2012届生物高考：实验能力的培养 (科学方法)

问题的提出 自2000年首次“理科综合能力测试”以来，生物学考试对于考生实验能力的考查出现了本质的改变。传统的试题侧重于实验技能的考查，如实验的材料用具、方法步骤、现象原理、结果分析等。面对传统的试题，往往出现做实验的学生考不过背实验的学生的“奇怪”现象。近十几年来，理综考试呈现的“设计研究方案或对已有的研究方案作出相应评价”类试题逐渐成为生物学考试中的主打题型。面对这样的试题，广大考生乃至辅导教师始终感觉难以应对。究其原因，首先是一线教师大多未经历过完整的科学研究过程，自身的科学素养不高；其次是考生们自小学至高中也鲜有科学实践的经历。能力只可能来自于过程，科学过程的缺失，必然导致师生科学素养与研究能力的低下。面对目前的教学实际，若在高三阶段再让考生去经历一些科学实践的过程显然是不现实的。可行的策略是在理论层面尽量对科学研究的方法有所认识，了解一些此类试题的命题规律，掌握一些解题的相应技巧，提高“应试”能力。

考纲要求： 1.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、分析和处理。 2.具有对一些生物学问题进行初步探究的能力，包括运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法。 3.能对一些简单的实验方案做出恰当的评价和修订。

内容提要 一.生物学常用的科学方法 二.对实验的教学目标应重新研究确定 三.阅读教材中的经典实验，了解前人的研究思路

一.生物学常用的科学方法 所谓科学方法，是指通过各种手段从客观世界中取得原始第一手的材料，并对这些材料进行整理、加工，从中找出规律性的东西

（一）观察 科学观察的最基本要求是客观地反应可观察的事物，并且是可以检验的、可重复的。只有可重复、可检验的观察结果，才是可靠的。 例如：观察植物细胞的质壁分离与复原，务必要自始至终观察同一个细胞。 观察实验不仅需要掌握相应观察工具的使用，往往还伴随着借助测量仪器进行的测量，并对数据进行随时地记录，对记录结果进行统计处理。

例题1.图 示某同学的实验操作步骤，与此相关的叙述中，错误的是 （ A ） 图2 A.步骤B主要观察细胞质大小及细细胞壁的位置 B.步骤D的观察结果与步骤B相比对 C.步骤E滴加的是清水 D.步骤F与步骤B的观察结果应当相同

例题2.（05.11海淀期中试题）.小白鼠是恒温动物。科学家们在实验中发现，如果破坏了小白鼠的下丘脑，它就不再具有维持体温恒定的能力了。 （1）这个实验说明了调节体温的主要中枢在下丘脑 。本实验的参照是 实验前动物的状态（或小白鼠被破坏下丘脑之前的状态） 。 （3）研究者如何确定实验动物的体温是否恒定？多次等时间间隔测量动物体温 。若研究者要对实验鼠被破坏下丘脑之前24小时和破坏下丘脑以后24小时的体温分别进行测量记录（测量间隔为4小时），请你为该实验设计一个合理的体温记录表。

测量时间 （间隔4小时） 第 一 次 二 三 四 五 六 七 处理前动物体温   处理后动物体温 （4）若研究者仅根据一只小白鼠实验结果便做出了前面的结论，你认为该结论可靠吗？为什么？不可靠因为一次实验具有偶然性，应进行多次重复实验，如均得到相同的结果，上述结论才可靠 。

（二）假说和实验 在人为地干预、控制所研究对象的条件下进行的观察称为实验。 实验不仅意味着精确地操作，而且是一种思考方式。

现象—问题—解释（假说或假设）—设计实验检验假说（包括实验材料的选择和仪器的使用）—实验预期—实验结果及 —结论

①现象（胚芽鞘向光弯曲生长） —提出问题（此现象是否与单侧、定向光照有关） —假设（此现象与单侧、定向光照有关）—设计实验（单侧、定向光照与常态均匀光照对照）—结果（单侧、定向光照处理向光弯曲生长，对照处理则直立生长） —结论（证实了假设成立）。 常态

