實驗設(shè)計與分析講座

實驗設(shè)計與分析講座第一頁，共四十一頁，2022年，8月28日近年來的生物學高考中，實驗設(shè)計與評價題已經(jīng)成了一種熱點題型。實驗設(shè)計與評價題側(cè)重考查學生的實驗能力、思維能力和創(chuàng)新能力等各方面的能力，以及進行科學實驗的思想和方法，能較好地體現(xiàn)新課程的教學理念，有利于指導新一輪教育課程改革，以適應現(xiàn)代社會對人才需要的發(fā)展。實驗設(shè)計題的能力要求高，難度大，在平時練習中，一直存在著學生怕做實驗設(shè)計題，一遇到實驗設(shè)計便愁眉苦臉,難以下筆的現(xiàn)象。在高考備考中，如何提高學生的生物實驗設(shè)計與評價能力呢？第二頁，共四十一頁，2022年，8月28日一、明確高考考試大綱要求：2005年高考生物學科考試大綱能力要求第3條明確指出，理解所學實驗、實習的內(nèi)容，包括實驗目的、原理、方法和操作步驟，掌握相關(guān)的操作技能；具備驗證相關(guān)生物學事實的能力，并能對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行解釋、分析和處理；能對一些生物學問題進行初步的探究性研究。第三頁，共四十一頁，2022年，8月28日實驗能力要求可分兩個層次：（1）會觀察、分析和解釋實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)并得出合理的實驗結(jié)論，具備驗證簡單生物學事實的能力。（2）靈活運用已學過的自然科學理論，設(shè)計簡單的實驗方案，理解探索性實驗的一般方法。第四頁，共四十一頁，2022年，8月28日二、了解高考實驗試題類型：

研究近幾年來高考題中的實驗題可以發(fā)現(xiàn)，實驗設(shè)計、評價的理解能力、實驗條件的控制和對實驗結(jié)果的歸納、總結(jié)能力是現(xiàn)在考察的重點方向。且考察中學生“未證實過的”實驗問題材料是命題的主要來源，涉及實驗的題型主要是設(shè)計探究驗證型和分析推理判斷型實驗題。第五頁，共四十一頁，2022年，8月28日（1）設(shè)計探究驗證型依據(jù)實驗目的，來設(shè)計實驗過程、預測實驗結(jié)果的試題。例1：(04年全國新課程卷1)31.（20分）胰高血糖素對小白鼠和人具有相同的生理作用。為了驗證“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，請以小白鼠為實驗對象設(shè)計實驗步驟，預測和解釋實驗應出現(xiàn)的結(jié)果，并寫出實驗結(jié)論。第六頁，共四十一頁，2022年，8月28日（一）實驗材料和用具：正常實驗小白鼠2只，生理鹽水，用生理鹽水配制的適宜濃度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性試劑，注射器，試管，燒杯等。（二）實驗步驟：（實驗提示：采用腹腔注射給藥，給藥劑量不作實驗設(shè)計要求；給藥1小時后，用注射器在小鼠膀胱處穿刺取尿液。）第七頁，共四十一頁，2022年，8月28日（三）實驗結(jié)果的預測、解釋和結(jié)論解析：本題是一道典型的常規(guī)對照實驗設(shè)計類試題，雖然開放性很強，但由于給出了實驗提示，應該說難度不是很大，只是對學生的文字描述能力和思維的合理性提出要求。不過最后對尿液中葡萄糖的檢驗是一個對物質(zhì)鑒定知識的聯(lián)系，需要學生能夠自然而然地聯(lián)想并設(shè)計出來，這對思維的縝密就有了相當高的要求。第八頁，共四十一頁，2022年，8月28日（2）分析推理判斷型依據(jù)所提供的實驗，分析其中原因或得出正確的實驗結(jié)論例2：（04北京卷）（15分）一種以地下莖繁殖為主的多年生野菊分別生長在海拔10m、500m、1000m的同一山坡上。在相應生長發(fā)育階段，同一海拔的野菊株高無顯著差異，但不同海拔的野菊株高隨海拔的增高而顯著變矮。為檢驗環(huán)境和遺傳因素對野菊株高的影響，請完成以下實驗設(shè)計。第九頁，共四十一頁，2022年，8月28日（1）實驗處理：春天，將海拔500m、1000m處的野菊幼芽同時移栽于10m處。（2）實驗對照：生長于__________m處的野菊。（3）收集數(shù)據(jù)：第二年秋天_______________。