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1、实验设计原理实验设计原理1.单一变量原则（1）概念变量：实验过程中可以发生变化 的因素称为变量，即因果关系中所有的可能的因和果。例如，在探究温度对酶活 性的影响实验中，所有可变的因素，包括影响酶活性的温度、pH、酶的抑制剂等 因素和酶本身的活性都属于变量。 自变量：人为改变的变量称作自变量，也称为实验变量，是因果关系中的 因，是实验的操作对象，应具有可变性和可操作性。例如中的温度。 因变量：随着自变量的变化而变化的变量称作因变量，也称为反应变量， 是因果关系中的果，是实验的观察对象，应具有可测性和客观性。例如中的酶 活性变化。 无关变量：实验过程中可能还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响,
2、 这些变量称为无关变量。无关变量与研究目标无关，但却影响研究结果，实验中 应严格控制，否则实验结果的真实性无法得到认定，例如中的pH和酶的抑制 剂。 额外变量：由无关变量引起的变化结果叫做额外变量，额外变量会影响实 验结论的准确性。变量概念示意图（2）原理单一变量原则：实验的本质是找到自变量和因 变量之间的关系，所以在实验中需要排除无关变量的干扰，保证通过自变量影响 因变量，从而得出合理的实验结果和结论。所以单一变量原则就是通过改变单一 的自变量，同时控制无关变量，探究自变量对因变量的影响。【例1】下列有关探究酶的特性系列实验的叙述中，正确的是（）A在探究酶 的髙效性实验中，自变量是酶的种类B
3、.在探究酶的专一性实验中，自变量一定 是酶的种类C.在探究温度对酶活性的影响实验中，自变量不止一种D.在探究pH对酶活 性的影响实验中，无关变量不止一种答案：D解析：酶的活性受pH的影响，每 一种酶都有其最适宜pH, pH过髙或过低都会使酶的活性降低，甚至失去活性， 探究酶催化作用的最适pH时，自变量是pH,无关变量有温度、酶的种类和量、 底物的种类和量等，D正确。2对照原则（1）原理对照原则：除了一个因素以外，其余因素都保持不变 的实验叫做对照实验。对照实验是单一变量原则实现的具体体现，通过不同组实 验的比较，得出合理的结果和结论。髙中所有的探究类实验中，都应设置对照， 但具体的对照形式可以
4、是空白对照，也可以是相互对照或自身对照等，有些对照 并不需要单独设置对照组。（2）形式空白对照空白对照指不做任何实验的对照组或不给对照组以任 何处理因素。但注意，不给对照组任何处理因素是相对于实验组的自变量而言的, 无关变量对应的处理需要和实验组中保持一致。空白对照能对比实验组的变化和结果，增加说服力。通常未经实验因素处理 的对象组为对照组，经实验因素处理的对象组为实验组；或处于正常情况下的对 象组为对照组，未处于正常情况下的对象组为实验组。【例2】如图是某实验小组探究2, 4D对插枝生根的作用的实验结果，下列 相关叙述错误的是（）A该实验结果体现了 2,4D作用的两重性B该实验的自变量 是2
5、,4D的浓度C.该实验既有空白对照也有相互对照D若要进一步探究2,4D促 进生根的最适浓度则需要在A. B组之间设置一系列2,4D浓度梯度组答案：D解析：本题考查探究2.4D对插枝生根的作用的实验。从 实验结果可以看岀低浓度2,4D促进生根，髙浓度2,4D抑制生根，体现了 2,4D 作用的两重性，A正确；该实验分成3组，自变量是2.4D的浓度，蒸锚水组作 为空白对照组，低浓度组和髙浓度组之间形成相互对照，B. C正确；若要进一 步探究2,4D促进生根的最适浓度，需要在A、C组之间设置一系列2,4D浓度梯 度组，D错误。 自身对照自身对照指对照组和实验组都在同一研究对象上进行，不单独另 设对照，
