如何解答高中生物的实验设计题
重庆市云阳凤鸣中学校 楚维（高中生物 13896271110）
生物学高考实验考查的内容呈现多样化，有基本的实验原理、操作、步骤和注意事项等基础实验的内容，也有实验设计和实验结果的分析，还有根据研究目的和内容进行开放性实验设计，并对实验结果进行预测和分析等各种探究性的题型，对考生的实验能力要求越来越高。比如以教材内容细胞代谢（光合作用、呼吸作用）、遗传变异、三大调节和细胞工程等知识内容为依托的实验设计题的难易程度，出题者能精准拿捏。所以以不变应万变，针对实验设计题的题型和高考常考点，强调熟练掌握相关实验基础知识的必要性和系统训练的重要性，总结解题的一般方法和套路，进行科学的、有效的复习训练就显得尤为重要了。
一、了解实验设计题的题型和常考点
1．题型：由于实验大致可分为验证性实验和探究性实验，这两种类型又可各下分为定性实验和定量实验。还可各再细分为限制型和开放型两种，所以也就有了相应类型的实验设计题。
限制型的实验设计题是给出实验课题、原理、器材、试剂乃至部分实验步骤等，要求补全实验有关步骤的实验设计。
开放型的实验设计题是只给出实验课题，要求学生自选器材、试剂、设计方案。此类型题难度最大，也最能考查学生的实验水平。
2．常考点：常考点即实验设计和实验分析能力涉及的范围。包括建立完整的实验思想、重视实验的过程及程序分析、学会对实验结果（现象）进行分析，并用科学术语或图表进行表述、学会提出实验假设，并预期结果、学会设计实验步骤、学会把实验数据进行统计分析，并能把隐含在数据中的规律挖掘出来。
所以高考实验设计题的“常考点”就是：“实验课题”、“实验假说”、“实验预期”（在中学课本的实验指导中，实验假说和实验预期大都隐含在“实验原理”中）、“实验目的要求”、“实验方法类型”、“实验对照类型”（在中学课本的实验指导中，实验方法类型、实验对照类型则一般隐含在“方法步骤”里）、“实验材料用具”、“实验方法步骤”、“实验结果”、“实验结论与讨论”等项目。
二、复习相关基础知识，准备好解题的“武器”
由于实验设计题具有“知识基础”、“落点低”的特点，所以一定要鼓励学生树立信心，强调基础知识的落实。实验设计题还具有“情景新”、“起点高”的特点，所以要注意提取出有价值的信息，剔除干扰信息，充分发挥联想，将已有的相关基础知识迁移到要解决的问题中来。
基础知识包括实验设计中相关的概念和应该遵循的原则等。一定要注意如“目的”与“原理”、“假设”与“预期”、“结果”与“结论”“分析”、“实验组”与“对照组”、“结果”与“因变量”等相关概念的联系和区别。例如：
“假设”是一种推论或猜想，它是根据已有的知识、收集的证据或者既往的经验，对问题作出的尝试性解释。假设必须简明，通常采用“如果，那么”的句式。例如，如果洋葱表皮细胞的原生质层相当于半透膜，那么在外界溶液浓度大于细胞液浓度时，就可以通过渗透作用发生质壁分离的现象；如果洋葱表皮细胞的原生质层相当于选择透过性膜，那么在0.1g/ml硝酸钾溶液中，就会发生质壁分离后自动复原现象。如果菊花是短日照植物，那么
适宜的遮光处理能够诱导秋菊提早开花。这些假设其实就是对要进行的实验的一个粗略概括。假设未必正确，经过检验可以证明其正确与否。
“结果”是在实验中观察到的现象(如显色反应中颜色的有无、深浅)或测量到的数据等，是直接的、客观的；而“结论”是根据“结果”作出的因果判断，是间接的、主观的（经人的思维得出的）；“分析”就是得出“结论”的生物学概念、原理等。通俗地说，“结果”就是“是什么（实验现象）”，“结论”就是这样的结果作出“怎么样”的判断，“分析”就是“为什么”可以作出这样的判断，判断的依据即有关生物学概念原理是什么。例如“玉米种子在黑暗中萌发形成黄化苗”实验的结果是黄化苗。由“黄化苗”这个结果作出“叶绿素分子不能正常形成”判断，这就是结论了。“黄化苗”是由于“没有光”引起的，再结合对照组（有光照，苗正常）的结果，作出“原因分析”：“叶绿素的合成需要光”（重要的生物学原理之一）。另外，“因变量”和“结果”是有差别的，结果的不同是由于自变量不同引起因变量的差异而导致的。如“验证CO2是光合作用的必需原料”的实验中,自变量的变化是CO2的有无,引起光合作用是否进行（因变量）,滴加碘液叶片是否变蓝色（结果）。