（4）預測支持下列假設(shè)的實驗結(jié)果：第十頁，共四十一頁，2022年，8月28日假設(shè)一：野菊株高的變化只受環(huán)境因素的影響，實驗結(jié)果是：移栽至10m處野菊株高_________假設(shè)二：野菊株高的變化只受遺傳因素的影響，實驗結(jié)果是：移栽至10m處野菊株高_________假設(shè)三：野菊株高的變化受遺傳和環(huán)境因素的共同影響，實驗結(jié)果是____。第十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日解析：本題就學生對科學探究基本過程的理解和掌握有一定的要求，包括自變量和因變量的關(guān)系，對環(huán)境條件的控制等等，另外，通過一系列的假設(shè)，讓學生作出合理的判斷也可以考查學生的邏輯思維能力和推理能力。第十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日三、掌握實驗設(shè)計的基本理論第十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日（1）實驗設(shè)計的內(nèi)容一個比較完整的實驗設(shè)計方案，一般包括以下幾方面的內(nèi)容：1、實驗題目的確定2、提出假說3、設(shè)計實驗方法和步驟4、提出實驗的預期結(jié)果5、觀察現(xiàn)象、結(jié)果及數(shù)據(jù)的搜集及處理方法。第十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日書寫實驗設(shè)計方案通常包括：“實驗課題”、“實驗假說”、“實驗預期”、“實驗目的要求”、“實驗對照類”、“實驗材料用具”、“實驗方法步驟”和“實驗結(jié)論與討論”等項目。在我們生物課本的實驗指導中，實驗假說和實驗預期大都隱含在“實驗原理”中。實驗方法、實驗對照類型則一般隱含在“方法步驟”里。第十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日例3：植物的向光性實驗設(shè)計方案示例1、實驗題目：植物的向光性實驗。2、目的要求：觀察植物在單側(cè)光照射下的生長情況，驗證植物的生長具有向光性。3、材料用具：植物幼苗(玉米、小麥等)、火柴桿、小花盆(或培養(yǎng)皿)、泥土、不透光的紙盒、臺燈、剪刀。第十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日4、實驗假設(shè)：依據(jù)植物生長的向光性原理，幼苗應朝紙盒開孔的方向生長，也就是向著光源的方向生長。5、實驗預期：經(jīng)過一定時間之后，幼苗將彎向光源生長。第十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日6、方法步驟：(1)用剪刀在不透光的紙盒一側(cè)挖一個直徑為1cm的孔，待模擬單側(cè)光照射時使用。(2)將幾株長勢相同但真葉尚未出胚芽鞘的小麥幼苗依次排開，分別栽種在兩個花盆中。在幼苗的旁邊插一根火柴桿，作為對比的參照物。第十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日(3)將制作好的遮光罩扣住花盆(一組用不透光的紙盒，另一組用一側(cè)帶小孔的紙盒)，白天將裝置置于陽光充足的地方，夜間以臺燈代替光源，并使光從小孔中透入紙盒。(4)每天打開紙盒，觀察幼苗的生長情況，記錄下高度、傾斜角及當日溫度、天氣等情況，并間斷地拍照，保留圖片記錄。但要注意，打開紙盒觀察實驗現(xiàn)象的時間應該盡可能地短，并保持透光孔的方向與前次一致。第十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日7、實驗記錄：將觀察日期、時間、環(huán)境條件(溫度、天氣)、幼苗生長情況等列表記錄。8．實驗結(jié)果和結(jié)論：分析實驗結(jié)果，得出結(jié)論。第二十頁，共四十一頁，2022年，8月28日（2）實驗設(shè)計的原則：1、對照性原則在實驗設(shè)計中，通常設(shè)置對照組，通過干預或控制研究對象以消除或減少實驗誤差，鑒別實驗中的處理因素同非處理因素的差異。實驗設(shè)計中可采用的對照方法很多，除了有陽性對照、標準對照、自身對照、相互對照之外，通常采用空白對照的原則：即不給對照組以任何處理因素。