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高考生物实验设计题例析
近年来的生物学高考中，实验设计题已成了一种重要题型。实验设计题侧重考查学生的实验能力、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]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：
（2000年生物高考上海卷）
[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。
[例2]血液中的钙离子在血液凝固过程中起重要作用，缺乏则血液不能凝固，草酸钾溶液能与血液中的钙离子发生反应，形成草酸钙沉淀，起抗凝固作用。请根据提供的实验材料和用具，简要写出第二步及以后的实验步骤和实验结果，验证钙离子在血液凝固中的作用，并回答问题。
一、实验材料和用具
（ 1）家兔 （ 2）生理盐水 （ 3）酒精棉 （ 4）适宜浓度的草酸钾溶液 （ 5）适宜浓度的氯化钙溶液 （ 6）试管、注射器（针管、针头）
二、实验步骤和实验结果
第一步：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水（见下图）
第二步：
……
问题：设置B管的目的是 ————。（2000年高考理科综合能力测试）
[解析]本题要求有二个，一是完成实验设计和给出实验结果，二是回答实验设计中的相关问题。实验的目的是验证钙离子在血液凝固中的作用，钙离子是实验因子。实验的原理题目中以信息的形式给出，包括二方面：一是钙有凝血作用，二是草酸钾溶液能与血液中的钙离子反应生成草酸钙沉淀。尽管题目提供的实验材料和用具没有指明数量，但题目已给出了实验设计的第一步，从第一步可以可出是要设计对照实验，因此实验的思路及预期的结果应是：设计两组实验，有钙→血液凝固，无钙→血液不凝固。题目给出的实验第一步是：在A、B试管中分别加入等量的草酸钾溶液和生理盐水。很明显，这里的草酸钾是用于与钙结合的，因此A试管是实验组，B试管用的是生理盐水，起的是对照作用，因此B试管是对照实验组。分析实验材料和用具的作用：家兔提供血液，酒精棉用于消毒，注射器用于抽取血液，试管、生理盐水和草酸钾已在第一步实验中用到。这样就可以有以下的实验设计：
第二步：用酒精棉消毒，用注射器取家兔血液。
第三步：立即将等量的新鲜血分别加入到A、B两试管中。
根据题目所给的信息，由于甲试管中有草酸钾，与血液中的钙离子结合生成了草酸钙，血液中没有了钙离子，预期血液将是不凝固；乙试管中加的是生理盐水，不影响血液中的钙离子，因此预期血液将发生凝固。所以实验结果是：A管凝固，B管不凝固。
实验设计和结果似乎已出来了，但我们仔细观察可以发现，题目中还有一个条件没有用到，即适宜浓度的氯化钙溶液。这是很多同学容易忽略的。推敲一下上述三步设计可发现，实验还是不够严密的，A管内血液不凝固的因素并不唯一，是否可能是草酸钾的直接作用？要排除这一因素，一个可行的办法是在A管内继续加入钙，看是否会凝固。因此可继续设计一步操作：
第四步：将等量的C a Cl2溶液分别加入到A、B两试管中。（B管因血液已凝固，在此也可以不加）
结果：一段时间后，A管凝固，B管仍然凝固。
这样第一到第三步采用的是并列对照实验，第四步则进一步采用前后对照实验，从而较严密地证明了钙对血液凝固的作用。
很显然，题目所问设置B管的目的应是作为A管的对照。
在本题的解答中还应该注意，本实验总体上采用的是并列对照实验的方法，因此在A、B两试管的处理上除了实验因子外，其余的各项操作都必须是相同或尽量相同的，如加入的血液、氯化钙溶液都必须等量。
当然，实验设计题是一种开放型的试题，没有唯一的标准答案，也没有固定不变的思路。学生充分发挥创造性，设计出合理、独特的实验方案，才是命题者的希冀。
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