在两个相似样组中，其中一个如果含有未知的、需要研究的、能反映出探究（或验证）目的或假说的处理或装置，则叫做“实验组”，另一组则叫“对照组”。或者说，实验组是接受自变量处理的对象组，对照组（控制组）是不接受自变量处理的对象组。例如验证“无土栽培西红柿的实验过程中，幼株烂根是由于根部缺氧造成的”实验设计中，“缺氧”（不通入空气或氧气）是实验组，“不缺氧”（通入空气或氧气）是对照组。设置实验的对照组通常又有四种方法：空白对照：对照组不做任何处理。如在验证甲状腺激素能促进生长发育的实验中设置未被切除甲状腺的小狗。自身对照：实验组和对照组都在同一研究对象上。如用同样的植株研究其根向地性和背地性。相互对照：不单独设置对照组，而是几个实验相互对照。条件对照：给实验施以部分实验因素，但不是需要研究的实验处理因素。例如验证“无土栽培西红柿的实验过程中，幼株烂根是由于根部缺氧造成的”实验设计中， “不缺氧”（通入空气或氧气）就是条件对照组。
在整个设计过程中，尤其是“方法步骤”，要贯彻、体现这些原则：科学性原则；单一变量原则:实验过程强调的就是对实验的主动控制性,只有在能控制实验变量的情况下，才能找到导致实验结果发生差异的原因.其中实验中能影响实验结果的因素称为自变量(或者反应变量),而由于自变量的改变,导致实验结果的差异反映在某一指标上,这个具有差异性的指标就是因变量.在一个实验中,由于实验对象的特殊性(一般是生命体),所以能影响或者改变实验结果的变量往往就不止有一个.倘若在一个实验中有多个变量的变化都影响了实验结果,那么实验者就不可能从中判断出是哪一个变量导致了因变量的改变,所以在实验过程中必须保持变量是单一的，才能够弄清楚该自变量是怎样影响因变量的,才能够得出正确的结论。
根据实验的已知条件,解决如何控制单一变量和检测因变量,这一步骤是实验设计类型题目经常考查的环节. 最常见的控制单一变量的实验类型是对照实验。通过将实验中的单一变量设置为不同的组(实验组和对照组),然后对比这些不同组实验的因变量,从而得出实验结论,这是生物学实验设计的核心理论. 例如“玉米种子在黑暗中萌发形成黄化苗”实验的自变量是光，因此设置实验组：黑暗条件下培育玉米苗，对照组：正常光照下培育玉米苗。然后根据结果作出结论并进一步作出原因分析。
此外，实验设计过程中还要贯彻、体现这些原则：简便可行性（可操作性）原则、对照原则（有实验组和对照组以显示实验的效果，方法如前述四种）、等量原则（否则会使实
验结果失去可比性，影响对照的价值）、单因子变量原则、平行重复原则、随机性原则、可重复性原则、安全性原则。
三、抓住实验设计的关键步骤，搭好解题的“骨架”
控制变量和给出可操作定义是设计实验方案时最重要的技能。变量是设计实验中可以变化的因子，其中人为控制改变的因子称为自变量，随着自变量改变的因子成为因变量。找出并控制好自变量是实验是实验成功的关键因素。自变量的确定只要“顺着实验假说”去找，去给实验组“加”或“减”即可。例如“验证CO2是光合作用的必需原料”，可这样假设：如果CO2是光合作用的必需原料，那么无CO2光合作用就不能进行。有无CO2为自变量 ，用NaOH吸收CO2 “减法”控制对照组的条件；在“验证甲状腺激素对蝌蚪发育的影响”实验中，给实验组的食物中用“加法”加入甲状腺制剂。在一个设计良好的对照实验里，除了要控制的变量外，其余条件都应该保持相同且是最适宜的，以减少无关变量的干扰。因变量一般是不能直接体现出来的，因此就要确定因变量及其体现指标。体现指标即所谓可操作定义。例如，光合作用“是否进行了”，就是因变量，可以用光合作用的产物淀粉遇碘变蓝这一特点作为体现指标(实验结果)。再如，几个相同的锥形瓶中装满了接种过等量酵母菌的2%的蔗糖溶液，如何体现不同温度下的酵母菌无氧呼吸的强弱？温度是自变量，因变量可以通过无氧呼吸生成的CO2多少来表现，而气体的体积如何知道呢？在锥型瓶上各插一支移液管，让瓶倒置，移液管液面下降快慢即可反映无氧呼吸生成CO2的快慢。