6、通过改变自变量，观察实验前后的自身的因变量变化，得出实验结论。 自身对照方法简便，关键是理清实验处理前后对象变化的差异，从而确定自变量 和因变量的关系。实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为 实验组。【例3】某研究小组欲探究桑叶提取液对患糖尿病小鼠的降血糖效果，设计 了 一系列实验。下列有关实验的设计思路，说法错误的是()A随机选取三组生理 状况相同、数量相等的健康小鼠，其中两组制备成患糖尿病的小鼠B.对照组除 每天饲喂等量的食物，也要注射等量的桑叶提取液C.每组小鼠在实验开始前和 实验结束后都需要测量其血糖浓度D.患糖尿病小鼠既可以作为实验组又可以作 为对照组答案：B解析：本
7、实验的目的是探究桑叶提取液对患糖尿病小鼠的降血 糖效果，故自变量应为是否注射桑叶提取液，其他无关变量应该保持相同且适宜， 因此应该随机选取三组生理状况相同、数量相等的健康小鼠，其中一组小鼠正常， 另外两组制备成患糖尿病的小鼠，A正确；根据实验的单一变量原则和对照原则, 实验组注射桑叶提取液，则对照组应该注射等量的不含桑叶提取液的溶剂，B错 误；该实验的因变量是小鼠的血糖浓度，因此每组小鼠在实验开始前和实验结束 后都需要测量其血糖浓度，C正确；患糖尿病小鼠与正常小鼠相比为实验组，同 时其前后可以自身对照，也可以作为对照组，D正确。 相互对照相互对照也称为对比实验，是指不单独设对照组，而是几个实验
8、 组相互对比对照，其中每一组既是实验组也是其他组的对照组，由此得出相应的 实验结论。通过实验的相互对比，确立实验变量和反应变量的关系。在没有空白对照的情况下，各实验组之间遵循 单一变量原则，平衡和抵消无关变量的影响，使实验结果具有说服力【例4】某 生物兴趣小组利用2,4-D对桂花进行了插枝生根的实验，结果如表所示。2.4-D 溶液的浓度(molL-1) 010-1510-1410-1310-1210-11 生根数平均值 2. 03. 87. 29.415. 120.3根据以上结果，下列分析正确的是()A.促进桂花插枝 生根的最适2,4-D溶液浓度是10-llniolL-1B.本实验的对照方法有
9、空白对照和相 互对照C.相同浓度的2,4-D溶液和呵噪乙酸溶液对插枝生根的作用相同D.实验 表明2,4-D的生理作用是髙浓度促进生根，低浓度抑制生根答案：B解析：分析 表中数据，以2,4-D溶液浓度为0作为空白对照，不同浓度的2,4-D溶液作为相 互对照，同时使用了两种对照方式对结果进行分析。在因变量及生根数平均值中， 随2,4-D溶液浓度的上升，促进生根的效果越来越好。所以在实验范围内，2,4-D 溶液浓度越大，促进生根效果越好。虽然2,4-D溶液浓度为10-llmolL-l在各组 实验浓度中最适宜，但是没有出现峰值，不能确定最适浓度，A错误；题中没有 涉及有关呵喙乙酸的实验，不能说明相同浓
10、度的2,4-D溶液和口引噪乙酸溶液对插 枝生根的作用相同，C错误；表中没有浓度能体现2,4-D溶液对植物生根有抑制 作用，D错误。 条件对照条件对照是指虽给对象施以某种实验处理，但此处理并非实验的 自变量，同时此处理可以更好地证明实验结论，此处理也被称为条件变量。通常 施以条件因素的对象组为对照组，施以实验因素的对象组为实验组。【例5】在做土壤中分解尿素的细菌的分离与计数实验时，甲组实验用只含 尿素做氮源的培养基，乙组实验用另加入硝酸盐的培养基，其他成分都相同，在 相同条件下操作、培养与观察，则乙组实验属于（）A空白对照B.标准对照C.相 互对照D条件对照答案：D解析：实验应遵守原则包括：控制
11、单一变量原则，等量原则，对照 原则等；对照原则包括空白对照，自身对照，相互对照及条件对照；空白对照： 对照组不施加任何处理因素；标准对照：指以已知经典药物在标准条件下与实验 药物进行对照；相互对照：几种处理（或水平）互为对照；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，或者说这种处理不是实验 假设所给定的实验变量意义的。3.平行重复原则（1）原理：每组实验需要多个实验对象、足够的实验次数， 才能避免偶然误差，使得岀的结论准确。反之若实验对象过少，重复次数不足， 则容易由于实验对象出现偶然误差形成错误的实验结论。（2）形式数量重复：通常实验每组对象应在三个或以上，例如，取