② 新发现的现象（向光弯曲的部位是尖端下面一点）—问题（此现象是否与尖端有关？）—假设（向光弯曲生长与尖端有关）—设计实验（切掉尖端，单侧光照）—结果（不长也不弯）—结论（假设成立）

③ 现象（上述两实验结果）——提出问题（尖端是否产生某种物质，影响细胞的生长）——假设（尖端能产生影响细胞生长的物质）——设计实验（借助琼脂，注意用空白琼脂对照）——结果（略）——结论（胚芽鞘尖端确实产生了促进细胞生长的物质）

现象：植物对单侧定向光照的刺激产生向光生长的反应。 问题：植物的何部位感受单侧定向光照的刺激？ 解释（假说）：植物感受单侧定向光照刺激的部位是尖端下面的区域（b 区域），而非a、c区域。 实验处理：…… 结论：……

如果由于种种原因，直接用研究对象进行实验非常困难，或者简直不可能时，可用模型代替研究对象来进行实验。 （三）模型实验 如果由于种种原因，直接用研究对象进行实验非常困难，或者简直不可能时，可用模型代替研究对象来进行实验。 用动物模型对人体进行实验—激素的生理功能由于内分泌腺的分泌物很难直接收取，所以，只能采取间接迂回的方法。一般包括三步：

(1)将所研究的或怀疑有分泌激素功能的器官或组织切除，观察因此而出现的症状。 (2)将另一同种动物的同样器官或组织移植到被切除这一器官或组织的动物体内，观察该动物切除某器官后出现的症状能否消失。如果症状消失，动物恢复正常，就说明该器官或组织有何种内分泌功能。 (3)从该器官或组织中分离出化学物质，注射到被切除这一器官或组织的动物体内，如果症状消失，即说明该化学物质即是激素

经典实验：1849年德国生理学家Berthold将幼雄鸡的睾丸切除，结果鸡冠萎缩不能发育。然后，他将另一正常幼雄鸡的睾丸移植到去睾丸的幼雄鸡体内，不久鸡冠发育，雄伟美丽如常。他由此认为，睾丸除产生精子外，还分泌某些物质，这种物质随血液流到全身，决定雄性的第二性征的发育。这是按上述三个步骤完成的第一个成功实验。

（四）调查法 一般工作程序： 课题的选择与论证 制订研究或调查计划方案 研究或调查的过程（获取信息、分析整理信息） 成果形式（论文或调查报告） 交流与答辩 了解成果的价值

例题3. （2001年上海理综） 下面列出了三个研究课题名称： 课题一：上海市民加入“中华骨髓库”新心态的剖析 课题二：上海地区太阳能利用的可行性研究 课题三：上海地区降雨酸度的调查研究 请选择上述三个课题中的一个作为你的课题，并回答如下问题： ①写出所选课题名称，并简单陈述选题理由。 ②简要列出你的研究计划与研究方法。 ③该课题最终的成果形式是：

例题4. （海淀）（1）请你自己确定一个环境调查的课题，并简单陈述选题理由。 注：①要注意所选课题开展调查研究的可行性，尽量选择较“小”的题目。②选题范围十分广泛，可涉及我们生存环境的各种因素，也可涉及人们的环境意识、环境责任、环境道德等人文领域。 ①课题名称：拟出可行的环境调查课题。 ②选题理由：课题的意义、本人的兴趣、所具备的研究条件等。

（2）简要拟订出你的调查方案。 ①调查的对象（或内容）： 。 ②调查的方法（获取数据、信息的方法）：调查方案应与所选课题相对应 注：调查方案还应包括调查的计划，本卷不做要求。 （3）课题最终的成果形式是：调查报告或小论文。

（五）实验设计的重要原则—变量的确认与控制 研究的问题因素——实验不同处理之间差异因素的确定与控制 全国卷实验题大多比较简单，重点多落在“变量的确认与控制”。

对照（实验组相应的参照）的常用处理： a 空白对照（结果是已知的）—不给对照组任何处理因素 b 自身对照—对照和实验都在同一研究对象上进行 c 相互对照（一般用于未知因素的探究）—不单设对照组，而是几个实验组相互对照

