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浅谈生物实验设计

时间:2024-05-07

张冬生

生物学是一门以实验为基础的自然科学,生物学实验是提高生物科学素养的重要手段,是实施探究性学习的重要途径。从近年生物高考实验习题来看,多为考查学生的分析、解释实验现象和实验结果。根据提供的实验材料和用具设计实验方案,试题趋向于开放性,这给考生以更大的思维扩展空间,有利于提高学生的素质和培养学生的创新精神。在倡导探究性学习的今天,提高学生的实验设计能力,是生物实验教学中的重中之重。设计实验能力的培养,系统地给学生复习实验操作技能,理解实验原理,练习设计简单的小实验,提高学生运用课本上的实验原理、步骤、原则,迁移到新的实验项目上来解决问题。在培养学生设计实验时,首先要求学生在注意遵循科学性原则、等量性原则、对照性原则和单一变量性原则的前提下设计实验。整体把握实验过程和思路,理解实验程序,分析实验中的每一步骤的作用,每一个处理的意义以及各步骤之间的联系。

设计实验一般情况下要有以下几个主要内容。

实验目的

发现并提出问题,明确把握实验的目的,即需要验证的生物学事实。实验目的对实验设计起到决定性作用,它影响实验用具的选择和实验步骤的设计,是整个实验设计的灵魂。所有实验步骤的设计都要围绕实验目的这个核心来进行,所以实验目的的确定是实验的前提条件。让学生练习时要求多阅读试题,从题目中找出试题的目标,明确要解决什么问题,预期要得到什么结果,从而明确实验目的。

实验原理

实验原理是进行实验设计和实验操作的依据,是理论知识在实践中的指导应用和验证。在审题时要找出题目中已知条件和未知条件,再重新组织题目的文字叙述,使之变得简明。将简化后的表述与已知的同类问题进行比较,找出它们之间的共性和本质区别,控制和消除无关变量对实验结果的影响,从而找出解决问题的思路和途径,找出与问题相关的事实、概念和原理,从而确定实验原理。

实验材料和用具

实验材料和手段的选择要恰当,实验材料和用具的选择以简便可行为原则。一个实验成功与否,与实验工具、药品、材料的正确选择和使用密切相关。所选的实验材料要恰当,使操作简单,实验进程快,能有较明显的实验现象,能达到预期的实验结果,同时还要兼顾到安全、易得、常用的原则。

实验步骤

实验步骤的设计一般不要连续描述,而是分段叙述,简单明了。整个设计思路和实验方法不能违背生物学基本原理和其他科学原理。操作细节的设计要合理规范、切实可行,否则会造成很大的失误,在设计时要遵循等量性原则、对照性原则和单一变量性原则。对照实验可以是空白对照(即不作任何处理的对照组)、自身对照(即实验与对照在同一对象上进行,如质壁分离及复原)、条件对照(指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理是作为对照意义的。如光合作用实验中,同一叶片一部分见光,一部分遮光处理,其他条件都应相同)、相互对照(即不另设对照组,如向光性实验)。如果没有对照实验,即使出现预期的结果,也很难保证该实验结果是由某种因素所引起的,缺乏应有的说服力。对照实验设计的正确与否,关键在于如何尽量去保证“其他条件的完全对等”。

实验结论

实验设计方案完成后,根据理论知识和实验原理可能出现的结果进行预测,分析实验的科学性和合理性。一般情况下,凡进行实验都有结果出现,如数据、气味、颜色等,要善于根据实验现象进行分析判断、推理,从而得出分析实验的结果。

例1 血液中的钙离子在血液凝固过程中起着重要作用,缺乏它血液不能凝固。草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应,形成草酸钙沉淀,起抗凝作用。请根据所提供的实验材料和用具,简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果,验证钙离子在血液凝固中的作用,并回答问题。

实验材料和用具家兔,生理盐水,70%酒精棉,适宜浓度的草酸钾溶液,适宜浓度的氯化钙溶液,试管、注射器。

实验步骤和实验结果

第一步,在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水。

第二步……

问题:设置B管的目的。

解析 本题必须依据实验原理(试题已提供),这是进行设计的基础。实验所需血液由兔提供,酒精棉消毒,注射器取血。

答案

第二步,用酒精棉消毒,用注射器取家兔的血。

第三步,立即将等量的血分别加入到A、B两试管中,经过一段时间后,A管不凝固;B管凝固。

第四步,将等量的氯化钙溶液分别加入到A、B两试管中。结果: A管凝固;B管仍凝固。

设置B试管的目的是作为A试管的对照。

例2 请设计一个于室外空阔处进行的实验,在不用任何药剂、装置和触及幼苗的情况下,使盆栽幼苗长成如图1所示形状。

1)设计实验方案(即步骤)。

2)设计该方案的原理。

解析 图中植物发生明显弯曲,必然是生长素分布不均所引起。根据题目要求,在不用任何药剂、装置和触及幼苗的情况下,只能考虑重力对生长素分布的影响。

答案

1)将正常生长的植株花盆侧放在地上,待植株弯向上方后,再放正花盆。

2)利用重力影响导致生长素分布不均,使茎背地生长,从而发生弯曲的特点。

通过对学生实验设计的指导和多次练习,培养学生的探索能力、动手能力、创造意识、创新能力、科学态度和科学精神,提高实验教学质量。

(作者单位:新疆伊宁市农四师教育局)

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