高考生物实验能力要求解读与题型分析(4)

北京师范大学附属实验中学（100032）林祖荣
江苏省泗阳中学（223700）刘鸿儒
——本文载2004年第4期《中学生物教学》
4．实验设计
能够设计简单的实验方案并处理相关的实验问题，是实验能力的较高要求。通过实验设计，不仅可以考查学生的实验能力，也可能较好地考查学生的思维能力和创新能力等各方面的能力，以及进行科学实验的思想和方法，能较好地体现当前教学改革特别是考试改革的要求，因此是一类很好的题型。实验设计题的能力要求高，难度较大，学生往往感到比较困难。从解题技巧的角度来看，总体上可以分以下几步进行：
(1)了解题目要求→(2)明确实验目的→(3)分析实验原理→(4)确定实验思路→(5)设计实验步骤→(6)预期结果与分析。
[例1] （2000年生物高考上海卷）根据下述条件设计一实验，鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，写出实验操作步骤并分析结果。
一瓶10%的蔗糖溶液，一瓶30%的蔗糖溶液，250ml瓶1只、半透膜制成的透析袋1只、刻度玻璃管1支、细线1根、支架1个。
（1）实验步骤：
（2）结果分析：
[解析](1)了解题目要求。首先要明确题意，只有明确题意才能方向明确，少走弯路。本题的要求有二个：一是设计实验步骤，二是分析实验结果。
(2)明确实验目的。明确实验到底要解决什么问题。本实验的目的题目中已告知，即鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，实验只要求定性区别两瓶蔗糖溶液的浓度，不要求作具体的浓度测定。
(3)分析实验原理。鉴别蔗糖溶液浓度的方法很多，如用化学方法直接测定蔗糖溶液的浓度，用物理方法通过测定不同蔗糖溶液的比重，用生物方法通过不同蔗糖溶液的渗透性差异来确定等。原理不同设计方法显然不同。在分析实验原理时要充分利用实验所给的条件，并结合所学知识来解决。本题实验条件中给出的半透膜制成的透析袋告诉我们，所运用的原理是根据不同溶液的蔗糖溶液其渗透性不同，即：通过半透膜，水分总是从溶液浓度较低的一侧向溶液浓度较高的一侧渗透。
(4)确定实验思路。这一步尤如做作文的构思，是建立实验设计的基本框架。运用半透膜来测定两组蔗糖溶液的浓度方法也可以是多样的，如可以设计两组或三组实验进行对照操作，但本题提供的器材只有一组，显然不可能设计成两组或三组实验，只能设计一组实验。这样，将两种蔗糖溶液分别置于半透膜两侧，就成了最佳选择。基本思路就是，将蔗糖溶液之一置于透析袋中，另一蔗糖溶液置于透析袋的外侧，通过观察渗透作用的进行情况来判断溶液的浓度。
(5)设计实验步骤。有了思路，具体怎样操作？这就需要在确定思路的基础上进行精心的设计。这一设计一定要充分利用题目中所给的实验条件，要思考题目中所给出的实验材料和试剂分别是起什么作用的？怎样运用？要注意：一是题目给出的实验试剂和材料都必须充分运用；二是除非题目条件允许，否则不能自己随意增加实验试剂和材料。本题的具体设计应为：（有下划线的为题中所给的实验试验和材料）
①将一瓶中的蔗糖溶液倒入烧杯中。
②将另一瓶中的蔗糖溶液装满透析袋，将刻度玻璃管插入袋内溶液中，用细线将袋口和玻璃管扎紧。
③将插有玻璃管的透析袋放入装有蔗糖溶液的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管的液面刻度。
④一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面是升还是降。
在设计中常见的问题有以下几种：一是将实验设计成对照实验，分成二组进行实验，这样题目中给定的实验器材就不够用，因而不符合题目的要求；二是将两瓶蔗糖溶液先后置于透析袋内，分别置于放有清水的烧杯中进行实验，然后记录液面上升的刻度。这样操作的问题在于一方面在同一透析袋中进行操作，影响实验的精确性；另一方面题目所给的实验条件中没有给出清水。因此这种设计也不符合题目要求。三是不少同学忽略一些细节的处理，如细线、支架没有起到作用等。此外，还有的同学叙述成“将10%的蔗糖溶液…”，把未知的需要鉴别的蔗糖溶液当成是已知条件，然后再去分析实验结果。这样实验的目的就改变了，由原来的要求鉴别蔗糖溶液浓度，变成了验证已知的不同浓度的蔗糖溶液通过半透膜的渗透性了，显然与题意不符。
