2021届高考生物人教版一轮创新教学案：三、实验与探究

三、实验与探究

一、实验变量分析

1．三类变量(自变量、因变量、无关变量)分析

2．教材中探究类实验的变量分析

二、实验设计中遵循的有关原则

1．对照性原则

对照实验是指除所控制因素不同外，其他条件完全相同的实验。科学地设置对照实验，能够有效地排除其他因素干扰实验结果的可能性。设置对照组有4种方法：

2．单一变量原则和等量原则

即除自变量以外，应使实验组和对照组的无关变量保持相同且适宜。如探究光照强度对光合速率影响，唯一变量是光照强度，无关变量CO2、温度等要保持一致。

3．平行重复原则

在实验设计中为了避免实验结果的偶然性，减小实验误差，必须对所做实验进行足够次数的重复，以获得多次实验结果的平均值，保证实验结果的准确性。如探究培养液中酵母菌数量动态变化的实验中，每次计数都要重复至少3次。

4．科学性原则

在设计实验时必须有充分的科学依据，即实验目的要明确，实验原理要正确，实验研究的材料和实验方法的选择要恰当，整个实验设计的思路和实验方法的确定都不能偏离实验原理、有关的生物学知识及其他学科领域的基本知识。

(1)选材科学性：如鉴定还原糖的实验中不能以西瓜汁为实验材料，因为西瓜汁的红色会干扰颜色反应。

(2)实验方法科学性：如使用双缩脲试剂时应先加入A液，再加入B液。

注：实验设计时还有其他原则，如可行性原则，即从实验目的、实验原理到实验材料用品的选择、实验操作等，都要符合实验者的一般认知水平，满足现有的条件，具有进行实验和完成实验的可能性；简便性原则，即实验、材料容易获得，实验装置简化，操作简便，效果明显并能在较短时间内完成等。

三、实验设计与分析

1．验证性实验和探究性实验的区分

(1)根据语言描述快速区分验证性实验和探究性实验

(2)验证性实验和探究性实验的比较

2．探究性实验的一般程序

(1)审目的

①变量法寻找实验目的

根据试题提供的文字、表格或曲线信息找出自变量和因变量后，再寻找自变量和因变量之间的关系，此即实验目的。

②探究性或验证性实验的“实验题目或目的”的描述。

a．句式一：“探究(或验证)自变量对因变量的影响”。

b．句式二：“探究(或验证)因变量与自变量之间的关系”或“因变量与自变量之间关系的研究”。

③应用提示

a．有时实验中的自变量可能是一个，即单自变量，有时为多个，即多自变量。

b．对验证性实验来说，实验目的与实验结论是相对应的，即在书写实验结论时重复实验目的的相关语句即可。

(2)定原理

①实验原理就是进行实验的理论依据，包括选择实验材料的依据、作出假设的依据、设置实验步骤的依据、分析现象结果的依据(或原因)、确定观测指标的依据(或原因)。因此，要熟知教材实验中涉及的各种试剂的选择依据及相应的生理过程，进而确定实验原理。

②实验原理可以从三个方面来书写

a．自变量作用的科学依据。实验中涉及的科学依据必须是经证明的科学理论，往往来源于教材，如胰岛素能降低血糖浓度，还原糖与斐林试剂水浴加热时产生砖红色沉淀等。

b．因变量的获得。因变量是实验现象与结果出现的直接原因，如在验证甲状腺具有促进动物新陈代谢的作用时，甲状腺激素能促进新陈代谢，加速体内物质的氧化分解，从而使耗氧量和活动量加大。