12、生长 发育状态相同的白兔若干只，平均分成若干组，保证每组具有多个实验对象，对 实验结果进行记录后去除有明显误差的数据，剩下的数据取平均值。次数重复：每次实验需要重复三次或以上，使实验结果可重复出现，若实 验重复次数不足，则可能造成错误结果，如孟德尔豌豆杂交实验中，每组实验均 重复多次，并对每次的结果进行统计和比较。【例6】某同学为了模拟标记重捕法，用若干黄粒玉米种子代表一定区域内 某动物种群个体总数，用50粒白玉米种子代表被标记的个体，则最接近自然条 件下种群个体总数和实际操作的模拟步骤是（）A取全部黄粒倒入烧杯加入50粒 白种子混合均匀随机抓取统计黄粒数计算烧杯中黄粒总数重复35次计算每次
13、总数的平均值B.取出50粒黄种子剩余黄粒种子倒入烧杯加入50粒白种子混合 均匀随机抓取统计白粒与黄粒数计算烧杯中黄粒总数重复35次计算每次总数 的平均值C取全部黄粒倒入烧杯加入50粒白种子随机抓取统计白粒与黄粒数混 合均匀计算烧杯中黄粒总数重复旷5次计算每次总数的平均值D.取出50粒黄种 子剩余黄粒种子倒入烧杯加入50粒白种子随机抓取混合均匀统计白粒数计算烧 杯中黄粒总数重复35次计算每次总数的平均值答案：B解析：由于若干黄粒玉米种子代表一定区域内某动物种群个体总数，而50 粒白玉米种子代表被标记的个体，因此设置该动物种群个体总数的操作应为：取 岀50粒黄种子剩余黄粒种子倒入烧杯加入50粒白种
14、子混合均匀随机抓取统计白 粒与黄粒数，由抓取的白粒数占总抓取数的比例等于50粒白种子占烧杯中总种 子数的比例，可求出烧杯中黄粒总数，重复35次计算每次总数的平均值，即最 接近自然条件下种群个体总数，B正确。4其他原则在生物学实验设计中，还有其他几个原则，才能保证结果的准确 性和结论的合理性，但在试题中很少直接考查，总结如下。（1）随机性原则：是指被研究的样本是从总体中任意抽取的。其目的包括： 消除或减少系统误差，使显著性测验有意义；平衡各种条件，避免实验结果 中的偏差。在实验描述中，通常体现为随机获取一定数量的实验材料。在样方法 取样中，获取样方需要随机取样。（2）科学性原则：是指实验的原理要
15、符合科学原理，实验结果的预期有科 学依据，实验的各个环节不能偏离生物学基础知识和基本原理，以及其他学科领 域的基本原则。主要体现在以下几个方面。实验原理的科学性：实验原理是实 验设计的依据，也是用来检验和修正实验过程中失误的依据，因此它必须是经前 人总结或经科学检验得出的科学理论。例如，在颜色反应中，不同物质和不同的 检测试剂发生反应产生的颜色是特定的，符合科学性要求。（3）简便可行性原则：简便是指在设计生物学实验时，要尽量做到实验材 料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作比较简便，实验 步骤比较少，实验时间比较短。可行是指在设计生物学实验时，要考虑现有的实 验条件，要保证现
16、有的条件能够满足实验的要求。而有些实验的设计，虽然在原 理和方法上可行，但由于步骤过于繁琐或者条件要求过髙，所以很难进行。例如预实验的作用包括两个方面：为进一步的实验摸索条件；可以检验 实验设计的科学性和可行性，以免由于设计不周，盲目开展实验，造成人力、物 力、财力的浪费。其中第二点就是提髙科学性和可行性。【例7】为达到实验目的、需要选用合适的实验材料进行实验，下列实验目 的与实验材料的对应，不合理的是（）选项实验材料实验目的A大蒜根尖分生区 细胞观察细胞的质壁分离与复原B蝗虫的精巢细胞观察细胞的减数分裂C哺乳动物的红细胞观察细胞的吸水 和失水D人口腔上皮细胞观察DNA、RA在细胞中的分布A. AB. BC. CD. D答案：A 解析：大蒜根尖分生区细胞没有大液泡，不适合用来观察细胞的质壁分离与复原, A不合理；用蝗虫的精巢细胞的固定装片观察细胞的减数分裂，B合理；哺乳动 物的红细胞在吸水和失水过程中，其形态会发生明显变化在显微镜下可以观察得 到，C正确；人口腔上皮细胞含有细胞核且无色素，可用来观察DNA、RNA在细 胞中的分布，D正确。