专题10 生物实验

 

一、高考展望

生物科学是一门实验科学，实验在生物教学中有十分重要的地位。随高考的不断改革，高考对生物学实验要求越来越高，占有的比重也很大。从近几年的实验题在高考中的题型变化来看，单纯考查课本实验内容的试题已很少出现，而以课本实验为依托，侧重考查学生对实验进行设计、分析和评价的能力的试题已成为命题趋向，其中设计型实验题更是热点，因为这一类试题能较全面地考查学生的实验知识和基本技能，分析问题和解决问题的能力以及创造能力。由于学生缺乏实验设计的有关理论知识，平时的练习也偏少，遇到这类题型，就会感到茫然，无所适从。因此，在复习过程中我们应了解有关实验设计的基本理论，并通过典型的习题多加训练。

二、考点透析

1．对课本实验及课本隐性实验的处理

对部分考生特别是实施理科综合考试的省份考生来讲，由于近年高考试题中，很少有直接考查课本实验及课本隐含实验的内容，因此，往往不注重对这些实验的复习，沉迷于题海之中，企求找到应对高考的一条捷径，而一旦遇到新情景、新条件下的实验试题时又生力不从心之感。其实，复习好这些实验，一方面有助于我们进一步理解有关的生物学知识，另一方面对于提升我们的实验设计能力和实验分析能力是大有裨益的。

（1）分类复习，培养能力

我们将课本实验可分为三类进行有针对性的复习：

①操作、验证性实验

这类实验包括：生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定、高倍显微镜的使用和观察叶绿体、细胞质流动的观察、观察植物细胞的有丝分裂、叶绿体中色素的提取和分离、观察植物细胞的质壁分离与复原、DNA的粗提取与鉴定、学习微生物培养的基本技术（培养基制备、接种培养等技术）等。对于这类实验，我们主要理解、掌握实验的原理、方法步骤、注意事项及结果分析等，并学会在其他类似情况条件下的应用。

以生物组织中还原糖的鉴定为例，我们应重点掌握：

示例1：

原理：新制的Cu(OH)₂（斐林试剂）与可溶性还原糖水浴共热，能生成砖红色沉淀。

过程：（学会基本方法）

注意事项：材料应含糖量高且无色、斐林试剂应现配现用、加热时间及所加试剂的量等。

特别提醒：选修本中，尿糖的鉴定采用的是班氏糖定性试剂，注意该试剂的用量和用法。

②探究性实验：

通过实验探索可以得出相应结论，从而使学生获得新知，让学生重视知识的发生、发现过程，从而培养学生的创新精神和实践能力，这类实验我们称之为探究性实验，包括：比较过氧化氢酶和Fe³⁺的催化效率、探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用、温度对酶活性的影响、植物向性运动的实验设计和观察、设计实验观察生长素或生长素类似物对植物生长发育的影响、设计并制作小生态瓶，观察生态系统的稳定性、观察SO₂对植物的影响等。这类实验主要训练我们基本的实验设计能力、实验分析能力等。复习中，我们应从中学习实验设计的一般程序（包括明确实验的目的和实验要求、确定实验的原理和研究对象、确定实验设计思路、设计实验步骤、实验结果的预测和分析等）和实验设计的基本原则（科学性、单一变量、设置对照和可重复性等原则）。

以“植物向性运动的实验设计和观察”为例说明复习的方法与策略：

A．掌握实验原理：

向性运动是植物受单向外界因素的刺激而引起的定向运动。它的运动方向随刺激的方向而定。在单侧光刺激下，植物表现为向光性运动；在地心引力（重力）的影响下，植物的根表现出向重力性运动（茎表现为重力性运动）。