c．因变量检测指标，如观察特异性颜色变化、溶液浑浊度等，观察形态结构、生理特征变化等，测量生长发育速度、生化反应速度等。

实验原理一般由三段组成：自变量和因变量的关系＋因变量的观测指标＋实验具体过程概括。在表述时一般使用陈述句而不用疑问句，用肯定句而不用否定句。

(3)作假设

①假设的确定依据

对探究性实验来说，假设是对所要研究的对象设想一种或几种可能的答案或解释，提出可能的实验原理。

②假设的描述

a．句式一：“如果……现象，则……结论”。

b．句式二：“当条件X存在时，事件P(实验现象)会发生”或“当条件X存在时，事件P(实验现象)不发生”或“当条件X存在时，对事件P(实验现象)没有影响”。

③应用提示

假说的书写，往往针对实验目的以陈述句式进行表述。

(4)设计实验方案，确定实验思路

实验思路一般用一句话表述为用某方法处理某材料，观察其对某方面的影响效果。描述实验思路的要点是答出自变量、因变量、对照思想、检测指标，而不是具体可操作性的设计。在控制无关变量时，实验思路中只要提到“相同且适宜”即可，具体操作时不同的实验可以采用不同的方法去控制。

(5)实施实验方案，确定实验步骤

步骤一：实验前的准备——取材、分组、编号(共性处理)

①选材的句式：“选取年龄、性别相同，健康且发育状况相同的同种动物”“选取长势相同、大小相似的同种植物”“取两支(或多支)洁净程度等方面相同的试管”等。

②分组的句式：“随机均分(等分)为X组”。

③编号的句式：“编号为A、B……组”或“编号为甲、乙……组”。

步骤二：实验中的处理——相同处理和不同处理(变量控制)

[方法]　第一，不施加实验变量(自然条件或模拟自然条件)的设为对照组；施加实验变量的设为实验组(或是相互对照组)。第二，控制无关变量，即其他条件相同且适宜，试剂等量且适量。

[语言描述]　可通过“适量”和“等量”表达出来。如“在A、B两组均加入等量的……”；A组加适量的……(实验处理)，B组加等量的……(对照处理)；每组的其他条件都相同且适宜。

步骤三：实验后的观测

[方法]　反应(生化鉴定类)或培养(生理实验类)相同时间后，观察指标(颜色变化、沉淀反应；形态结构、生理特征变化等)或测定指标(生长发育速度、生化反应速度等)并记录数据。

[语言描述]　“一段时间后，观察(现象)或测量(数据)，做好记录(并计算出平均值)”。

[应用提示]　①步骤一主要是分组编号，设置对照，以描述“无关变量”。②步骤二主要是对实验组分别进行处理，以描述自变量如何控制，无关变量如何控制。③步骤三主要是针对实验结果的处理，以描述因变量怎样检测。

(6)得结论

①探究性实验

探究性实验的结果及结论是不唯一的，解题时要把各种可能的结果全部列出。探究性实验结果的预测对应假设，需分类讨论，可以先分析可能的结论，进而根据各种结论逆推出各种预期结果，最后再将预期结果和结论的书写顺序组织好，按照“若出现……(实验结果)，则说明……(实验结论)”的模式来书写即可。具体分析流程如下：

→→→

②验证性实验

验证性实验的结果与相应结论只需考虑一种情况。一般只有一个结果和一个相应的结论，且结论就在题目中，如“验证……”“证明……”等。

四、实验评价与修订

“五看法”评价实验设计

五、典型例题

1．下图是高中生物探究性实验设计的示意图，相关叙述正确的是(　　)

A．图中A处应为“演绎推理”，比如孟德尔所做的测交实验就属于此过程

B．图中B处应为“无关变量”，比如探究光照强度对光合速率的影响实验中，温度就是此变量

C．图中C处应为“因变量”，比如探究酵母菌的呼吸方式实验中，有无氧气就是此变量

D．图中D处应为“干扰因素”，比如叶肉细胞不适用于观察线粒体

答案　D

解析　图中A处应为“做出假设”，A错误；图中B处应为“因变量”，探究光照强度对光合速率的影响实验中，温度是无关变量，B错误；图中C处应为“无关变量”，探究酵母菌的呼吸方式实验中，有无氧气是自变量，C错误；图中D处应为“干扰因素”，比如叶肉细胞不适用于观察线粒体，因为叶肉细胞中含有叶绿体，不利于实验现象的观察，D正确。