(5)结果与分析。一般的实验设计题都会有实验结果的预测与分析或对实验过程中的某些操作或原理的分析。本题要求对结果作出分析，既应该包括结果，也应该包括对结果的分析。答案应为：如液面上升，则透析袋中的是30%的蔗糖溶液，烧杯中的溶液是10%的蔗糖溶液；反之，可推测透析袋中的是10%的蔗糖溶液，烧杯中的是30%的蔗糖溶液。
答案：见分析。
例2．在微生物实验中，一般用琼脂培养基来培养细菌等微生物，它在加热后呈液化的溶胶状态，在室温下又呈半透明的凝胶状态。在凝胶状态下其表面及内部的不同部位可生长大量的不同代谢类型的肉眼可见的细菌菌落。请用下列材料和用具，设计一个实验来判定某种细菌的异化作用类型。
一、材料用具：
某细菌种，琼脂试管培养基2支，无菌接种设备、恒温箱，水浴锅
二、操作步骤：
三、实验可能会出现哪些结果？并对每一结果作出相应的鉴定。
【解析】(1)了解题目要求→(2)明确实验目的→(3)分析实验原理→(4)确定实验思路→(5)设计实验步骤→(6)预期结果与分析。
（1）本题的要求有两个：一是设计实验的步骤；二是预期实验的结果，并对实验的结果进作出相应的预期。
（2）本题的实验目的是判定某种细菌的异化作用类型。微生物的异化作用类型包括三种：需氧型、厌氧型和兼性厌氧型。实验的目的是判定某细菌的异化作用类型，而不是验证它属于哪种类型。
（3）用什么办法判断细菌的异化类型呢？题目给出了提示，即要求根据细菌在培养基表面及内部的不同部位生长分布的菌落特征来判断。
（4）根据实验的原理，显然需要通过培养细菌，才能根据观察细菌的菌落分布。
（5）在具体设计实验步骤时，一方面要依据实验的原理和题目所给的材料用具，另一方面还需要有一定的实验技能。本题中的实验设计需要微生物的培养技术。首先需要用水浴锅融化所给的2支琼脂培养基；然后要培养基冷却而没有凝固前进行接种。如何接种呢？题目提供了2支试管，显然是供设计对照实验用的。一种思路是：给其中的一支接种，并让细菌在培养基中分布均匀；另一支不接种，以校正培养基以及实验过程可能给细菌培养带来的影响。这样接种的一支是实验组，而未接种的一支是对照组，利用的是空白对照的方法。另一种思路是：两支试管的培养基都接种，其中的一支将细菌接种在培养基的表面，另一支接种在培养基的底部，两支试管都是实验组，构成相互的对照。然后观察菌落的生长与分布。从理论上两种方法都是可行的，但在实验操作中，仅利用题目所给的设备，要将细菌只接种在培养基的底部会有一定的困难，所以用空白对照的方法更合适。接种完成后需要将装置放在恒箱中进行培养。
（6）由于实验属于探究性的，而不是验证的。细菌到底属于何种类型无法作出预期，必须进行讨论。如果菌落集中分布在培养基的表面，那么该细菌是好氧性的；如果集中分布在培养基的底部，那么是厌氧性的，如果培养基的各部分都有菌落分布，那么很可能是兼性厌氧性的。
【答案】
二．（1）将2支琼脂培养基试管置于水浴锅中加热溶化。
（2）待培养基冷却至凝固前，用无菌接种设备将某细菌接种于一试管培养基中，另一试管不接种作对照，搓动试管，使细菌均匀混于培养基内。
（3）将恒温箱内温度调至适宜的左右，等琼脂凝固后，将两试管置于恒温箱内培养，每天观察培养基的菌落并记录，连续观察几天，直至结果清晰为止。
三、（1）若某细菌菌落只生长在培养基表面，则其为好氧性细菌
（2）若某细菌菌落只生长在培养基底部，则其为厌氧性细菌
（3）若表面及全部培养基都有菌落生长，则其为兼氧性细菌
（4）对照管若无菌落出现，说明培养基灭菌和无菌操作合乎要求；若对照管有菌落出现，则说明培养基灭菌或无菌操作不合要求，整个实验应该重做。
【例13】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            。
【分析】本题考查实验的设计、分析、预测等实验能力，同时需要有较高分析综合能力。涉及的生物知识很简单，只要知道小鼠呼吸作用消耗氧气，释放二氧化碳，释放的二氧化碳可以被氢氧化钠吸收就可以了。