值得強調(diào)的是，不給對照組任何處理因素是相對實驗組而言的，實際上對對照組還是要做一定的處理，只是不加實驗組的處理因素。第二十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、隨機性原則實驗設(shè)計中的隨機性原則，是指被研究的樣本是從總體中任意抽取的。這樣做的意義在于：一是可以消除或減少系統(tǒng)誤差，使顯著性測驗有意義；二是平衡各種條件，避免實驗結(jié)果中的偏差。第二十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日3、平行重復原則平行重復原則，即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(jié)果影響的程度。任何實驗都必須能夠重復，這是具有科學性的標志。上述隨機性原則雖然要求隨機抽取樣本，這能夠在相當大的程度上抵消非處理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影響。平行重復的原則就是解決這個問題而提出的。第二十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日4、單因子變量原則單因子變量原則，即控制其他因素不變，而只改變其中某一變量，觀察其對實驗結(jié)果的影響，即除了整個實驗過程中欲處理的實驗因素外，其他實驗條件要求做到前后一致。學生在解答或?qū)嵤┰O(shè)計實驗時，往往忘卻了一些基本原則，其原因很可能是我們平時習慣灌實驗的結(jié)果。因此，在訓練分析中教師多強調(diào)設(shè)計實驗遵循原則的重要性與必要性。第二十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日（3）實驗設(shè)計的一般方法：實驗方法及說明了解題目要求：題目給出的實驗條件、材料用品是什么？要求回答什么？明確實驗目的：實驗的最終目的，要解決什么問題。明確實驗探究什么，論證說明，說明什么？分析實驗原理：即實驗依據(jù)，為完成實驗得出實驗結(jié)論而應用的科學理論知識（源于學習過的基本概念、原理、規(guī)律等）。第二十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日確定實驗思路：根據(jù)實驗目的、原理而進行的思維過程，構(gòu)建實驗設(shè)計基本框架，是實驗設(shè)計的藍圖。設(shè)計實驗步驟：有了思路，具體是怎樣操作問題，設(shè)計步驟時，要遵循實驗設(shè)計原則，一定要充分利用題目所給條件，并思考這些條件起什么作用和怎樣運用。結(jié)果預測、分析：結(jié)果的預測與分析是實驗設(shè)計的終結(jié)，有畫龍點睛的作用。預測要全面，考慮多方面的可能性，分析要科學、實事求是應具說服力。第二十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日四、強化訓練、提高技能生物實驗設(shè)計訓練，是培養(yǎng)學生實驗設(shè)計能力的必經(jīng)之路。學生在明確了完整的實驗設(shè)計方案應該包括的內(nèi)容和必須遵循的重要原則后，只有通過必要的實驗設(shè)計訓練，才能真正掌握實驗設(shè)計的方法，提高實驗設(shè)計能力。第二十七頁，共四十一頁，2022年，8月28日1、重點訓練——實驗設(shè)計的思路實驗設(shè)計的基本思路：（1）明確實驗目的、實驗原理及實驗要求的基本條件；（2）精心策劃實驗方法、嚴格設(shè)計實驗過程、合理設(shè)置對照或變量，并引入科學的測量方法；（3）能夠做到有效預測實驗結(jié)果、科學描述實驗結(jié)果，并得出科學的實驗結(jié)論。第二十八頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、訓練的內(nèi)容：（1）設(shè)計實驗方案：例4、請設(shè)計一個實驗方案，證明ATP是直接的能源物質(zhì)。要求：(1)自選器材試劑(2)寫出實驗步驟(3)預測實驗結(jié)果(4)設(shè)置對照實驗。這種題型要求學生根據(jù)題目的要求和給出的條件，確定跟書本相關(guān)的知識點涉及的實驗原理，構(gòu)思相關(guān)的生物情景，而后再設(shè)計便于操作的實驗方案。