设计实验步骤是学生普遍感到棘手的问题.虽然不同实验的实验步骤不一样,但实验步骤就是实验过程中实验者要做的每一件事,先做什么,后做什么?对于对照实验,设计实验步骤,一般有如下规律:
A:分组编号:即分出实验组和对照组,或者分出几个相互对照的实验组,并编号,以便识别. B:共性处理:即对各组所施加的处理方法都相同,这种处理是为了控制无关变量,从而减少或抵消额外变量即减少系统误差和偶然误差.这一步要注意使用一些定性、定量的描述性语言，如“相同的”、“等量的”、“长势、生长状况相似的”等等。
C：变量处理，即对不同的组施加的处理方法不一样，实验变量就在这一步产生。 D：实验现象，记录结果：经过以上处理之后，将会看到不同组别所产生的现象，这就是实验结果，要把它记下来。就生物学实验来说，有的实验不是马上就能看到结果，而需要一定的时间,有的甚至要较长的一段时间（如培养类实验），这就需要定期观察与记录，这一步同样需要用到一些定性、定量的词，“如相同适宜条件下培养”等等。（注：AB可以合并为一步，BC先后顺序可对调）
四、解题的一般方法和表达的格式
由于考虑到改卷的“可操作、简便性”，自主选择实验材料的完全开放性试题，在高考中出现的可能性较少．也就是说高考实验设计题中的“实验材料”和“实验方法步骤”不大可能同时“很开放”，全由考生自己选择。历年全国各地高考实验设计题，未发现有要考生写出全部实验材料的题目，大多数都是给出全部或大部分“实验材料”，要考生写出“实验步骤”、“结果结论”等，既降低了答题者答题的难度，同时也降低了改卷者改卷的难度。
由于笔试和改卷等条件的限制,所以高考考查的探究实验的基本程序一般是:
确定实验目的(课题)――提出假设――制订方案――预期结果.以下是解实验设计题的一般程序：
浏览试题 明确要求 挖掘条件 审判断类型 题 明确目的 提出假设 实验原理 材料分析 变量分析 注意试题每小题分数的分配情况及实验题类型，做到心中有数 确实弄清每小题的题意，明确题目要求 看清有关线索，找出隐蔽条件 验证性实验题 如例1 一般地试题直接给出，用笔划出即可 不需要假设 探究性实验题 如例2 把题中问题变为陈述句（肯定或否定） 对探究问题提出一种可能性 涉及生物学及相关学科中的方法和原理，是设计实验所依据的科学道理．如例1的原理是甲状腺激素能促进物质的氧化分解(耗氧量),提高神经系统的兴奋性(活动量).例3的原理是还原糖于斐林试剂反应,加热煮沸后出现砖红色沉淀 试题一般都会给出实验的材料和用具，实验器材能限制实验设计的具体细节(甚至整个实验设计的方向), 所以应认真分析它们的用途（一般不要少用更不要多用），关注、思考并结合教材中的相关实验中使用的器材和试剂，区分异同，解决问题．如例3 确定自变量、根据实验目的，明确实验过程中的自变量和因变量及其变化 因变量及其（一般地自变量较易找出，因变量较隐藏。如例4、5） 变化 设置实验组和对照组 施加实验变量组为实验组，不施加的为对照组。控制无关变量，即其它条件相同（考虑可操作性原则和重复性原则）如例2中加人有机污染物X溶液的为实验组，加入等体积蒸馏水的为对照组 观察并记录据反应变量，反应或培养一段时间后，寻找可操作性的观察指标如特结果（体现因异颜色变化、沉淀反应；形态结构、生理特征变化等（定性实验），或变量） 测定指标如生长发育速度、生化反应速度、收集反应气体的多少等（定量实验，注意前测、后测）并记录结果。如例2 结果 结论 分析 表达 检查 预期并准确描述实验结果 验证性实验结果往往只有一个。如例1 探究性实验往往有多个可能的结果。