科学掌握三个“四”,轻松应对实验设计题
科学掌握三个“四”,轻松应对实验设计题
摘 要 在生物高考中，有一类题型常常让学生感到困惑，那就是实验设计题。笔者对这个问题一直比较关注，在教学实践中慢慢地积累了一些想法和做法，现在写出来，与大家商榷。
关键词 四原则 四分析 四步骤 实验设计题
有关统计数据表明：2008年江苏生物高考中实验题的分值占试卷总分的24.2﹪（另一说法是占29.2﹪，如果把选做题的A题也一并统计的话），较以往该内容所占分值比例大大提高；并且在实验考查中一方面加强了对学生所学实验的目的、原理、方法和操作步骤的考查；另一方面更是对“具备初步探究一些生物学问题、恰当评价和完善实验方案的能力”这一c等级实验考查要求进行了重点考查。由此可见，新高考非常注重对学生的科学探究能力的考查，非常注重对学生在探究过程中所体现出的科学方法以及科学过程的考查。因此我们在平时的教学中要对这部分内容加以关注并进行有效训练，特别是其中c等级实验考查的难度要求和能力要求比较高，这类考查常常以实验设计题的形式出现，学生在解决这类问题时常常感到比较困难。如何规范、准确和有效地解答这类试题呢？笔者认为不妨从以下三个“四”来着手考虑：
1 四原则
1.1 科学性原则 所谓科学性原则是指实验的原理要符合科学，必须是经前人总结或经科学检验得出的科学理论；实验结果的预期要有充分的科学依据；实验的各个环节都不能偏离生物学的基本知识、基本原理以及与之有关的其他学科的基本原理。具体体现在：实验原理的科学性，选择恰当的实验材料进行实验，有科学严谨的实验方法以及科学、合理地处理实验结果。
1.2 对照原则 对照原则是实验设计中最常用的原则。指的是在实验中需设置对照组，与实验组进行对比，即可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力，凸显自变量作用的唯一性。按内容和形式上的不同，通常有以下几种对照方式：
1.2.1 空白对照：就是不给对照组施加实验因素，而根据实验目的给予实验组某些实验因素。例如“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验中的1号试管。
1.2.2 自身对照：是指实验组和对照组在同一研究对象上进行。例如，“观察植物细胞质壁分离和复原”、“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验。
1.2.3 条件对照：给实验组某些要研究的实验因素，而给对照组一个非实验研究因素。例如“验证甲状腺激素促进幼小动物发育”实验中，饲喂甲状腺抑制剂的那组即为条件对照组。
1.2.4 相互对照：指不另设对照组，而是利用几个实验组相互对照。例如“探究玉米根的生长方向与地心引力的关系”实验中不同方向放置的玉米种子之间的对照。
1.3 单一变量原则 指在实验设计中只能确定一个变量为自变量，而其它一切影响实验现象或结果的因素或条件称为无关变量。实验中要尽可能避免无关变量的干扰，可将实验组和对照组中无关变量控制在相同且适宜的条件下。只有这样，当实验组和对照组出现不同结果时，才能确定原因肯定是自变量造成的。
1.4 可行性原则 是指所设计的实验的实施具有可操作性。
2 四分析
2.1 分析实验类型 分析实验类型是探究性还是验证性，这将直接关系到实验结果和结论的叙述与表达。如果是探究性实验，则结果和结论有多种可能；如果是验证性实验，结果和结论就是一种，并且结论与实验命题一致。
2.2 分析实验原理 实验原理是实验设计的根据和出发点。有些题目的实验原理是题目中现成的，有些题目的实验原理是隐含的，题中未给出，是教材上的知识点。明确实验原理可以帮助理清实验设计思路，合理安排实验步骤，正确分析实验结果和结论。
2.3 分析实验材料 实验设计思路的构建、实验步骤的叙述和表达都同实验仪器、试剂和材料的作用密切相关。例如对自变量的处理就要受实验材料的影响，实验步骤的设置原则上都要用到所给的试剂和仪器，学生不能随便遗漏任何试剂和仪器。一般的，如果在实验设计过程中，有些实验仪器或实验药品还没有用上，则说明实验设计思路有问题。因此要仔细分析每个仪器、试剂、材料的用途，安排它们在实验中的正确位置，确定最后的实验方案和实验步骤。