B．明确设计思路：

植物的向光性：比较“单侧光照射”与“光线均匀照射（或无光）”、“胚芽鞘完整”与“去胚芽鞘尖端（或用锡纸包裹）”的实验结果。

植物的向重力性：比较“根尖完整”与“除去根尖”、“根尖垂直向下放置”与“根尖向其他方向放置”的实验结果。

C．制定合适方案：

示例2：植物向光性实验设计

第一步：选择实验材料——玉米幼苗

第二步：选三只不透光的硬纸盒，编号A、B、C。A不开孔（对照组）、B一侧开孔、C四方均开孔（实验组）

第三步：选择生长状态一致的玉米幼苗若干，分三等份，分别放置于三个硬纸盒中。

第四步：A盒中幼苗完全处于黑暗中、B盒中幼苗从开口处给予一定的光照、C盒中幼苗从四周进行光照。每天观察和记录，培养一段时间。

D：正确预测与分析实验结果：

 示例2的预测结果：A中幼苗直立生长、B中幼苗弯向光源生长、C中幼苗直立生长。

预测结果分析：植物生长具有向光性。

特别提醒：认真研究课本中的探究性实验，尝试自我设计实验方案、预测实验结果并加以分析，有助于提高我们的实验设计能力和实验分析能力。

③实习与研究性课题实验：

开展研究性学习能培养学生发现问题和解决问题的能力、收集、分析和利用信息的能力、培养学生良好的科学态度和科学道德、培养学生对社会的责任心和使命感，可以对学生进行全方位的训练，因此课本中安排了实习与研究性课题实验，包括：调查人群中的遗传病、种群密度的取样调查、调查环境污染对生物的影响等。在复习这部分内容时，应重点掌握调查的基本策略和基本方法、调查结果或数据的一般处理方法，并能灵活运用。复习过程中，大家可结合2004年高考天津卷（理综）第30题、江苏卷（生物）第42题，摸准高考命脉，进行有针对性的复习。