解答实验题时，首先必须有一个正确的思路，这必须充分依赖实验的目的和条件来确定。首先，实验是要探究低于适宜温度的环境对小鼠能量代谢的影响，因此，涉及的变量肯定应是温度，实验设计的基本思路是：通过低于适宜温度和适宜温度两种情况下小鼠能量代谢的强度的比照来得出结论。在操作上，低于适宜环境的温度，可以通过题目给定的冰袋来解决。其次，能量代谢的强弱是通过单位时间内耗氧量来表示的，所以实验设计要检测的是不同温度条件下氧气的消耗。氧气的消耗如何测定呢？仔细分析实验装置中各结构的作用：氧气袋是供氧的，本身没有刻度指标，无法度量，当然不能作为耗氧量的判断依据。注射器是有刻度的，可以用来测量，但我们只能通过它知道注入广口瓶中的氧气量，而无法知道这些氧气有多少被小鼠消耗。实验装置中的水检压计是干什么用的呢？显然，这个装置中液面的改变是可以反映广口瓶中气压的变化的，而这个气压的变化正是小鼠消耗氧气导致而成的（二氧化碳被氢氧化钠吸收，因此广口瓶中二氧化碳不会影响气压的变化）。但水检压计上是没有刻度的，怎么知识小鼠在不同情况下耗氧量的变化呢？题目告知，测定的方法是用单位时间内的耗氧量表示，且在材料用品中给出了秒表。根据此实验，我们难以通过相同时间内的耗氧量来表示小鼠的呼吸强度，因为水检计上没有刻度，但换个思路，我们可以测定在不同温度条件下，消耗等量的氧气引起水检计刻度相同变化所需的时间。水检压计左右液面原来是平衡的，当给广口瓶中注入氧气后，液面就会发生变化，左高右低，随着小鼠对氧的消耗，水检压计的左右液面会趋于平衡，达到平衡需要的时间，是可以测定的。这样，在不同温度条件小鼠消耗相同体积的氧气量，就可以通过水检压计液面恢复左右平衡的时间来表示。当然，有了这个实验设计的思路，还需要对实验的过程进行准确描述，这需要有一定的语言表达能力。
实验会有什么样的结果呢？比较两种情况下的耗氧量无非有三种结果：相等，大于或小于。根据这三种结果，分别说明三种结论，这是比较简单的。反过来思考也可以：温度对小鼠的能量代谢可能是没有影响的；可能是使小鼠代谢活动加强的，也可能是使代谢活动减弱的。
由于小鼠是恒温动物，在低温件下需要更多的能量来维持体温，因此低温下的代谢会加强，消耗相同的氧气所需的时间在低温下要比高温下少。
【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。
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。
实验设计性题型的综合性强，难度较大。要设计实验的过程中，要注意以下问题：
（1）实验的目的要把握准确。实验目的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。因此要指导学生在实验设计前首先要认真审题，准确把握所设计实验的实验目的，否则整个实验设计就无从谈起。在例1中，只要求区别两种溶液的浓度，是定性的要求，无须具体测定浓度；例2中，只要求探究细菌的异化作用类型，不必去探讨同化的异化及其他特征；例3中探究的是小鼠在不同温度条件下的呼吸强度。只有把握了实验的要求，实验的设计才不会偏离方向。
（2）要明确实验的具体要求。一个结论的证实，可通过许多不同的实验来证明，但究竟应选用何种设计方案，则要根据题目的具体要求来确定。所以在把握实验目的之后，要细心地去弄清题目的设计要求。否则尽管实验设计得很完美，但若不合题意，还是不能得分。
实验的具体要求一般通过由以下几个方面来限定：一是实验有原理。如例1中，溶液浓度的区别是依渗透原理来判断的，因而你就不可以用化学方法来测定。例2中，要要求通过菌落在培养基中的分布来确定的，其他方面就不符合题目的要求。二是受材料用具的制约。如果试题中给出了实验的材料用具，那设计时就必须充分依据所给的材料用具。例2中，只有给你2支含有培养基的试管，就不能设计成三组实验。三是受试题特定要求的制约。例如，测定某植物是纯种还是杂种，可以用自交、测交和花粉鉴定等方面。如果要求是最简单的方法，那么对于两性花来说就应该是自交而不是测交；如果是花粉的某些性状的确定如花粉粒是否糯性，就可直接用花粉鉴定的办法。
（3）要设计好对照实验。实验对照的方法有多种，由于同一种实验结果可能会被多种不同的实验因素所引起，因此如果没有严格的对照实验，即使出现了某种预想的实验结果，也很难保证该实验结果是由某因素所引起的，这样就使得所设计的实验缺乏应有的说服力。可见只有设置对照实验，才能有效地排除其它因素干扰结果的可能性。