2.4 分析变量
2.4.1 确定自变量。根据实验目的确定并控制好自变量是实验成功的关键因素。确定的方法是：要验证什么？要证明什么？要探究什么？什么就是自变量。例如“探究温度对唾液淀粉酶水解淀粉的影响”实验，自变量就是温度，可设计为低温（冰块）、适温（37度）、高温（沸水浴）。
2.4.2 控制无关变量。要观察自变量所产生的效果，就要对无关变量进行控制。主要有以下几方面：排除因实验对象个体差异带来的影响，通常用生长状况一致、随机分组来处理；排除某些条件对实验对象的干扰，通常提供稳定且适宜的相同条件；如遇数据测量问题，通常重复实验多次测量平均值来排除偶然性减少误差；实验组和对照组中试剂添加量要相同。
2.4.3 检测因变量。因变量要有相应的观察和测量指标。例如颜色变化、气体体积和压强变化、沉淀生成、反应速率、生长发育状况等等。实验应依据实验原理明确用何种方法获取何种观测指标。
3 四步骤
3.1 材料处理 在有些实验题目中，题干中所给的材料与设计要求有一定的差距，如果直接利用题中所给材料而不加以处理的话，则不能达到或不能很好达到实验目的，这就要求对材料进行适当的处理。例如萨克斯实验中绿色叶片的“饥饿”处理，“观察蛋白酶的催化作用”实验中将蛋清煮成蛋花汤。这一步的取舍取决于题目中是否有可用的现成材料，如有，则可舍弃这一步骤。
3.2 分组编号 一个实验需不需要分组，分多少组合理，主要考虑实验的对照方式。一般情况下，空白对照分两组，自身对照不需分组，条件对照和相互对照则根据题意分为若干组。
3.3 对照处理 这是实验设计中关键的一步，基本上所有的实验设计题都要求学生完成这一步工作。分析好实验仪器、试剂的用途，合理应用；确定好自变量，控制好无关变量，并且注意语言规范。
3.4 观察记录 这是实验设计中的最后一个环节，依据实验原理明确观测指标，仔细观察、记录并加以分析，从而得出结论。
下面我们来看个案例：2008江苏生物高考33题。
某同学进行实验，甲图为实验开始状态，乙图为实验结束状态。请在乙图所示实验结果的基础上继续实验，探究蔗糖的水解产物能否通过半透膜。
增添的实验材料：蔗糖酶溶液、斐林试剂、试管、滴管、水浴锅等。
（1）设计出继续实验的简要步骤：
① ；
② 。
（2）预测实验现象并作出结论。
案例四分析：
1）该实验类型为探究型，因此预测实验现象有两种可能，即蔗糖水解产物能通过或不能通过半透膜。
2）该实验原理为渗透原理，即小分子物质如水、蔗糖水解产物葡萄糖、果糖可以通过半透膜，而大分子物质如蔗糖、蔗糖酶则不能通过半透膜。
3）该实验材料中蔗糖酶溶液是水解蔗糖的；斐林试剂为检测蔗糖水解产物葡萄糖、果糖的；水浴锅是水浴加热用的，这里涉及两次加热，酶促反应时要加热，斐林试剂检测时要加热；材料中给了试管说明斐林试剂检测半透膜两侧溶液是否有蔗糖水解产物应在试管中进行；滴管是滴加溶液用的。
4）自变量是蔗糖水解产物葡萄糖、果糖。无关变量的控制有为不影响渗透作用，两侧均要加等量的蔗糖酶溶液；为促进酶促反应，应将U形管水浴加热至适宜温度。因变量的检测依图示信息先要观察两管液面的高度差变化，后利用斐林试剂检测两管溶液是否有砖红色沉淀产生。
四步骤如下：
1）材料处理：舍弃。
2）分组编号：该实验为自身前后对照，不需分组。
3）对照处理：该实验为继续实验，只要在现有实验基础上U形管两侧加等量的蔗糖酶溶液，再水浴加热至适宜温度即可。
4）观察记录：先观察两管液面的高度差变化，再利用斐林试剂检测。
做好了这些分析准备工作，书写时再注意语言规范精炼，相信就是标准答案了。因此在解答实验设计题时，遵循四个原则，做好四个分析，依照四个步骤，困难的问题就可以变得相对容易些了。
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