例题5. （海淀06.1）我国科学工作者研究的针对SARS病毒的疫苗已经进入到人体安全性试验阶段，数十名志愿者报名接受安全性试验。研究人员制定的试验方案应是 （D） B.志愿者全部注射疫苗，密切监视受试者的反应，观察、比较与常态人群的区别 C.志愿者全部注射疫苗，观察、记录并统计出现不良反应的个体所占的比例 D.在志愿者不知情的状况下将他们分为两组，一组注射疫苗，一组注射生理盐水

例6． （海淀06.1）现有如下实验材料和用具，请设计实验，探究大豆苗生长的最佳日温和夜温组合。 温度组合范围：日温200C～300C，夜温170C～220C。 处理编号 日温 夜温 设计意图 组合1 300C 220C 高日温、高夜温 组合2   组合3 组合4 其它组合 (3)组合①处理的对照是 __________ 。

例题7. （海淀04一模）各种植物的开花都要求一定的黑暗和光照时间，但“影响开花的关键性因素是黑暗期的长短,还是光照期的长短”并不明确。人们很早就认识到，苍耳需要每天短于16h的日照才能开花，若日照时间长于16h就不开花，16h的光照是一个临界点。20世纪30年代，有人将苍耳置于不同组合的光照期和黑暗期中进行实验，结果如图16所示。

①影响苍耳开花的关键性因素不是光照时间短于16h，而是每天长于8h的黑暗。或②苍耳开花不仅需要每天短于16h的光照，还需要长于8h的黑暗 （1）图16所示实验中，各组处理的差异（变量）是 黑暗期的长短 。根据本实验的结果，你认为可以对前人的认识作何修正？ ————————————————。 ①影响苍耳开花的关键性因素不是光照时间短于16h，而是每天长于8h的黑暗。或②苍耳开花不仅需要每天短于16h的光照，还需要长于8h的黑暗 图1

6.经典高考试题的解析 例8.（04上海生物卷第23题）在研究光照强度对某种鸟鸣叫次数的影响中，下列设计不符合研究要求的是 （ ） 例8.（04上海生物卷第23题）在研究光照强度对某种鸟鸣叫次数的影响中，下列设计不符合研究要求的是 （ ） A.记录一天内不同时间同一地点该种鸟鸣叫次数 B.记录同一时间不同天气该种鸟鸣叫次数 C.记录繁殖季节该种鸟雌鸟和雄鸟鸣叫次数 D.记录不同季节同一地点该种鸟鸣叫次数 C

例题9.（北京04第31题） 一种以地下茎繁殖为主的多年生野菊分别生长在海拔10m、500m和1000m的同一山坡上。在相应生长发育阶段，同一海拔的野菊株高无显著差异，但不同海拔的野菊株高随海拔的增高而显著变矮。为检验环境和遗传因素对野菊株高的影响，请完成以下实验设计。 实验处理：将海拔500m和1000m处的野菊幼芽同时移栽至10m处

实验对照：生长于 10、500和1000（仅写10者不少）m处的野菊。 评析：学生见过的习题大多是一个对照处理，缺乏对于“对照”概念的理解与“对照”因素的分析，不知道实验中的变量与实验所研究的问题之间的逻辑关系（本实验是同一个处理，却在研究不同的两个问题——环境因素和遗传因素对株高的影响），而变成了对“对照”形式的记忆。 本空出现在题目的开始，令人很难作答。

收集数据： 第二年秋天 测量株高、记录数据 评析：不少答“分别测量三株的高度” 学生很少写“记录”。表现出学生普遍缺乏实验过程的体验 。 预测支持下列假设的实验结果（应为预期）：

假设一 野菊株高的变化只受环境因素的影响，实验结果是：移栽至10m处的野菊株高 与10m处野菊的株高无显著差异。 评析：学生答题错误：“三株近似等高”、“明显增高”、“原500米1000米处的野菊长高”或“移栽后比原来高”等。 在此种假设下，此时的参照应是10米处野菊的高度，因为此时生活的环境是10m处，而假设株高仅受环境影响。

