高考生物实验设计题的题型

生物学是一门实验性科学，因此，实验是一直是生物高考必考的内容之一。在生物考试大纲中就明确要求：理解所学实验的实验内容，包括实验原理、方法和操作步骤，掌握相关的操作技能；具备验证简单生物学事实的能力，并能对实验现象和结果进行解释和分析；能对一些生物学问题进行初步探究性研究并能制订研究方案。
所谓实验设计，就是要求学生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步骤，设计数据处理的方法及分析实验的现象。它包括设计实验方案、设计实验步骤、设计实验改进方法等。
实验设计，主要考查学生是否理解实验原理，是否具有灵活运用实验知识的能力，是否具有在不同情境下迁移知识的能力。
根据不同的划分标准，可以将实验设计分成不同的类型。
一、根据实验的目的不同分类
1．验证性实验
这类实验的特点是：题目给出实验目的、实验试剂和用品，要求学生据此设计实验步骤加以证实。它一般是已有明确的结论，用实验来验证结论。教材中的实验大多属于这种类型。例如：比较过氧化氢酶和Fe3+的催化效率的实验。在近几年的高考实验题中也有不少属于此类型的。
例1：2004年高考理科综合（全国卷）第31题：胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用。为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”请以小白鼠为实验对象设计实验步骤，预测和解释实验应出现的结果，并写出实验结论。
（一）   实验材料和用具
正常实验小白鼠2只，生理盐水，用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性试剂，注射器，试管，烧杯等。
（二）   实验步骤
（实验提示：采用腹腔注射给药，给药剂量不作实验设计要求；给药1小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液）
（三）   实验结果的预测、解释和结论。
解析：从本题的题干中很明显看出是验证性实验。设计实验步骤时只要遵循实验设计的单一变量、对照等原则就行了。本题的单一变量就是对一只小白鼠给以胰高血糖素处理作为实验组，另一只给以等量的生理盐水处理作为对照组。
答案：（二）（1）确定1只小白鼠为实验鼠，腹腔注射胰高血糖素溶液，另一只为对照鼠，腹腔注射等量的生理盐水。（2）将两支试管分别编号为1号和2号，各加入等量的班氏糖定性试剂。（3）给药1小时后，对两只小白鼠采集尿液，实验鼠尿液放入1号试管内，对照组尿液放入2号试管内。（4）将两支试管摇匀后，放入盛有开水的烧杯内加热煮沸，待冷却后，观察两支试管的颜色变化。
（四）   1号试管中应该出现砖红色沉淀，表明实验鼠尿液中有葡萄糖；2号试管中仍为蓝色溶液，表明对照组尿液中无葡萄糖。
实验结论：实验鼠血糖升高，超过一定数值而出现糖尿，是胰高血糖素具有升高血糖的生理作用所引起的。
例2：2001年全国高考生物试题（上海卷）第39题：据药理研究，一种茅草的根内含有降血糖的因子及多种有益于健康的成分，某公司将它开发成一种保健饮料。该产品是否适用于糖尿病患者，生物学兴趣小组的同学以此作为研究课题。请你完成下面的实验鉴定报告。
（1）实验目的：鉴定一种茅草的根是否含有还原性糖和淀粉。
（2）实验原理：还原性糖可用        试剂、淀粉可用        试剂来检测。
（3）实验器材：一种茅草的根、所需试剂、刀片、载玻片、酒精灯、试管夹、火柴、滴管。
（4）实验步骤：
① 鉴定还原性糖：
② 鉴定淀粉：
（5）实验现象：
（6）结果分析：
（7）在鉴定还原性糖的实验操作中应注意：
解析：本实验是验证茅草的根内是否含有还原性糖和淀粉的实验，所用原理是教材中还原性糖遇班氏糖定性试剂（或斐林试剂）受热后出现砖红色沉淀及淀粉遇革兰氏碘液现蓝色；学生只要模仿教材中的实验步骤就能正确解答。