2．对照实验是生物科学探究中常用的实验方法之一，设置对照实验的方法也多种多样。下列关于对照实验的说法，错误的是(　　)

A．“低温诱导植物染色体数目加倍”的实验中，作为对照的常温组也要用卡诺氏液处理

B．“探究生长素类似物促进扦插枝条生根的最适浓度”的预实验中，不需要设置对照实验

C．“探究血浆维持pH相对稳定”的实验中，清水组和缓冲液组都作为对照组

D．沃泰默探究狗胰液分泌调节的实验中，将稀盐酸注入狗的血液能起对照作用

答案　B

解析　“低温诱导染色体加倍”的实验中，自变量是温度，而无关变量应保持相同，因此作为对照的常温组也要用卡诺氏液处理，A正确；“探究生长素类似物促进扦插枝条生根”的预实验中，需要设置生长素类似物浓度为零的对照组，进行对照实验，以辨别各实验组所用的生长素类似物浓度对扦插枝条生根所起的是促进作用还是抑制作用，B错误；“探究血浆维持pH相对稳定”的实验的实验原理是：通过比较自来水、缓冲液(如Na2HPO4、KH2PO4等溶液，在加入酸或碱时，能使pH的变化减弱)和生物材料在加入酸或碱后的pH的变化，推测生物体是如何维持pH稳定的，可见该实验中，清水组和缓冲液组都作为对照组，C正确；沃泰默探究狗胰液分泌调节的实验流程是：①是直接将稀盐酸注入狗的上段小肠肠腔内，②是直接将稀盐酸注入狗的血液中，③切除通向该段小肠的神经，只留血管，在小肠内注入稀盐酸，实验结果为：①③胰腺分泌胰液，②胰腺不分泌胰液，因此将稀盐酸注入狗的血液能起对照作用，D正确。

3．下图表示3株脱淀粉(经充分“饥饿”处理)的长势相同的同种植株放在透光的不同钟罩内，定期检测O2含量。

写出该实验目的的推导过程：____________________________________________。

答案　

⇒实验目的：

4．为了验证胰岛素具有降低血糖的作用，以小鼠的活动状况为观察指标设计实验。某同学的实验方案如下：

①将正常小鼠随机分成A、B两组，观察并记录其活动状况。

②A组小鼠注射适量胰岛素溶液，B组小鼠注射等量生理盐水。一段时间后，A组小鼠会出现四肢无力，活动减少，甚至昏迷等低血糖症状，B组小鼠活动状况无变化。

③A组小鼠出现低血糖症状后，分别给A、B两组小鼠注射等量葡萄糖溶液。一段时间后，A组小鼠低血糖症状缓解，B组小鼠活动状况无变化。

该实验方案可以说明胰岛素具有降低血糖的作用。

请回答：该实验的原理：________________________________________________________________________。

答案　胰岛素具有降低血糖的作用。体内胰岛素含量过高引起血糖下降，机体出现活动减少，甚至昏迷等低血糖症状，此症状可以通过补充葡萄糖溶液得到缓解

解析　根据实验目的是验证胰岛素具有降低血糖的作用，分析可知该实验原理是：胰岛素具有降低血糖的作用。体内胰岛素含量过高时，引起血糖下降，机体出现活动减少，甚至昏迷等低血糖症状，此症状可以通过补充葡萄糖溶液得到缓解。

5．(2019·赣州模拟)某同学进行如下图所示的实验，甲图为实验开始状态，乙图为实验结束状态。请在乙图所示实验结果的基础上继续实验，探究蔗糖的水解产物能否通过半透膜。

增添的实验材料：蔗糖酶溶液、斐林试剂、试管、滴管、水浴锅等。

(1)请设计出继续实验的简要步骤：

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________。

(2)预测实验现象并做出结论：________________________________________________________________________。