假设二 野菊株高的变化只受遗传因素的影响，实验结果是：移栽至10m处的野菊株高 与原海拔处（500m和1000m）野菊的株高无显著差异 。

假设三 野菊株高的变化受遗传和环境的共同影响，实验结果是：移栽至10m处的野菊株高 比10m处矮，比原海拔处高。

例题10.（09.11海淀期中）试图通过不断地渗透、校正，尽量提升学生对科学研究方法的理论认识水平 下表为一实验设计，表中“＋”表示有，“—”表示无。与此相关的正确分析是 （ C ） ①本实验试图研究两个问题 ②可以用碘液替代斐林试剂来检验实验结果 ③虽然不知到该酶促反应的最适温度，但可以预期②号试管的反应颜色最深 ④设置的②③④号试管均可以看作是①号试管的对照 A.只有①③正确 B.只有②③正确 C.只有①④正确 D.只有③④正确 试管编号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 2mL3%淀粉溶液 + - 2mL3%蔗糖溶液 1mL淀粉酶溶液 反应温度（℃） 40 60 80 斐林试剂

讲评：①根据不同处理间差异因素（变量）倒推本实验研究的问题。 根据底物不同（其他相同）——可知研究的问题是“该酶的功能” 温度不同（其他相同）——可知研究的问题是“温度对该反应的影响” ②碘液无法检测蔗糖及其变化。 ③既然不知最适反应温度，谈何预期？ ④设置的2、3试管是不同温度的对照，4号试管是不同底物的对照。

本题设计规范、严谨。可作为学生讨论、辨析的例题。 例题11.（2002年理综）为验证“镁是植物生活的必需元素”，三位同学进行了实验设计，下列是实验的基本思路。请分别指出三个实验思路能否达到实验目的，为什么？再写出你的设计思路。 （1）实验一：取生长状况一致的大豆幼苗，用符合实验要求的容器进行培养。对照组容器内只盛有蒸馏水，实验组盛有用蒸馏水配制的镁盐溶液。两组置于相同的适宜条件下培养，并对溶液通气，观察比较两组植物的生长发育情况。 答：不能。 因为蒸馏水和镁盐溶液均缺乏植物必需的矿质元素而使两组植物生长均不正常。 （2）实验二：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以蒸馏水，实验组浇以蒸馏水配制的镁盐溶液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。 答：不能。 因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子。 本题设计规范、严谨。可作为学生讨论、辨析的例题。

（3）实验三：取生长状况一致的大豆幼苗，栽培在盛有砂性土壤的容器中（砂性土壤肥力均匀，容器符合实验要求），对照组浇以含有植物必需的各种元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，观察比较两组植物的生长发育情况。 答：不能。 因为两组容器内的砂性土壤中都可能含有镁离子 （4）下面由你进行实验设计，请写出你的设计思路。 答: 取生长状况一致的大豆幼苗，用符合要求的容器，对照组盛有含有植物必需的各种矿质元素的完全营养液，实验组浇以不含镁离子的完全营养液，两组置于相同的适宜条件下培养，并对容器通气。观察比较两组植物的生长发育情况。

①本实验未设专门的对照组 ②有无光照是a、b区域显现不同结果的唯一原因 ③实验初始时a、b均达到无淀粉状态 ④实验证明叶绿体利用光照将CO2转变成了淀粉 A.只有②③ B.只有①②③ C.只有②③④ D.①～④全部 图2

二.对实验的教学目标应重新研究确定 1. 强迫学生转变角色，以研究者的身份解释（当然也就理解了）教材实验的设计思路 观察植物细胞的有丝分裂——根据实验目的如何选材和设计实验程序？ （1）什么样的细胞具有连续分裂能力？为何选洋葱或大蒜根尖做材料？ （2）为何截取根尖2—3mm？ （3）怎样获得厚度仅一层细胞的标本？ （4）盐酸的作用？准备用染色剂给什么物质染色？ （5）如何评价制片的质量？

