中學生物競賽輔導
第十二章科學實驗的一般原理和方法
第一節實驗課題的選擇和實驗設計
【知識概要】
一、實驗的意義
生命科學是一門以實驗為基礎的科學。在探索生命的過程中，揭開生命奧秘的主要方法是通過觀察和科學實驗。它不僅是探索和發現的源泉，也是學習生命科學的基本方法，對發展智力、培養獲取知識的能力是十分重要的。
二、實驗的種類
生命科學的實驗很多，從教學的角度來分有演示實驗、驗證實驗、模擬實驗、**實驗、定性和定量分析實驗；從科學研究的角度來分有觀察實驗、析因實驗、定性實驗、定量實驗、對照實驗和探索性實驗等。
三、實驗課題的選擇
1．選題的範圍
（1）發展具有當地特色的課題；（2）抓住周圍出現的奇異的生命現象建立課題；（3）選擇與農業、水產、畜牧、環保有關的能產生經濟效益的課題；（4）與課堂教學相結合確立課題；（5）選取高科技淺處理的課題。
2．選題的原則
選擇的課題應具有一定程度的新穎性、實用性、先進性、可行性和教育性。
確定課題是研究成功的關鍵，選題一定要注意深刻、創新、集中和可行。
四、實驗設計
實驗設計就是在選定課題和實驗材料的基礎上，根據實驗目的，確定實驗原理，用文字的形式制訂合理的實驗方案（或叫實驗計畫）。
1．實驗設計的要求
（1）在實驗設計之前，應掌握研究問題的性質，具備必要的理論知識和基本的實驗技能和技術。
（2）要有明確的實驗目的，根據目的確定研究內容。
（3）實驗設計要科學合理，注意控制實驗條件和實驗因子，儘量減少實驗誤差，確保實驗得出明確的結果。
（4）設計實驗要注意設定對照，適當增加重複，保證實驗的準確
（5）實驗取樣要注意典型性和代表性。有些實驗對研究物件需要進行系統觀察，一般採用選點取樣法。如田間試驗，選點的方法是根據田塊大小，小面積試驗田採取對角線取樣，大面積試驗田採取棋盤式或蛇形取樣（見下圖）
①對角線取樣 ②棋盤式取樣蛇形取樣
（6）實驗設計要考慮運用統計學來分析問題的可能性。分析的實驗樣本要有一定數量，使所得資料具有代表性的可靠性。
2．實驗方案的內容
（1）實驗題目即實驗研究的課題名稱。
（2）實驗目的根據課題要求，明確實驗要解決什麼問題，探索方面的生物學規律，預期要取得何種成果。
（3）實驗原理即實驗的依據和思路。
（4）實驗內容根據實驗目的確定具體的研究內容。研究內容確定是課題的關鍵。一般方法是把研究問題分解為許多小課題，分進行研究，然後再將實驗結果加以綜合分析，探明課題要解決的問題
（5）實驗材料取材是實驗成敗的關鍵因素之一，一定要按科學的要求選好實驗物件。
（6）實驗方法即實驗採用哪些研究方法獲得明確的實驗結果。採用的實驗方法應儘量減少人為的或偶然的實驗誤差。確定實驗方法對，應注意：
①根據研究內容確定實驗型別和方法。如野外生物種類考察，主要採用觀察實驗法；為探明某一生命現象的原因，可採用析因實驗法：為鑑定某種生命物質的性質和含量，可進行定性、定量實驗分析法。
②根據實驗的型別明確具體的研究方法。如觀察實驗是採用解剖觀察法還是野外觀察法，要明確觀察的專案和標準。③設定對照。
無論採用什麼實驗方法都要考慮設定對照。設定對照的方法很多，有的以處理和不處理實驗組進行比較，以不處理為對照；有的以常規品種或常規濃度為對照；有的實驗是實驗間相互比較，採用互比法，彼此互為對照。此外，做任何實驗都要考慮重複的問題，實驗結果要經過反覆實驗加以驗證。
④進行田間實驗設計，應根據實驗性質的不同，分為大區試驗和小區試驗。田間試驗要做合理的田間規劃，根據土地條件、作物種類、試驗要求和工作方便，規劃小區面積、重複次數和田間排列方式；另外，還要注意設定對照小區和保護行。⑤設計實驗方法應盡量採用先進的實驗技術和儀器裝置，確保研究結果的準確性。