答案　(1)①向a、b两管中分别加入等量蔗糖酶溶液，观察a、b两管内液面的变化　②吸取a、b两管内适量液体，分别加入A、B两试管中，并加入斐林试剂，50～65 ℃水浴加热，观察A、B试管内有无砖红色沉淀

(2)如果a、b两管液面高度差缩小，且A、B试管内均有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物能通过半透膜；如果a、b两管液面高度差增大，且A试管内无砖红色沉淀、B试管内有砖红色沉淀，则蔗糖的水解产物不能通过半透膜

解析　实验目的是探究蔗糖的水解产物是否能透过半透膜。由提供的实验材料可推知实验原理：蔗糖的水解产物如果能透过半透膜，则由于渗透作用，两边的液面差会缩小，用斐林试剂检验，水浴条件下装有a管液体和b管液体的试管均会出现砖红色沉淀；否则，两边的液面会因为蔗糖的水解使溶质的物质的量浓度增加而液面差加大，且检验时装有a管液体的试管无砖红色沉淀，装有b管液体的试管有砖红色沉淀。实验设计步骤时重点注意无关变量的控制，如两侧加入等量的蔗糖酶等。

6．(2019·山东潍坊一模)酶是活细胞产生的一类有机物，在细胞代谢中发挥重要的作用。请回答与酶有关的问题：

(1)真核细胞内酶的合成场所有____________，细胞内酶的合成________(填“能”或“不能”)影响生物的性状。

(2)酶的特性可通过实验进行验证。现有质量分数为10%的淀粉溶液、质量分数为10%的蔗糖溶液、质量分数为10%的麦芽糖溶液、蔗糖酶溶液、清水；半透膜(只允许水分子通过)；长颈漏斗、烧杯、底部中央可放置半透膜的U形管各一个。请根据渗透作用的原理，选用一套装置以及实验材料设计实验，实验现象能支持酶的催化作用具有专一性，要体现等量原则等实验设计的基本原则。请写出最合理的实验思路及实验预期。

________________________________________________________________________。

答案　(1)细胞核、核糖体　能

(2)实验思路：在底部中央放置半透膜的U形管两侧分别加入等量的质量分数为10%的蔗糖溶液和质量分数为10%的麦芽糖溶液，再在两侧各加等量的蔗糖酶溶液，适宜温度下一段时间后，观察两侧液面的变化。

实验预期：蔗糖溶液一侧液面明显升高，则支持酶的催化作用具有专一性(或：麦芽糖溶液一侧液面明显降低，则支持酶的催化作用具有专一性)

解析　(1)酶的本质绝大多数是蛋白质，少数是RNA，因此真核细胞内酶的合成场所有细胞核和核糖体，酶具有催化作用，细胞内酶的合成能影响细胞内的化学反应，从而影响生物的性状。

(2)根据题目要求及材料用具，实验中应将等体积的质量分数为10%的蔗糖溶液和麦芽糖溶液置于U形管半透膜的两侧，根据都加入等量蔗糖酶溶液后液面的变化判断酶的催化作用。因为酶的催化具有专一性，1分子的蔗糖被蔗糖酶分解为1分子的葡萄糖和1分子的果糖，溶质数量多，溶液浓度高，水分会由麦芽糖侧进入到蔗糖溶液一侧，导致蔗糖溶液一侧液面升高。

7．甘薯和马铃薯都富含淀粉，但甘薯吃起来比马铃薯甜，为探究其原因，某兴趣小组以甘薯的块根和马铃薯的块茎为材料，在不同温度、其他条件相同的情况下处理30 min 后，测定甘薯块根中还原糖含量如表所示，而马铃薯块茎中不含有还原糖。