2.搞清实习（或研究性）课题的关键性原理或能力要求 （1）植物杂交实习 如何获得F1和F2？ （2）调查人群中的遗传病 调查某遗传病的发病率和分析其遗传方式 （3）调查类实习 应参照2001年上海理综的调查性研究试题，了解调查研究的工作程序。

（4）种群密度的调查 面临的困难： 逐一计数个体总数是很困难的 方法： 取样调查法 如何尽量减少误差（尽量客观）： 随机取样 种群密度数值的获得： 所有样方数量的平均值

例题13.（5）假若你接受了调查某农田蚯蚓种群密度（单位：条/m2）的任务（已知农田的面积），面临的首要问题是： 逐一计数农田蚯蚓的总数是困难的 ，解决上述问题的方法是取样调查法。此种方法极易出现误差，为了尽量减少人为因素导致的误差，应当 随机取样 。

（5）生态瓶的设计—原理 理论基础——生态系统稳定性的概念 生态系统发展到一定阶段，它的结构和功能能够保持相对稳定。生态系统所具有的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力，叫做生态系统的稳定性

一个生态系统能否在一定时间内保持自身结构和功能的相对稳定，是衡量这个生态系统的稳定性的一个重要方面。 ①必须经受一定时间的检验； ②结构和功能相对稳定的标志——各营养级生物的数量相对稳定。

例题14.（05.11海淀期中试题）. 许多同学都设计制作过小生态瓶，评价其设计制作水平的主要标准是 （ A ） A.生态系统存活时间的长短 B.生态系统营养结构的复杂程度 C.生态系统有机物积累的速度 D.生态系统的成分是否全面

例题15.（海淀09.1期末） 编号 生态系统的组成成分 光照 水草 藻类 浮游动物 小鱼 河泥 甲 1 乙 丙 丁

例题15. （海淀09.1期末）科技小组的同学设计了以下实验来验证生态系统的一些相关问题：制作4个密闭、透明的生态瓶，各瓶内的成分和条件见下表。表中“1”表示有，“0”表示无。下列相应的评述正确的是 （A） ①乙成分缺失，功能不健全，存活时间可能最短； ②甲和丁的成分全面，设计合理，可以长时间地存活下去； ③四个人工生态系统的设计合理与否，均需要经受时间的检验； ④四个人工生态系统的物质循环均是封闭的，而能量的流动是相对开放的； ⑤丁的结构与功能处于相对稳定的状态。 A.①③④ B.②④⑤ C.①②③④ D.①③④⑤

（6）生态农业的设计遵循的原则 ① 根据生态系统的能量流动和物质循环原理—能量的充分利用和物质的多级利用（有时甚至是循环再生） A.提高经济效益—使物质和能量尽量流向对人类有益的方面； B.减少废物和污染。

② 根据生态系统中生物种群间相互依存、相互制约的原理，设计生态系统的结构，提高生态系统的抵抗力稳定性 例题16.（04海淀） 连年种植花生的土地里有大量的蛴螬（一种昆虫），严重危害花生的根系和果实。人们发现，若花生与甘薯轮种（一年种花生，一年种甘薯），除了能大大减轻蛴螬的危害，还能够增产，原因是 （A） ①提高了对矿质元素的利用率 ②提高了对光能的利用率 ③促进了农田的物质循环 ④巧妙地利用了种间关系 A.①④ B.②③ C.①③ D.②④

09海淀零模. 人们发现，大面积地连年种植单一作物会导致某些害虫的大爆发，而传统农业的经营方式（经营多种作物、轮种等）遵循了生态系统中__生物种群间相互依存、相互制约__的原理，可大大降低害虫种群密度。

三.阅读教材中的经典实验，了解前人的研究思路 例如：①渗透装置的演示实验涉及的原理、②植物生长素的发现过程、③动物内分泌腺功能的探究（鸡的阉割实验）、④动物激素功能的验证（甲状腺激素）、⑤噬菌体遗传物质的研究、⑥孟德尔研究的思路及成功的原因、⑦林德曼对赛达伯格湖能量流动的研究等。