答案：（2）班氏糖定性试剂，革兰氏碘液（4）①将该种茅草的根切成薄片（或压碎），放在载玻片上，滴加1～2滴班氏试剂，将载玻片放在酒精灯上加热，观察颜色的变化。②将该种茅草的根切成薄片（或压碎），放在载玻片上，滴加1～2滴革兰氏碘液，观察颜色的变化。
（5）（6）可以有几种不同答法，但一定要求观察到实验现象与结果分析相一致（如：观察到有砖红色，说明有还原性糖的存在；如果没有砖红色出现，说明没有还原性糖的存在；如有蓝色或蓝紫色出现，说明有淀粉存在，如没有蓝色或蓝紫色出现，说明没有淀粉存在）
（7）载玻片放在火焰上加热时要来回移动，以免加热不匀而爆裂。
2．探究性实验
这类实验的特点是：结论通过实验探究而得出的。它的一般过程是，先进行实验假设，并对实验结果作出预测，设计实验方案，观察并记录实验现象和结果，将实验结果和预期对比得出实验结论。这类实验在教材中较少，但不少科学发现过程却正是通过该方法获得的，如：生长素的发现，光合作用的条件、场所和产物的发现过程，孟德尔遗传定律的发现等都是一个探究性的过程。近几年高考，探究性实验题逐渐加强，主要是通过探究性实验的考查可以考查学生对教材基础知识、原理、生理作用的理解和应用能力，但高考试卷中涉及的主要是其中的“设计实验步骤和对实验结果作出预测和解释”。
例3：2004年高考生物卷（江苏卷）第42题的第（2）根据酸雨对植物的毒害作用的实验装置和试剂以小麦种子为实验材料尝试设计实验，探究2种不同pH的酸雨对种子萌发率的影响。
①探究的问题：不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响。
②作出的假设：________________________________________________________。
③实验步骤（简要叙述）：
④实验预期结果与分析（实验预期结果多种多样，写出其中3种并加以分析）：
解析：本题关于“不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响如何”还没有明确的结论，需要通过探究过程才能得出，因此是典型的探究性实验题。本题具有一定的开放性。
答案：（2） ② 不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响程度不同（或相同）。 ③ 用上述实验装置和试剂，采用两种pH<5.6的“酸雨”进行实验，设置清水对照；
在三个花盆中播种同样数量（例如50粒）的小麦种子；在相同而适宜的环境中培养；一段时间（7天）后，分别统计3个装置中的种子萌发率。 ④ a．如果三个装置中种子萌发率没有差异，那么说明酸雨对种子萌发率没有影响b．如果三个装置中，pH越小，种子萌发率越低，说明酸雨对种子萌发有抑制作用，且随着pH的减小，抑制作用增大。C．如果三个装置中，pH越小，种子萌发率越高，说明酸雨对种子萌发有促进作用，且随着pH的减小，促进作用增大。
2003年全国高考生物卷江苏卷的第42题实验题也属于探究性实验。
二、根据对实验过程的要求不同分类
1．完善实验步骤类
该题型的特点是：题目已对实验结论或假设作出部分实验步骤，还有部分实验步骤需要学生根据已知的步骤推测完善。
例4：2001年高考理科综合卷（江苏卷）第25题。有人设计了下列实验，试图证明“生长素（IAA）在植物体内的运输，主要是从植物形态学上端（顶端）向下端（基部）运输，而不能倒过来运输（如：生长素只能从胚芽鞘的上端向下端运输）”。
一、材料、用具：胚芽鞘、琼脂、刀片等
二、方法步骤与结果：
（一）制备琼脂块
（二）取一段胚芽中间部分，上面放含IAA的琼脂块，下面放空白琼脂块
（三）取步骤（二）下面琼脂块（a）的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧
三、结论：以上实验证明了““生长素（IAA）在植物体内的运输，主要是从植物形态学上端（顶端）向下端（基部）运输，而不能倒过来运输”。
我们认为，仅用该实验步骤（一）、（二）、（三）还不足以严密论证以上结论，请在上述实验的基础上补充相应的实验方法、步骤和实验结果。