常用的对照实验的方法有以下几种：
空白对照。指不做任何实验处理的对象组。例2中，没有接种细菌的那组实验就是空白对照。
自身对照。指实验与对照在同一对象上进行,即不另设对照。例1中实验装置只有一个，其对照就是自身前后前后的对照。例3中的对照也属于自身对照。自身对照,方法简便,关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异,实验处理前的对象状况为对照组,实验处理后的对象变化则为实验组。
条件对照。指虽给对象施以某种实验处理,但这种处理作为对照意义的,或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如,“动物激素饲喂小动物”实验,采用等组实验法,其实验设计方案是:甲组:饲喂甲状腺激素(实验组);乙组:饲喂甲状腺抑制剂(条件对照组);丙组:不饲喂药剂(空白对照组)。显然,乙组为条件对照。该实验既设置了条件对照,又设置了空白对照,通过比较、对照,更能充分说明实验变量---甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育。
相互对照。指不另设对照组,而是几个实验组相互对比对照。在等组实验法中,若不设空白对照,则大都是运用相互对照。例2中，如果两支试管在不同的部位进行接种，那就是相互对照。
在设置对照实验时，除了实验变量外，其余实验组与对照组都应该是相同的。一般来说，应该做到：生物材料相同，包括所用生物材料的数量、质量、长度、体积、来源和生理状况等方面特点要尽量相同或至少大致相同。实验所用的器具要相同，如试管、烧杯、水槽、广口瓶等器具的大小型号要完全一样。实验的试剂要相同，如试剂的成分、浓度、体积、量等都要相同。条件控制要相同，如保温或冷却：光照或黑暗；搅拌或振荡都要一致。有时尽管某种处理对对照实验来说，看起来似乎是毫无意义的，但最好还是要作同样的处理。
（4）精心设计实验步骤。实验步骤是实验设计的核心，在解答实验设计题中，对于实验能力的考查主要是通过实验设计的步骤来体现的，试题的分值也大多集中在实验设计的步骤上。最好的实验设计思路也要通过具体的实验步骤来体现。要合理设计好实验的步骤，一方面需要学生掌握一定的实验理论知识，明确实验设计应遵循的原则，另一方面要有一定的实验技能。高考实验中涉及的实验技能一般应是课本实验为基础的。在实验设计过程中要注意以下几个问题：一是实验条件的控制。如除去容中的二氧化碳一般可以用氢氧化钠溶液来吸收，增加容器中的二氧化碳可以用碳酸氢钠；增加水中的氧气可以吹气或放入水藻；隔绝液体与空气可以用油膜；密封玻璃装置可以用石蜡；除去叶片中原有淀粉，可以在暗中进行饥饿处理；溶解叶绿体中的色素可用有机溶剂隔水加热；固体结构的充分研磨可以加二氧化硅；得出单色光可以用三棱镜分光处理。二是实验结果的显示方式。实验需要通过一定的方式显示实验结果，同一实验可以通过不同的方式来显示实验结果。光合作用可以通过光的利用，氧气和有机物的产生，二氧化碳的消耗等来恒量，呼吸作用可以通过氧气的消耗，二氧化碳的产生，有机物的消耗，热量的产生等来恒量。那么如何测定氧气或二氧化碳的产生或消耗？如何检测有机物的产生与消耗？如何检能量的产生？其检测的方法显然是不相同的，需要根据具体的实验要求进行设计。三是实验程序的安排。实验程序的安排是否合理直接影响实验的结果和结论。例如，要证明温度对唾液淀粉酶催化作用的影响，如果一开始就唾液淀粉酶混合，然后将不同的试管置于不同的温度条件下，步骤就不合适了，因为唾液与淀粉先混合反应就开始发生了，酶的催化就不是在所需要研究的温度条件下进行的了。
（5）预测实验结果
实验设计的最后往往还需要预测实验结果，在结果预测上要全面，准确。首先要注意实验是验证性还是探究性，如果是验证性，假设既定，那么结果的预测应该是与实验的假设相一致的；如果是探究性的，那么就需要对实验的结果进行讨论。对于讨论性的要充分考虑到各种情况的可能性。如例2中，学生往往容易忽略兼性厌氧性的类型。其次，要注意语言表述的科学、准备和规范。如不能把没有反应说成是“无现象”，蓝色褪去不能说成是变成无色，盖玻片不能说成是薄玻璃片，等等。