（2）挖掘隐性实验，提升实验设计能力

实验复习中，除了要认真对待大纲所要求的18个实验（我们称之为显性实验）外，还应善于挖掘课本中的隐性实验，并进行实验设计的训练。课本中包含隐性实验的地方很多，如：

“第三章  生物的代谢”：

①探究光照强度（或CO₂浓度、温度）对光合作用的影响

②利用溶液培养法验证Mg等是植物生长的必需矿质元素

“第四章  生命活动的调节”：

①探究胚芽鞘的尖端是产生生长素的部位

②探究胚芽鞘尖端是胚芽鞘的感光部位

③探究甲状腺激素等激素的生理作用

④验证兴奋在神经元上的双向传导和反射弧上的单向传导

“第六章  遗传和变异”：

①证明DNA是遗传物质的实验设计思路和过程

②利用放射性同位素标记法研究DNA分子的半保留复制

③利用自由组合定律进行杂交育种

④多倍体育种和单倍体育种的基本方法

下面以“探究甲状腺激素等激素的生理作用”为例，看如何进行实验设计的训练。

示例3  探究甲状腺激素等激素的生理作用

①验证甲状腺激素能促进幼小动物的个体发育

实验原理与材料：略

实验方法与步骤：

Ⅰ 取三只玻璃鱼缸，分别标号1号、2号和3号。向三只玻璃鱼缸分别加入2000mL的提前晾晒的自来水（或清洁的河水），并分别放入等量的新鲜水草。

Ⅱ 向每只鱼缸中放入5只生长状态一致的小蝌蚪。

Ⅲ 每天向1号鱼缸中加入适量的甲状腺制剂，向2号鱼缸中加入等量的甲状腺抑制剂，3号鱼缸不放任何药品，作为对照。

Ⅳ 将三只鱼缸放在相同且适宜的条件下培养蝌蚪。

Ⅴ 定期观察并记录蝌蚪的生长发育状况。

实验结果预测：1号鱼缸中的蝌蚪发育成青蛙的时间最短，且个体小。

  3号鱼缸中的蝌蚪发育成青蛙的时间及个体大小正常。

  2号鱼缸中的蝌蚪不能发育成青蛙。

实验结果分析：甲状腺激素具有促进幼小动物的个体发育的生理作用。

试试看：请你设计实验，验证甲状腺激素对成年动物生理的影响。

提示：分三组，一组添加甲状腺制剂，观察现象、一组摘除甲状腺，观察现象，然后再补充甲状腺制剂，再观察现象、一组作对照。

特别提醒：你发现了探究激素生理作用实验的基本策略吗？

2．生物实验设计的一般方法

（1）一个比较完整的实验设计方案，一般应包括以下内容：

①实验课题：即研究的内容

②实验原理：即理论依据

③假设：即对可见现象提出一种可检测的解释但未经证实的论题。假设一般分为二个步骤：第一步提出假设，即依据发现的事实材料和已知的科学原理，通过思维．提出初步假设。第二步作出预期（或推断），即依据提出的假设，推理得出假定性结论。

④实验步骤的设计

⑤观察和数据的收集：即定时、定期观察实验过程发生的现象或采集数据并如实记录。

⑥分析与结论：对实验中收集到的现象、结果、数据进行整理归纳，有的可以处理成图表等形式。最后通过分析，得出结论。如结果符合顶期，则假设成立，作出肯定结论；如结果不符合预期，则作出否定结论。

（2）实验设计的基本原则

①科学原则

在实验设计前，必须有充分的科学依据，而不足凭空想象。

②单一变量原则

控制其他因素不变，而只改变其中某一实验变量，，观察它对实验结果的影响。整个实验过程中除了欲处理的实验变量外，其他实验条件要求做到前后一致。如示例2中除了“光”这一变量的变化外，玉米幼苗的长势、其他生长环境均应一致。

③平行重复原则

为了避免实验结果的偶然性，有时须对所做的实验进行足够次数重复，在实验设计中要充分考虑这一点。

④设立对照原则

为了排除无关条件的干扰，常要设立对照实验。对照的常用方法有以下几种：

空白对照：指不做任何实验处理的对象组。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。如示例3中的3号鱼缸的处理。

自身对照：指实验组与对照组在同一对象上进行，即不另设对照组。如“植物细胞质壁分离和复原”实验。

条件对照：指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，即这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。如示例3中2号鱼缸的处理。

相互对照：指不另设对照组，而是几个实验相互对比对照。如“植物向光性”实验还可以这样做：

将玉米幼苗平均分为甲、乙两组，作如下实验处理：

甲组：玉米幼苗——先作“不透光”处理，再作“单侧光”处理

乙组：玉米幼苗——先作“单侧光”处理，再作“不透光”处理

这种实验处理对平衡、消除无关变量影响具有很强的说服力。

（3）实验设计中关键环节：

①实验材料和实验手段的选择。这是实验能否进行的关键，我们应学会借鉴课本实验中相关方法。如2004年全国卷Ⅱ（理综）的31题——验证“胰高血糖素具有升高学糖的生理作用”的实验步骤中就采用了选修中“尿糖的鉴定”的方法。

②实验变量的确定和控制。实验变量的确定是作好实验设计的第一步，当然这一补往往比较容易，但如何控制实验变量就显得比较难了，而这又是决定实验是否有效的关键一步。对于实验变量的控制一般可采用“有”与“无”、“多”与“少”、“浓度、pH、数量或位置的变化”的方法。如验证“光是植物生长发育的必要条件”这一实验中，可采用光的“有”（对照组）与“无”（实验组）来控制“光”这一变量。而在探究“不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响”的实验（2004年江苏卷（生物）42题）中，即应采用酸雨的“有”（实验组）与“无”（空白对照组）来控制“酸雨”这一变量，又应采用酸雨的“pH的变化”（两中不同pH的酸雨）来控制“酸雨”这一变量，因此实验就应有三个装置，而许多考生只注意了后者，忘了前者。