(1)由表可见，温度为70 ℃时甘薯还原糖含量最高，这是因为__________________________。

(2)请你推测马铃薯块茎中不含有还原糖的最可能原因是________________________________。

(3)为了确认马铃薯不含还原糖的原因，请完成以下实验：

实验原理：①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________。

备选材料与用具：甘薯提取液(去淀粉和还原糖)，马铃薯提取液(去淀粉)，1%醋酸洋红溶液，斐林试剂，双缩脲试剂，质量分数为3%的淀粉溶液和质量分数为3%的蔗糖溶液等。

实验步骤：

第一步：取A、B两支试管，在A管中加入甘薯提取液，B管中加入等量的马铃薯提取液。

第二步：70 ℃水浴保温5 min后，在A、B两支试管中各加入____________________。

第三步：70 ℃水浴保温5 min后，在A、B两支试管中再各加入__________________。

第四步：____________。

实验现象：________________________________________________________________________。

实验结论：________________________________________________________________________。

答案　(1)还原糖的产生是酶作用的结果，酶具有最适温度

(2)马铃薯中不含淀粉酶

(3)①淀粉酶水解淀粉产生还原性糖　②还原性糖与斐林试剂反应产生砖红色沉淀　等量淀粉溶液　等量的斐林试剂　水浴加热　A试管有砖红色沉淀，B试管为蓝色(无明显变化)　马铃薯不含还原糖的原因是因为其不含淀粉酶，而甘薯含有淀粉酶所以含还原糖

解析　分析表格：表格表示在不同温度，其他条件相同的情况下测定的还原性糖含量，温度在0～70 ℃时，随着温度的升高，甘薯还原性糖的含量逐渐增多；温度超过70 ℃后，随着温度的升高，甘薯还原性糖的含量逐渐减少。

(1)根据题意分析可知：温度为70 ℃时甘薯还原糖含量最高，说明单位时间内分解的淀粉最多，因此推测此时淀粉酶的催化作用最强，故70 ℃是相关酶的最适温度。

(2)马铃薯有淀粉存在但是不含还原糖，最可能是因为马铃薯中不含淀粉酶不能分解淀粉产生还原糖。

(3)实验原理：颜色反应，即还原糖与斐林试剂反应，产生砖红色沉淀；淀粉在淀粉酶的作用下，能够水解并产生还原糖。在实验过程中，要控制无关变量。所以加入淀粉溶液、斐林试剂的量要相等；要使实验效果明显，必须进行水浴加热1～2 min，产生砖红色沉淀。实验结果：因A管中加入的是甘薯提取液，含有淀粉酶，所以能将淀粉水解成还原糖，使A管中出现砖红色沉淀；而B管中加入的是马铃薯提取液，不含淀粉酶，所以不能将淀粉水解成还原糖，因此B管中仍为蓝色。

8．某同学由温度能影响酶的活性联想到温度能否影响甲状腺激素的活性，为了探究这一问题，他做了一个实验，实验步骤如下：

①取三只相同的洁净玻璃缸，编上号(A、B、C)，分别装上等量的蒸馏水、河水、自来水。

②取发育状况不同的15只蝌蚪，分成三等份，分别放入A、B、C号玻璃缸中，三只玻璃缸放在相同的适宜外界条件下培养。

③每天同时向A、B、C号玻璃缸中分别投入普通饲料、常温下的甲状腺制剂拌匀的饲料、用80 ℃温水处理1小时的甲状腺制剂拌匀的饲料。

④过几天比较蝌蚪的发育状况。

(1)在实验步骤①、②、③中各有一处错误或不妥之处，请改正：

①________________________________________________________________________

②________________________________________________________________________

③________________________________________________________________________

(2)预测实验现象及结论：

a．若B玻璃缸内蝌蚪发育最快，而A、C玻璃缸内蝌蚪发育状况相同，说明________________________________________________________________________。

b．若B玻璃缸内蝌蚪发育最快，C玻璃缸内次之，A玻璃缸最慢，说明__________________________。

c．若B、C玻璃缸内蝌蚪发育状况相同，而A玻璃缸内较慢，说明__________________________。

答案　(1)①应该在两缸中加同样水质的水(比如都是河水)