（7）實驗用具和藥品即實驗要採用哪些裝置和儀器，使用哪些藥品，從而實現有計畫和有效的觀測與分析。
（8）實驗程式即實驗流程，也就是如何運用儀器裝置作用於實驗物件的程式或步驟，對全部實驗過程作出總體設計。
（9）日程安排根據整個實驗的要求，按日程分階段實施實驗方案。
【解題指導】
例1 給你洋蔥、蔗糖、蒸餾水及必要的工具，請設計乙個測定洋蔥表皮細胞滾濃度範圍的實驗方案。
析 （1）實驗原理：水分的滲透作用。
（2）實驗方法：①配製一系列不同濃度的蔗糖溶液（如5％、10％、15％、20％）。②製作上述各蔗糖溶液處理的洋蔥表皮細胞裝片。③用顯微鏡按蔗糖溶液的濃度梯度逐個觀察裝片。
（3）結論：該洋蔥表皮細胞液的濃度介於能引起與不能引起細胞質壁分離的兩種相鄰濃度溶液的濃度之間。
該實驗的設計是按照一般實驗法的原理，直接通過實驗組而得出結論的。
例2 請你設計乙個實驗，證明動物生長激素的分泌器官及其生理作用。（切除動物垂體情況很複雜，本實驗僅作為學生設計實驗）
析 〔設計方案〕（1）材料：幼年兔（或其他幼年哺乳動物）。
（2）處理：實驗組a：切除垂體；實驗組b：切除垂體後每天注射生長激素；對照組c：正常兔。
（3）根據觀察的結果得出結論：實驗組a：生長停止；實驗組b：先停止後又繼續生長；實驗組c：不停止生長。由此得出生長激素是垂體分泌的，能促進幼小動物生長的結論。
該實驗的設計是利用對照實驗法的原理，通過實驗組和對照組結果差異的比較得出結論的。
例3 有乙個生產大隊研究小麥增施氮肥（尿素）的增產試驗。實驗設計為兩個處理：處理（一）為每公頃施尿素150kg；處理（二）為每公頃施尿素300kg；以不施肥為對照（ck）。
施肥試驗小區的排列方式有兩種：重複一次和不設重複。試繪製小麥田間試驗小區兩種排列方式的規劃圖。
析根據試驗設計要求，每個試驗小區面積應一致，兩種田間排列方式如下二圖。
施肥試驗一（重複一次施肥試驗二（不設重複）
【鞏固練習】
1．研究不同飼料餵養家豬的育肥效果和比較小麥不同品種葉片大小的實驗，應如何選擇材料？
2．某中學課外活動小組計畫進行白玉蝸牛的養殖實驗，在實驗設計上，你認為應**哪些具體內容？
3．在動物實驗中，正確設定對照十分困難，要選擇20只完全相似的動物分為每組10只的對照組和處理組，是難以做到的。那麼，進行這種實驗，你能提出乙個聰明的設定對照的方法嗎？
4．許多科學家認為，孟德爾進行的植物雜交試驗，選擇豌豆做實驗材料是他成功的關鍵；卡爾文在研究植物光合作用的暗反應時，選擇小球藻（chlorella）為材料也是成功的關鍵。這是為什麼？
5．有一位船長要試驗某種防治暈船藥物的效果，他選擇旅客為對照，讓船員都服用藥劑，其結果大多數旅客暈船了，而船員沒有暈船，這一結果能否說明這種藥的功效？為什麼？
第二節實驗實施的技能和技巧
【知識概要】
一、實驗的要求
（l）要有探索求知的科學精神；（2）要有事實求是、嚴肅認真的科學態度，應嚴格按操作規程進行實驗；（3）要注意運用科學的研究方法，嚴格控制實驗條件，盡力排除偶然因素的干擾，保證實驗成功；（4）積極發揮科學的思維和創新能力，在實驗過程中不斷有所發現，有所創新，有所前進。
二、觀察與描述
1．觀察的意義
任何科學都是從有選擇的觀察自然界開始的，生命科學也不例外。通過對生命現象和生命過程的觀察，描述出觀察到的各種不同生物的形態結構、生活習性等特點，逐漸積累起有關生物的知識。大自然界的生物是神奇的，只有善於觀察的人，才能發現它的神奇之處。
2．定性觀察和定量觀察
觀察可分為定性觀察和定量觀察。定性觀察主要考察研究物件的性質、特徵及其基本屬性，也叫質的觀察。這種觀察在動植物分類，形態學中廣泛應用。