解析：该实验给出的相应实验设计步骤可证明生长素可以从胚芽鞘中部的顶端运往下端，但还不能证明生长素不能从形态学下端运往上端，因此，需要补充相应的实验的方法、步骤才能得出正确的结论。
答案：补充方法、步骤与结果（一）：另取一段胚芽鞘中间部分倒放。上面放含IAA的琼脂块
补充方法、步骤与结果（二）：取补充步骤（一）下面琼脂块（b）的一部分放在去尖的胚芽鞘一侧
2．纠错改正类
该题型的特点是：题目已根据实验目的原理写出有关实验步骤，但写出的实验步骤有不正确或不严密的地方，要求指出并加以改正，写出正确的实验步骤。
例5：为验证“二氧化碳是光合作用合成有机物必须的原料”，某同学设计了如下实验方案：
（1）实验目的（略）
（2）实验材料和用具（略）
（3）实验方法和步骤
①     用一适当大小的玻璃罩罩住一株生长正常的盆栽绿色植物和一杯氢氧化钠溶液，密闭不漏气。
②     将上述植物及装置放在暗室中饥饿，消耗掉叶片内贮藏的有机物，暗色中装有红色安全灯
③     饥饿一定时间后，自暗室中取出，照光若干小时，使其充分进行光合作用。
④     取一叶片，放入盛有酒精的烧杯中，水浴加热，使叶绿素溶于酒精中。
⑤     将已脱色的叶片取出，平铺在一个培养皿内，用碘—碘化钾溶液，检测有无葡萄糖的特异颜色反应出现。
该实验方案有几项明显错误，请指出错误并指正。
解析：该题属于验证性实验，题中已给出实验步骤，但不科学。根据实验设计的单一变量和对比原则就可以找出不正确之处。
答案：（1）实验步骤②中暗室内用红色安全灯是错误的，应该为绿色安全灯（2）实验步骤⑤中的“葡萄糖”是错误的，应改为淀粉（3）未设对照实验，对照的做法是：a装置同题干中的①步骤，但玻璃罩内用同一种生长状况相同的同种一株植物代替装置中的植物，用一杯清水代替氢氧化钠溶液；b将上述植物及装置放在暗室中饥饿，消耗掉叶片内贮藏的有机物，暗室内装有绿色安全灯；c重复题干中步骤③、④；d 重复修改后题干中的步骤⑤。
三、根据对实验设计的内容不同进行分类
1．生理过程类
目前大多的实验设计属于此类，这是就生物体的有关生理过程设计实验进行验证或探究，如：绿色植物的光合作用、动植物的呼吸作用，外界环境条件对种子萌发的影响，外界条件对动物能量代谢的影响等。
例6．2003年全国高考生物卷（江苏卷）第42题。
某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为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时间的耗氧量表示），请依据所给的实验装置（如图）、实验材料和用品，在给出的实验方法和步骤的基础上，继续完成探究实验，预测可能的实验结果和结论，并回答问题。
实验室温度：25℃左右
材料和用品：小鼠、冰袋、秒表等
方法和步骤：
步骤1：将小鼠放入广口瓶的笼子内，加塞密闭。打开夹子（A）、（B）、（C），片刻后关闭夹子（B），用注射器抽取10毫升氧气备用。关闭夹子（C），打开夹子（B），使水检压计．液面左右平齐。
步骤2：
步骤3：
结果预测和结论：①             ②            ③
该实验最可能的结果和结论应是            。原因是            。
解析：该题是探究温度对小鼠能量代谢的影响。本题对实验步骤的表述关键是要注意①夹子A、B的控制②观察的指标是等量的氧气在不同温度条件下小鼠消耗所用的时间差异。
答案：步骤2：待小鼠安静后，关闭夹子（A），记下时间，将注射器向前推进5毫升（推进数量合理即可），水检压计液面左侧升高，关闭夹子（B），待水检压计的液面左右平齐时，记录时间。得到在25℃环境中小鼠消耗5毫升氧气所用时间。
结果预测和结论：
步骤3：将冰袋放在广口瓶周围，调节距离，使瓶内的温度稳定在10℃，待小鼠安静后，重复步骤1、2中的有关操作。得到在10℃环境中小鼠消耗5毫升氧气所用时间。
①消耗5毫升氧气所用的时间10℃少于25℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢会加强。