（4）实验结果的预测：一般在验证性实验中，应预测最可能的结果；而在探究性实验中，应尽可能的考虑各种情况。

3．高考中实验设计常见的题型

开放型：只给出课题，自选材料、试剂、用具等，设计实验方案。

限制型：给出课题、原理、材料、试剂、用具等，设计实验方案。

改进型：分析所提供的实验方案，对其中的不完善之处提出改进方案。

补充型：要求学生对实验过程中的个别方面进行科学的补充

三、经典回放

【例1】（2005年春招北京卷）为验证光是植物生长发育的必要条件，设计如下实验：选择生长状况一致的小麦幼苗200株，随机均分为实验组和对照组，分别处理并预期结果。下面是关于实验组或对照组的处理方法和预期结果的几种组合，其中正确的是

①实验组  ②对照组  ③黑暗中培养  ④在光下培养  ⑤生长良好  ⑥生长不良

A．②③⑤     B．①③⑥     C．①④⑤     D．②④⑥

【解析】要验证光是植物生长发育的必要条件，应把光照的“有”与“无”作为影响实验的惟一变量，其他条件均不变，所以实验组要限制光照这一变量，即进行黑暗处理，并与对照组——自然生长状态下（有光照）作对比，由于无光照小麦幼苗不能进行光合作用，因此实验组生长不良。

【答案】选B。

【例2】（2004全国卷Ⅲ）列关于实验的描述，正确的是

A．将在蔗糖溶液中已经发生质壁分离的洋葱表皮细胞转到更高浓度的蔗糖溶液中，则发生质壁分离的复原

B．将斐林试剂加入到蔗糖溶液中，加热后出现砖红色沉淀

C．将肝脏研磨液煮沸冷却后，加入到过氧化氢溶液中立即出现大量气泡。

D．将双缩脲试剂加入到蛋清稀释液中，溶液变成紫色

【解析】本题考查了几个课本实验的方法、步骤、条件原理和结果现象。选项A因蔗糖溶液浓度变高，不会复原；选项B中因蔗糖无还原性而不会出现砖红色沉淀；选项C中因经沸水处理后过氧化氢酶活性丧失，不会立即出现大量气泡。

【答案】选D。

【例3】（2004广东卷）取生长健壮的小麦根尖，经过解离、漂洗、染色、制片过程，制成临时装片，放在显微镜下观察。欲观察到细胞有丝分裂的前、中、后、末几个时期

A．应该选一个处于间期的细胞，持续观察它从间期到末期的全过程

B．如果在低倍镜下看不到细胞，可改用高倍物镜继续观察

C．如果在一个视野中不能看全各个时期，可移动装片从周围细胞中寻找

D．如果视野过暗，可以转动细准焦螺旋增加视野的亮度

【解析】本题考查了显微镜的使用和有丝分裂过程的观察方法。将根尖放入盐酸中解离时，细胞就已死亡，所以不可能继续分裂。如果用低倍镜看不到细胞，可能是光线太暗、物镜与装片间的距离不合适等原因造成，这时换成高倍镜会仍然看不到细胞。如果视野太暗，应换用大的光圈或用凹面反光镜。

【答案】选C。

【例4】环境污染对植物的生长发育有不同程度的影响。在一定程度上，植物在污染环境

中也有继续保住正常生命活动的特性，这种特性称为抗性。研究植物的抗性对筛选具有净化环境的植物种类和保护环境有积极意义。

（1）一项研究表明，植物对SO₂的抗性与叶片上气孔密度和气孔大小等有关。所得数据如下表：

①该研究说明，植物对SO₂的抗性与气孔的密度呈__关系，和每个气孔的面积呈__关系。

②在SO₂污染严重的地区，最好选择表中_____植物为行道树种。

（2）工业生产中产生的SO₂是酸雨（PH＜5.6）形成的主要原因之一。有人设计实验研究酸雨对植物的毒害作用。实验过程如下图所示（除图中特别说明的外，其他条件甲、乙均相同）：