对应假设，分类讨论：正相关（实验变量有利即肯定假设）、负相关（实验变量不利即否定即否定假设）和不相关（实验变量无影响即与假设无关） 作出结论 对应实验目的，对结果作出的判断。探究性实验的结论要写多种可能性；验证性实验，结论只能有一条，应与所学过的生物学知识一致。 解释或分析实验结果：即解释出现这种结果的原因，实际上就是寻找实验原理与实验结果之间的关系 作出分析 将实验分析的结果用语言文字、图表曲线等形式予以正确表达 参照实验设计的基本程序，从整体上补充完整整个实验设计。检查实验设计及语言表达有没有科学性错误。 例1． 为了验证甲状腺激素的生理作用，试以大白鼠的耗氧量和活动量为观察指标，根据给出的实验材料和用具，设计实验步骤，预测实验结果，并作出分析。
（1） 材料和用具：日龄相同，体重相近的雄性成年大白鼠两组。甲状腺激素溶
液，蒸馏水，灌胃器，耗氧量测定装置，小动物活动测定仪等。实验提示：给药途径为每日灌胃，给药剂量和仪器操作不作考试要求，室温恒定）
（2） 方法与步骤： （3） 结果预测与分析：
例2．科学研究已证实某类有机污染物对水生软体动物雌性个体有致畸作用，畸变雌性体内出现雄性生殖器官。近期某水域被该类有机物X污染，为了解此有机物对水生软体动物是否有致畸作用，生物兴趣小组同学提出开展探究活动。请利用中学生物实验室常用器材以及下列实验材料和用具，设计实验并预测实验结果。
实验材料和用具：采自未受污染水域、体重相近、性成熟的水生螺(A螺) (300只)，解剖镜，有机污染物X溶液，养殖池，正常A螺雌、雄性器官解剖图谱等。
提示：给药剂量、具体仪器操作不作要求，室温恒定，养殖时间30天：A螺为雌雄异体，性别特征可在解剖镜下鉴定：
(1)拟定课题名称：探究有机污染物X对A螺雌性器官畸变的作用（2分，其他合
理答案酌情给分）。
(2)设计实验步骤：①随机取A螺数只解剖，对照解剖图谱，识别雌、雄生殖器官
特征（l分）；
②将A螺随机分为对照组和实验组，每组100只（至少30只）
（l分）；
③向实验组养殖池中加人一定体积的有机污染物X溶液，对照组加入等体积的蒸馏水，饲养和其他条件均相同（1分）； ④养殖30天后，将各养殖池中A螺在解剖镜下解剖观察并与标准图谱对照，记录性畸变雌螺数量（l分）； ⑤计算雌、雄个体性畸变百分率（l分）。（其他合理答案酌情给分）。
(3)预测实验结果：①对照组雌性和雄性螺类生殖器官正常（l分）；
②实验组雌性个体出现性畸变（1分）。（其他合理答案酌情
给分）。
例3．据药理研究,某种茅草的根含有降血糖的因子及几种有益于健康的成分,某公司将它开发成一种保健饮料.该产品是否适合用于糖尿病患者,生物兴趣小组的同学依此作为研究课题进行研究.请你完成下面的实验鉴定报告.
(1) 实验目的:鉴定某种茅草的根是否含有还原糖和淀粉。
(2) 实验原理：__________________________________________________.
(3) 实验器材:该种茅草的根、所需试剂、刀片、载玻片、酒精灯、试管夹、火柴、
滴管等。 (4) 实验步骤： (5) 实验现象： (6) 结果分析：
该实验涉及到还原糖的鉴定和淀粉的鉴定，在生物教材的实验中学习过这两个实验。实验的器材和试剂为：试管、酒精灯、铁架台、大烧杯、新鲜的斐林试剂、碘液。但是本题不但要求学生自己选试剂（鉴定还原糖的新鲜的斐林试剂和鉴定淀粉的碘液），而且也不提供试管、酒精灯、铁架台、大烧杯（但有刀片），鉴定的也不是溶液而是茅草的根，器材中也没研钵。但是从原理上分析，只要将待测物质和试剂接触，并给予一定的条件，就可以通过观察颜色变化得出实验结果。所以，可以用刀片将茅草的根切成薄片，放置于载玻片上，滴加现配斐林试剂，由于考虑到教材中使用斐林试剂除了应该现配现用外还需加热煮沸才会出现砖红色沉淀，另外题中给出了酒精灯和火柴，所以将载玻片在酒精灯上均匀加热，观察颜色反应。
例4：探究低于适宜温度的环境（如10℃）对小鼠能量代谢的影响（能量代谢的强弱用单位
高中生物实验设计题解题能力的策略人教版
