胞因发生强烈质壁分离而失水过多，细胞死亡，不能复原。亚甲基蓝溶液在配制时，要求更高，浓度高一点点，就会影响根的活性。
１．２．３关于纯度问题。
有的实验如实验三对试剂的纯度有蒋高的要求，如果所用蒸馏水中混入杂质阳离子，或用自来水代替，则漂洗时，不仅洗去了浮在根细胞表面的亚甲基蓝阳离子，而且也会把吸附在根细胞表面的亚甲基蓝阳离了交换下来；在对比实验中，含杂质阳离子的蒸馏水也会变蓝。
１．３第三步：步骤及操作分析
步骤及操作是否正确是影响实验结果的主要因素，故应重点分析，主要有以下三种情况。
１．３．１漏做某个实验步骤。
实验步骤不能少，如实验一中，根尖用１０％盐酸解离后，若不经漂洗直接染色，则染色效果极差，因为根尖上附着的盐酸将和碱性染料起中和反应，从而影响着色；制片时，用镊子尖把根尖开碎，这一步也易漏掉。实验三中根经亚甲基蓝染色后，若不用蒸馏水反复冲洗，在后面的对比实验中，蒸馏水也将变蓝。
１．３．２操作方法错误。
在具体操作某个步骤时，没有按规定的操作方法做，肯定会影响实验结果。如临时装片制作时，有的学生将盖玻片直接放在清水滴上，这样制成的装片中，气泡较多，严重影响观察。实验二中，应用镊子撕取洋葱表皮，而不少学生是用刀片削或挖，以至取出的表皮较厚，这样在显微镜下也就看不到单层细胞。
１．３．３操作不严格。
如解离、染色时间不够，漂洗的时间或次数不足。制作洋葱表皮临时装片时，未将清水滴中卷起的表皮平展开来；做质壁分离复原实验时，滴入清水的次数少，滤液细线划得不细不齐都会对实验果有一定的影响。
１．４第四步：显微镜的使用分析
需用显微镜的实验，有时会因为显微镜的操作，镜头污染等问题，而影响观察，看不到已经出现的现象或结果。显微镜的操作要按一定的程序进行，如对光程序、高倍镜观察程序等。有的学生不按程序操作，结果既耽误了时间，又观察不到相应的结果，而且易损坏显微镜。例如常有学生在用高倍镜观察时，把盖玻片压碎了，弄脏了镜头，就是由于这些学生在下降镜筒时，眼睛看的是目镜而不是物镜，这样，镜筒下降到什么位置就不知道了。正确的程序应该眼睛看着物镜，同时下降镜筒，让物镜接近装片，然后眼看目镜、调节细准焦螺旋直至观察到清晰物像。此外，目镜或物镜头被严重污染、焦距没有调好、放大倍数不够、视野较暗、标本不在通光孔的中心位置等诸多因素，都会直接影响观察。
以上介绍的“四步分析法”紧扣教材，贴近学生的知识水平，符合学生的思维习惯，容易被学生接受并掌握，而且经过尝试，也取得了良好的效果。因此，该方法可以作为高中生物实验分析的一般方法。
２“四步分析法”的应用
“四步分析法”可以在实验课上讲授，也可以在实验（理论）专题复习课中讲授。在具体的实验分析或解题过程中，既可顺次运用，亦可综合运用，具体问题，灵活分析。
例１．实验一中，在显微镜视野里，几乎看不到分裂相细胞，试分析其原因。
分析：①从取材角度看，可能是没有取准生长点部位导致的；②从步骤及操作角度看，可能是没有压片过程导致标本太厚，看不到单层细胞；③从显微镜使用角度看，可能是没有移动寻找。
例２．实验二中，质壁分离后进行复原时发现复原效果较差，其原因可能有哪些？
分析：①蔗糖溶液在配制时，浓度过大，质壁分离强烈，细胞失水过多而死亡；②质壁分离时间长了，未及时复原，细胞死亡；③滴入清水次数少或只滴入一次。
例３．实验三中，在做对比实验时，蒸馏水也变蓝了，分析其原因。
分析：①是没有漂洗或漂洗次数少；②是蒸馏水中混入了杂质阳离子。
考试要求:
1．能够根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处相关的实验问题。要求考生能够根据题目给出的实验目的、试剂用品等设计简单的实验，验证简单的生物学事实，同时还要求考生能预测和分析实验结果。
2．会观察、分析和解释实验中产生的现象、数据，并得出合理的实验结论。要求考生能够正确解释实验现象和结果，或通过分析题目给出的实验步骤、实验结果得出正确的实验结论。