    实验结果表明，“酸雨”使植物叶片变黄，而对照实验中的植物没有变黄。该实验说明“酸雨”对植物的生长发育有影响。

    参照上述装置和试剂以小麦种子为实验材料尝试设计实验，探究2种不同pH的酸雨对种子萌发率的影响。

①探究的问题：不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响。

②作出的假设：________________________________________________________。

③实验步骤（简要叙述）：

④实验预期结果与分析（实验预期结果多种多样，写出其中3种并加以分析）：

【解析】从表中数据可以看出，植物的气孔密度越大，单个气孔面积越小，对SO₂的抗性越大。不同的pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响的实验是一个探究性实验，应注意对实验变量的控制方法及对照组的设立，且应考虑到实验结果的三种可能：对种子萌发无影响、对种子萌发有抑制作用、对种子萌发有促进作用。

【答案】（1） ① 正相关  反相关  ② 甲（2） ② 不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响程度不同（或相同）。 ③ 用上述实验装置和试剂，采用两种pH<5.6的“酸雨”进行实验，设置清水对照；在三个花盆中播种同样数量（例如50粒）的小麦种子；在相同而适宜的环境中培养；一段时间（7天）后，分别统计3个装置中的种子萌发率。 ④ a．如果三个装置中种子萌发率没有差异，那么说明酸雨对种子萌发率没有影响b．如果三个装置中，pH越小，种子萌发率越低，说明酸雨对种子萌发有抑制作用，且随着pH的减小，抑制作用增大。C．如果三个装置中，pH越小，种子萌发率越高，说明酸雨对种子萌发有促进作用，且随着pH的减小，促进作用增大。