②取发育状况相同的15只蝌蚪

③等量的饲料

(2)a.高温使甲状腺激素失活　b．说明高温使甲状腺激素活性减弱　c．说明高温对甲状腺激素活性没有影响

解析　该实验有两组对照实验，一组是A与B对照，实验变量是甲状腺激素，通过蝌蚪发育成青蛙所需时间的长短来确定甲状腺激素生理活性对蝌蚪生长发育的影响；另一组是B与C对照，实验变量是温度，通过蝌蚪发育成青蛙所需时间的长短来确定温度对甲状腺激素生理活性的影响。

9．离子的跨膜运输是神经兴奋传导与传递的基础。突触传递过程中，前、后膜内外离子的移动如下图所示。

请回答问题：

(1)当兴奋传导到突触前膜时，引起突触前膜对Na＋通透性的变化趋势为______________________________________。在此过程中Na＋离子的过膜方式是________________。

(2)引起突触前膜上Ca2＋通道打开的原因是______________________。

(3)图中①至④表示兴奋引发的突触传递过程。图中过程②表示________________________________________________。

(4)为研究细胞外Na＋浓度对突触传递的影响，向细胞外液适度滴加含Na＋溶液，当神经冲动再次传来时，膜电位变化幅度增大，原因是________________________________________。

(5)在突触部位胞内的钙离子主要来自于胞外。为证明细胞内钙离子浓度可影响神经递质的释放量，提出可供实验的两套备选方案。

方案一：施加钙离子通道阻断剂，然后刺激突触前神经细胞，检测神经递质的释放量。再在该实验体系中适度增加细胞外液中的钙离子浓度，然后刺激突触前神经细胞，检测神经递质的释放量。

方案二：适度增加细胞外液中的钙离子浓度，然后刺激突触前神经细胞，检测神经递质的释放量。另取一组实验材料施加钙离子通道阻断剂，然后刺激突触前神经细胞，检测神经递质的释放量。

比较上述两个方案的优劣，并陈述理由。

答案　(1)突然增加，达到一定水平后迅速降低(停止)　协助扩散

(2)神经冲动带来的膜电位变化

(3)进入到胞内的钙离子会促进囊泡内的神经递质释放到突触间隙

(4)膜两侧钠离子浓度差增加，过膜的钠离子数目增加

(5)方案二优于方案一。

方案一：施加钙离子通道阻断剂后，刺激突触前神经细胞，检测神经递质的释放量，能够反映细胞内钙离子浓度较低时对神经递质释放的影响。而在钙离子通道阻断剂存在的条件下，增加细胞外液的钙离子浓度无法改变细胞内的钙离子浓度，不能反映细胞内钙离子浓度较高时对神经递质释放的影响。因此实验方案有缺陷。

方案二：能反映细胞内钙离子浓度较高和较低时分别对神经递质释放的影响。实验方案设计较全面，实验结果较明确。

解析　(1)兴奋前后，突触前膜对Na＋和K＋的通透性不同，当兴奋传到突触前膜时，对Na＋通透性增强，Na＋沿着浓度梯度由外向内被动运输。

(2)当兴奋时，突触前膜的Ca2＋通透性也增强，神经冲动的传导引起Ca2＋通道打开。

(3)从图中可知：②过程表示Ca2＋参与突触小泡向突触前膜的移动及释放递质过程。

(4)动作电位由Na＋内流引起，外界溶液中Na＋浓度增加，兴奋时Na＋向细胞内的扩散速度和数目增加，电位变化幅度加大。

(5)方案一：先施加Ca2＋通道阻断剂后，即使增加Ca2＋浓度，也无法加快Ca2＋的通过，无法得到想要的结果。方案二：先增加Ca2＋浓度，观察神经递质释放量的变化，再施加Ca2＋通道阻断剂，然后观察神经递质的释放量，能够得到想要的结果。