②消耗5毫升氧气所用的时间10℃多于25℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢会减弱。
③消耗5毫升氧气所用时间10℃等于25℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢不受影响。
最可能的结果和结论是：消耗5毫升氧气所用的时间10℃少于25℃，说明小鼠的生活环境从25℃降为10℃时，能量代谢会加强。因为小鼠是恒温动物，在10℃比25℃下维持体温所消耗的能量多。
2．实践应用类
该题型的实验设计是考查学生能不能将所学的理论知识用于实践中，是对学 生能力的一个综合考查。
例7．2003年高考生物卷上海卷第42题。
在普通饲料中加入添加剂可以加速家禽和家畜的生长和增重。某饲料公司新近开发出两种新颖饲料添加剂1号和2号，委托某生物学小组试验这两种饲料的效果。请你为该小组设计一试验方案，方案中应包括：（1）试验具体步骤；（2）用直角坐标图直观地表示和比较试验结果；（3）试验要求在5周内结束。实验室有一批体重15g左右的小白鼠，可按需选作为试验动物。
解析：饲料添加剂是目前动物饲养中经常使用的促进动物生长的物质，但究竟效果如何，只要按照实验设计的原则进行实验设计就行了，该题还有一个与其它实验题不同之处是，对实验结果用曲线图的形式表示，而不是文字表述式的分析，这增加了一定的难度。
答案：（1）具体步骤①选取体重大致相似的健康小鼠，随机
分为三组，每组若干只
②A组饲料为普通饲料加添加剂1号，B组饲料为普通饲料加
添加剂2号，C组为普通饲料不加添加剂，作为对照组
③试验开始时称重，以后每周称重1次，记录每组的平均体重
④三组小白鼠在相同条件下饲养，每天给予充足水分和饲料
（2）参考上图给分。要求学生在坐标图上画出三组试验结果，
在纵轴和横轴上正确标出平均体重（g）和试验时间（周）
3．课题研究类
例8．2002年高考生物卷上海卷第43题。
某生物学兴趣小组开展“不同浓度香烟浸出液对水蚤的影响”的课题研究。他们已将香烟和蒸馏水按照1︰1的重量比浸泡24小时，过滤后的滤液作为原液。如果你是其中一员，请回答：
（1）采用何种测定指标来确定香烟浸出液对水蚤有无影响？（只要一种指标）
（2）做该实验时必备的实验器材是：
（3）写出实验的主要操作步骤。
（4）设计一张表格用于在实验时记录数据。
解析：研究性试题是随着近几年提倡开展研究性学习后而出现的一类题型，考查的往往只是研究的过程、方法和结果，它的解答和探究性试题有相似之处。它的结论往往更具有开放性和灵活性。
答案：（1）要求考生写出明确的测定指标（单位时间内的可具度的指标，如每分钟心跳次数，单位时间内的死亡率或相同数量的水蚤全部死亡所需要的时间等）。
（2）根据（1）写出所需要的主要实验器材，如配置浓度所需要的量度器材、实验用具、计时工具等。
（3）根据（1）写出主要的实验步骤。
（4）表中要反映出不同浓度梯度、对照组、实验重复次数、单位时间，平均值等。
具体举一例如下：
（1）水蚤每分钟心脏跳动次数
（2）显微镜、秒表（计时工具）、量筒、烧坏、载玻片、盖玻片等
（3）①用蒸馏水稀释烟草浸出液原液，配成3种不同浓度的溶液
②用吸管吸取水蚤，放于载玻片上，盖上盖玻片，调节光线，在显微镜低倍镜下观察：
③用引流法引流，观察和记录一定时间内水蚤在蒸馏水（对照）及不同浓度烟草浸出液中心跳次数，重复三次；
④整理实验资料，算出每分钟心跳的平均次数，做出评价。
（4）
不同浓度的烟草浸出液
每分钟心跳次数
第一次测量
第二次测量
第三次测量
平均值
浓度1
浓度2
浓度3
蒸馏水（对照）
巩固训练：
1．细胞膜是选择透过性膜。利用以下实验材料和用具来“验证细胞膜的选择透过性的功能”。请继续完成第二步及以后的实验步骤，并预测实验结果。
（1）实验材料和用具
①新鲜的红色月季花瓣 ②烧杯 ③玻璃铅笔 ④质量分数为15%的盐酸 ⑤清水 ⑥量筒
（2）方法步骤：
第一步：选两只大小相同的烧杯，分别用玻璃铅笔标上A和B。
第二步：
第三步：