定量觀察主要考察研究物件的各種量及量的關係，也叫量的觀察，如比較生物學常通過測量進行定量觀察。
3．直接觀察和間接觀察
常用的觀察方法：（1）直接觀察，即直接通過人的感覺器官進行觀察。這種觀察方法簡便，但有時不夠準確。
（2）間接觀察，即間接通過儀器進行觀察。如借助顯微鏡、望遠鏡等進行觀察。（3）分析性觀察。
如通過生物外部形態特徵的觀察，逐步深入到內部結構和生理觀察，逐漸認識生物的本質，這就是分析性觀察。
4．觀察和描述
在實驗過程中，觀察的目的在於了解事物，因此，觀察後要把觀察到的現象通過描述記錄下來。描述時，首先必須知道它是什麼；其次把它的特點描述出來，說清楚所觀察的各種特點或過程的各個主要環節；三是重點明確，抓住實質內容或整個過程的主要生物學環節；四是描述時應使用精確的定義和名詞述語，使大家容易理解。
5．觀察應注意的事項
（1）要有目的地進行，有選擇地觀察，注意典型性原則。（2）要避免先入之見的干擾，注意觀察的客觀性原則。（3）在觀察中應堅持全面性、系統性原則，盡可能從多方面觀察生物的現象。
（4）對生物現象的觀察，常常需要反覆地進行。對觀察的結果，要反覆核實，以便真實地記錄所觀察的現象。（5）觀察記錄時最好採用數位化，使描述趨向定量化，使觀察更詳細、具體。
三、測量與測定
1．測量與測定的含義
測量就是用儀器確定空間、時間、溫度、速度、功能等有關數值。在科學實驗中，有時需要知道研究物件所含的化學成分及其具體含量，這就需要通過化學儀器進行分行，不僅進行定性分析，還要進行定量測定。
2．測量的方法
測量物體。液體和氣體的方法很多，測量一些規則形狀的物體，測量後要經過數學公式（如計算面積和體積的公式等）的運算，才能得出所需的數值。測量的內容和方法簡介於下表。
測量方法簡表
測量內容
使用儀器、工具
單位（國際制）
應用例項
長度刻度尺、卡尺、測微尺
公尺（m）、千公尺（km）、分公尺（dm）、厘公尺（cm）、公釐（mm）、微公尺（μm）
測量動植物體、器官和細胞的長度
面積刻度尺、測繩、皮尺
平方公尺（m2）、平方厘公尺（cm2）、公頃（km2）
測量土地、種群分布和葉的面積
體積、容積
刻度尺、三角板、量簡量杯、容量瓶
公升（l）、毫公升（ml）、微公升（μl）、立方公尺（m3）、立方厘公尺（cm3）
測量溶液和生物體器官大小
質量、重量
天平、磅秤、托盤、天平、分析天平、電子秤
千克（公斤kg）、克（g）、毫克（mg）、噸（t）、微克（μg）
中學生物競賽輔導 生命活動的調節
中學生物競賽輔導 第五章生命活動的調節 第一節植物的激素調節 知識概要 一 植物的感性運動和向性運動 感性運動是植物體受到不定向的外界刺激 如光暗轉變 觸控等 而引起的區域性運動。外界刺激方向與感性運動的方向無關。感性運動有些是生長運動，不可逆的細胞伸長 有些是緊張性運動，由葉枕膨壓變化產生，是可逆...
科學實驗的一般原理和方法
第一節實驗課題的選擇和實驗設計 知識概要 一 實驗的意義 生命科學是一門以實驗為基礎的科學。在探索生命的過程中，揭開生命奧秘的主要方法是通過觀察和科學實驗。二 實驗的種類 生命科學的實驗很多，從教學的角度來分有演示實驗 驗證實驗 模擬實驗 實驗 定性和定量分析實驗 從科學研究的角度來分有觀察實驗 析...
中學生物演示實驗的教與學
在新課程改革程序中，課堂演示實驗仍然是一種重要的課堂教學手段，通過演示實驗可以幫助學生形成生物學概念，進一步理解和掌握生物學知識。同時通過演示實驗，不僅能進一步激發學生的學習興趣 提高學習的注意力，還可以使學生正確 規範的使用各種實驗儀器，以便在以後的實驗中能夠獨立 高質量的完成各個實驗。在中學生物...