這有利于培養(yǎng)學生想象能力、設(shè)計能力和創(chuàng)造能力。第二十九頁，共四十一頁，2022年，8月28日（2）設(shè)計實驗步驟：例5：現(xiàn)提供新鮮柑桔６０個，塑料桶（籃）數(shù)個，松樹針葉適量，蒸餾水、清水、無色透明保鮮袋若干，醫(yī)用APC(保鮮劑)、溫濕計、臺式天平、量筒、空調(diào)機等。請你設(shè)計一個實驗方案，在室溫24℃的條件下，研究松樹針葉是否有保鮮作用。此類題目要求學生根據(jù)給定的器材和藥品以及實驗提出的目的，設(shè)計或補全實驗步驟。這類題目體現(xiàn)了高考題強調(diào)理論與實際結(jié)合，學以致用的特點，有利于學生全面掌握實驗設(shè)計的方法、步驟。第三十頁，共四十一頁，2022年，8月28日（3）設(shè)計實驗改進方法：此類題目主要檢查學生對實驗設(shè)計的嚴密性和科學性的把握，并以此為媒介，引導解決問題的思路方法，進一步培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)和實驗思維能力。題型如2004年理綜天津卷的“種群密度的調(diào)查”(題略)。第三十一頁，共四十一頁，2022年，8月28日種植玉米、小麥、棉花、蘋果養(yǎng)殖豬、雞、牛、鴨施肥農(nóng)家肥、化肥（25千克/畝）蟲害玉米螟、粘蟲、棉鈴蟲農(nóng)藥適量（4）綜合實驗設(shè)計型：

例6：某地種、養(yǎng)殖品種及生產(chǎn)的某些因素如表：請依生態(tài)學原理，選擇種、養(yǎng)殖生物各兩種，設(shè)計一個良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)(以物質(zhì)循環(huán)示意圖方式展示，如有必要請做簡要說明)。第三十二頁，共四十一頁，2022年，8月28日這類試題完全為開放性試題，其條件、方法和方案均具有不確定性。要求根據(jù)題型要求自行設(shè)計。學生通過專題性的實驗設(shè)計練習，對實驗設(shè)計的原理有了本質(zhì)上的理解，訓練了思維的獨特性和文字表達的準確性，創(chuàng)新能力得到極大的提高，同時使學生對實驗設(shè)計的情感得到了升華，最終對實驗設(shè)計的興趣發(fā)生了質(zhì)的飛躍。第三十三頁，共四十一頁，2022年，8月28日五、回歸教材、注重分析第三十四頁，共四十一頁，2022年，8月28日1、在實驗復習教學中要求學生對“考綱”中列舉的教材中的18個實驗、實習和研究性課題進行全面復習，掌握每個實驗的目的、原理、方法、步驟及實驗現(xiàn)象、結(jié)果的解釋與分析，明確實驗設(shè)計的思路，訓練科學思維。學生是否善于對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行深入的分析，并從中得出正確的結(jié)論，是學生實驗能力的重點表現(xiàn)。第三十五頁，共四十一頁，2022年，8月28日2、通過經(jīng)典實驗分析，闡述科學研究的步驟：教材中蘊含的大量有關(guān)實驗設(shè)計的背景材料內(nèi)容。如：《細胞膜的分子結(jié)構(gòu)》、《酶的發(fā)現(xiàn)》、《光合作用的發(fā)現(xiàn)》、《生長素的發(fā)現(xiàn)》、《肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗》、《艾弗里證明遺傳物質(zhì)是DNA的實驗》、《遺傳的基本規(guī)律》的發(fā)現(xiàn)等等。分析科學家們是如何發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題，如何選擇實驗材料、提出假設(shè)、設(shè)計實驗、作出預期、得出結(jié)論的，從而激發(fā)學生探索生命科學的興趣，并在輕松愉快的觀察過程中既掌握知識、領(lǐng)悟科學的思想觀念，又學習了科學工作的方法和技能，為實驗設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。第三十六頁，共四十一頁，2022年，8月28日例如，教材“基因分離規(guī)律”孟德爾一對相對性狀的實驗，可把這組實驗分為