四、自我检测

一、选择题（均为单项选择题）

1．在适宜时期取材，能观察到植物细胞同源染色体配对现象的实验材料是

A．根尖    B．茎尖    C．花药        D．种子

2．检验苹果中是否有还原性糖，可选用的试剂是

A．碘液  B．苏丹Ⅲ染液  C．双缩脲试剂  D．斐林试剂

3．用一定量的甲状腺激素连续饲喂正常成年小白鼠4周，与对照组比较，实验组小白鼠表现为

A．耗氧量增加、神经系统的兴奋性降低     B．耗氧量增加、神经系统的兴奋性增强

C．耗氧量减少、神经系统的兴奋性降低     D．耗氧量减少、神经系统的兴奋性增强

4．当新鲜的洋葱表皮细胞在a浓度的蔗糖溶液中，刚好发生质壁分离现象，并且原生质体不再继续收缩，对该洋葱表皮细胞进行下面处理可能使其复原的是

A．转入0. 5a浓度的蔗糖溶液中    B．转入1a浓度的蔗糖溶液中

C．转入2a浓度的蔗糖溶液中      D．转入4a浓度的蔗糖溶液中

5．用显微镜观察装片时，在低倍镜下发现一异物，当移动装片时，异物不动；转换高倍镜后，异物仍可以观察到，则异物可能存在于

A．物镜上      B．目镜上      C．实验材料上       D．反光镜上

6．通过纸层析法分离叶绿体色素，结果在滤纸条上出现四条色素带，从上而下依次是

A．胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b

B．胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b、叶黄素

C．叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素

D．叶黄素、叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素

7．在下列实验中，必须始终用活细胞做材料的实验是

A．在光学显微镜下观察细胞的有丝分裂

B．观察植物细胞的质壁分离和复原

C．叶绿体中色素的提取与分离

D．利用永久装片观察C₄植物的叶片结构

8．在高倍镜下观察细胞质流动时，可看到

A．细胞质围绕着液泡运动        B．细胞质围绕着叶绿体运动

C．细胞质围绕着线粒体运动      D．细胞质围绕着细胞核运动

9．将四株长势相似、具有顶芽的健壮植株，分别进行下述处理，其中有利于侧芽发育成枝条的处理方式是

A．去顶芽后，在断口上放一琼脂小块

B．去顶芽后，在断口上放一富含生长素的琼脂小块

C．不去顶芽，在侧芽上涂以含低浓度生长素的琼脂

D．不去顶芽，在侧芽上涂以琼脂

10．细菌培养基应在120℃压力锅中灭菌。如果只是在100℃的温度下将细菌培养基灭菌，以下哪一种生物仍会存活

A．大肠杆菌        B．青霉菌        C．枯草芽孢杆菌        D．沙门氏菌

二、简答题

1．胰高血糖素对小白鼠和人具有相同的生理作用。为了验证“胰高血糖素具有升高血糖的生理作用”，请以小白鼠为实验对象设计实验步骤，预测和解释实验应出现的结果，并写出实验结论。

（一）实验材料和用具：

正常实验小白鼠2只，生理盐水，用生理盐水配制的适宜浓度的胰高血糖素溶液，班氏糖定性试剂，注射器，试管，烧杯等。

（二）实验步骤：

（实验提示：采用腹腔注射给药，给药剂量不作实验设计要求；给药1小时后，用注射器在小鼠膀胱处穿刺取尿液。）

（三）实验结果的预测、解释和结论：                                      。

2．一种以地下茎繁殖为主的多年生野菊分别生长在海拔10m、500m、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。

（1）实验处理：春天，将海拔500m、1000m处的野菊幼芽同时移栽于10m处。

（2）实验对照：生长于             m处的野菊。

（3）收集数据：第二年秋天                               。

（4）预测支持下列假设的实验结果：

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处野菊株高

                                  。

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处野菊株高

                                              。

假设三   野菊株高的变化受遗传和环境因素的共同影响，实验结果是：移栽至10m处野菊株高                                            。

3．生态工作者从东到西对我国北方A、B、C三种类型的草原地行调查。下表是不同调查面积的物种数量统计结果：

（1）A、B、C三种类型的草原对放牧干扰的抵抗力稳定性由强到弱的顺序是           。导致这三种类型的草原物种数量不同的关键生态因素是            。如果将A草原与我国东北针叶林相比，两者之间恢复力稳定性较强的是              。

（2）调查B草原某种双子叶草本植物种群密度时，设计如下调查步骤：

① 选取40cm×40cm为最佳样方面积。

② 在该物种分布较密集的地方取5个样方。

③ 计数每个样方内该植物的个体数。若计数结果由多到少依次为N₁、N₂、N₃、N₄、N₅，则将N₃作为种群密度的估计值。

请指出以上设计步骤中的错误并加以改正。

参考答案：

一、选择题

1．C  2．D  3．B  4．A  5．A  6．A  7．B  8．A  9．A  10．C

二、简答题

1．（1）确定1只鼠为实验鼠，腹腔注射胰高血糖素溶液；另一只鼠为对照鼠，腹腔注射等量生理盐水。（2）将两支试管分别编号为1号和2号，各加入等量的班氏糖定性试剂。（3）给药1小时后，对两只小白鼠采尿液，实验鼠尿液放入1号试管内，对照鼠尿液放入2号试管内。（4）将两支试管摇匀后，放入盛有开水的烧杯内加热煮沸，待冷却后，观察两支试管溶液颜色的变化。

（三）1号试管中应该出现砖红沉淀，青蛙实验鼠尿液中有葡萄糖；2号试管中仍为蓝色溶液，表明对照鼠尿液中无葡萄糖。实验结论：实验鼠血糖升高，超过一定数值而出现糖尿，是胰高血糖素具有升高血糖的生理作用所引起的。

2．（2）10m、500m、1000m （3）测量株高 记录数据

（4）与10m处野菊株高无显著差异  与原海拔处（500m、1000m）野菊株高无显著差异    比10m处矮，比原海拔处高

3．（1） ① 正相关  反相关  ② 甲（2） ② 不同pH的酸雨对小麦种子萌发率的影响程度不同（或相同）。 ③ 用上述实验装置和试剂，采用两种pH<5.6的“酸雨”进行实验，设置清水对照；