结果及原因分析：
2．现有一植物的种子，已知它的萌发受水分、温度和氧气的影响，但不了解期其萌发是否与光有关。为了探究光的有无对该种子的影响，请你依据所给材料和用品设计出实验的方法和步骤，预测可能的实验结果，并分别得出相应的结论。
材料和用品：数量充足的铺有滤纸的培养皿，无菌水，表面消过毒的种子等。
方法步骤：
①
②
可能的实验结果和相应的结论：
①
②
③
3．某同学为验证“菜豆幼苗生长最佳的日温和夜温的组合”，日温以23℃、30℃夜温以17℃、23℃为代表，进行了以下实验：
材料用具：菜豆幼苗若干，若干大小相同的装有等量完全营养液的玻璃瓶，可控制温度透明的玻璃箱（可满足幼苗生长），量尺（或天平）等。
实验步骤：①取生长状况一致的菜豆幼苗若干等量分成两组，分别移栽到装有等量完全营养液的玻璃瓶中，并编号
②将两组幼苗分别置于日温30℃、夜温17℃和日温23℃、夜温23℃的条件下培养，并对溶液通气，其他培养条件相同，观察比较两组菜豆的生长情况，对各组菜豆幼苗称重或量高。
实验结果：日温30℃、夜温17℃条件下菜豆幼苗生长最快。
结论：日温30℃、夜温17℃是菜豆幼苗生长最佳的日温和夜温的组合。
（1）你认为该同学的实验设计是否科学？为什么？
（2）请写出你的实验设计思路。
（3）你是否同意该同学的实验结论？请说明原因。
4．苔藓对空气污染十分敏感。若某地空气中主要污染源是化工厂废气，请设计一个实验，用葫芦藓报告无污染、轻度污染、中度污染和重度污染的污染情况。
材料用具：栽有葫芦藓的生长状况相同的花盆4个，透明塑料袋，50ml注射器，双面胶纸。
实验步骤：
第一步：取一大号塑料袋排尽空气，收集化工厂废气若干；
第二步：
第三步：
第四步：
预期：经过24小时，可以得到无污染、轻度污染、中度污染和重度污染情况下的葫芦藓生存数，并以此作为指标预报污染情况。
巩固训练答案：
第1题：第二步：用量筒量取一定量的清水，加入A烧杯中；再用量筒量取等量的质量分数为15%的盐酸，加入到B烧杯中。第三步：将新鲜的红色月季花瓣分成两等份，一份放入A烧杯中，另一份放入B烧杯中，观察烧杯中溶液的颜色变化。
结果及原因分析：B烧杯中的溶液变红，而A烧杯中的溶液不变色。因为盐酸破坏了原生质层（或细胞膜）的选择透过性，细胞中的红色色素进入外界溶液中，使溶液变红。
第2题：①向培养皿中倒入适量的无菌水，将表面消过毒的种子分别放入两组培养皿中；
②将一组培养皿置于有光的环境中，另一组置于黑暗的环境中，使两组所处的温度、水分和空气状况适宜且相同。
可能的实验结果和相应的结论：
①有光组种子萌发，无光组也萌发（或有光组种子发芽率和无光组的差不多），该种子的萌发不受光影响；
②有光组萌发，无光组不萌发（或有光组种子的发芽率远远高于无光组），光是该种子萌发的必要条件之一；
③有光组不萌发，无光组萌发（或无光组种子的发芽率远远高于有光组），光抑制该种子的萌发。
第3题：（1）不科学。所提供的温度组合不足以证明日温30℃、夜温17℃是菜豆幼苗生长最佳的日温和夜温的组合。
（2）①取生长状况一致的菜豆幼苗若干，等量分成4份，分别移栽到有等量完全营养液的玻璃瓶中，并编号；②将4组幼苗分别置于日温23℃、夜温17℃；日温23℃、夜温23℃；日温30℃、夜温17℃；日温30℃、夜温23℃的条件下分别培养，并对溶液通气，其它条件相同；③一段时间后，对各组幼苗称重或量高，鲜重和株高最大的一组温度组合为菜豆生长最佳温度组合。
（3）同意。日温高，有利于幼苗进行光合作用合成有机物，幼苗在夜间只进行呼吸作用，温度低，使呼吸作用减弱，消耗的有机物少，昼夜温差大，有利于积累有机物，幼苗生长快。
4．第二步：取4盆生长状况相同的葫芦藓，套上相同大小的透明塑料袋，抽尽其中的空气，并标上1、2、3、4号；
第三步：往1号花盆中注入200ml空气，2号花盆中注入150ml空气和50ml化工厂废气，3号花盆中注入空气和化工厂废气各100ml，4号花盆中注入50ml空气和150ml化工厂废气，密封4个花盆；
第四步：将四个花盆放在有光照的温度适宜的环境中培养24小时。观察它们的生长情况。