初中生物竞赛辅导教程 第十二章 科学实验的一般原理和方法.doc

第十二章 初中生物竞赛教程 第十二章 科学实验的一般原理和方法第一节  实验课题的选择和实验设计【知识概要】一、实验的意义生命科学是一门以实验为基础的科学在探索生命的过程中，揭开生命奥秘的主要方法是通过观察和科学实验它不仅是探索和发现的源泉，也是学习生命科学的基本方法，对发展智力、培养获取知识的能力是十分重要的二、实验的种类生命科学的实验很多，从教学的角度来分有演示实验、验证实验、模拟实验、探究实验、定性和定量分析实验；从科学研究的角度来分有观察实验、析因实验、定性实验、定量实验、对照实验和探索性实验等三、实验课题的选择1．选题的范围（1）发展具有当地特色的课题；（2）抓住周围出现的奇异的生命现象建立课题；（3）选择与农业、水产、畜牧、环保有关的能产生经济效益的课题；（4）与课堂教学相结合确立课题；（5）选取高科技浅处理的课题2．选题的原则选择的课题应具有一定程度的新颖性、实用性、先进性、可行性和教育性确定课题是研究成功的关键，选题一定要注意深刻、创新、集中和可行四、实验设计实验设计就是在选定课题和实验材料的基础上，根据实验目的，确定实验原理，用文字的形式制订合理的实验方案（或叫实验计划）。

1．实验设计的要求（1）在实验设计之前，应掌握研究问题的性质，具备必要的理论知识和基本的实验技能和技术2）要有明确的实验目的，根据目的确定研究内容3）实验设计要科学合理，注意控制实验条件和实验因子，尽量减少实验误差，确保实验得出明确的结果4）设计实验要注意设置对照，适当增加重复，保证实验的准确（5）实验取样要注意典型性和代表性有些实验对研究对象需要进行系统观察，一般采用选点取样法如田间试验，选点的方法是根据田块大小，小面积试验田采取对角线取样，大面积试验田采取棋盘式或蛇形取样（见下图）             ①对角线取样        ②棋盘式取样           ③蛇形取样（6）实验设计要考虑运用统计学来分析问题的可能性分析的实验样本要有一定数量，使所得数据具有代表性的可靠性2．实验方案的内容（1）实验题目  即实验研究的课题名称2）实验目的  根据课题要求，明确实验要解决什么问题，探索方面的生物学规律，预期要取得何种成果3）实验原理  即实验的依据和思路4）实验内容  根据实验目的确定具体的研究内容研究内容确定是课题的关键一般方法是把研究问题分解为许多小课题，分进行研究，然后再将实验结果加以综合分析，探明课题要解决的问题（5）实验材料取材是实验成败的关键因素之一，一定要按科学的要求选好实验对象。

6）实验方法即实验采用哪些研究方法获得明确的实验结果采用的实验方法应尽量减少人为的或偶然的实验误差确定实验方法对，应注意：①根据研究内容确定实验类型和方法如野外生物种类考察，主要采用观察实验法；为探明某一生命现象的原因，可采用析因实验法：为鉴定某种生命物质的性质和含量，可进行定性、定量实验分析法②根据实验的类型明确具体的研究方法如观察实验是采用解剖观察法还是野外观察法，要明确观察的项目和标准③设置对照无论采用什么实验方法都要考虑设置对照设置对照的方法很多，有的以处理和不处理实验组进行比较，以不处理为对照；有的以常规品种或常规浓度为对照；有的实验是实验间相互比较，采用互比法，彼此互为对照此外，做任何实验都要考虑重复的问题，实验结果要经过反复实验加以验证④进行田间实验设计，应根据实验性质的不同，分为大区试验和小区试验田间试验要做合理的田间规划，根据土地条件、作物种类、试验要求和工作方便，规划小区面积、重复次数和田间排列方式；另外，还要注意设置对照小区和保护行⑤设计实验方法应尽量采用先进的实验技术和仪器设备，确保研究结果的准确性7）实验用具和药品  即实验要采用哪些设备和仪器，使用哪些药品，从而实现有计划和有效的观测与分析。

8）实验程序即实验流程，也就是如何运用仪器设备作用于实验对象的程序或步骤，对全部实验过程作出总体设计9）日程安排根据整个实验的要求，按日程分阶段实施实验方案第二节  实验实施的技能和技巧【知识概要】一、实验的要求（l）要有探索求知的科学精神；（2）要有事实求是、严肃认真的科学态度，应严格按操作规程进行实验；（3）要注意运用科学的研究方法，严格控制实验条件，尽力排除偶然因素的干扰，保证实验成功；（4）积极发挥科学的思维和创新能力，在实验过程中不断有所发现，有所创新，有所前进二、观察与描述1．观察的意义任何科学都是从有选择的观察自然界开始的，生命科学也不例外通过对生命现象和生命过程的观察，描述出观察到的各种不同生物的形态结构、生活习性等特点，逐渐积累起有关生物的知识大自然界的生物是神奇的，只有善于观察的人，才能发现它的神奇之处2．定性观察和定量观察观察可分为定性观察和定量观察定性观察主要考察研究对象的性质、特征及其基本属性，也叫质的观察这种观察在动植物分类，形态学中广泛应用定量观察主要考察研究对象的各种量及量的关系，也叫量的观察，如比较生物学常通过测量进行定量观察3．直接观察和间接观察常用的观察方法：（1）直接观察，即直接通过人的感觉器官进行观察。

这种观察方法简便，但有时不够准确2）间接观察，即间接通过仪器进行观察如借助显微镜、望远镜等进行观察3）分析性观察如通过生物外部形态特征的观察，逐步深入到内部结构和生理观察，逐渐认识生物的本质，这就是分析性观察4．观察和描述在实验过程中，观察的目的在于了解事物，因此，观察后要把观察到的现象通过描述记录下来描述时，首先必须知道它是什么；其次把它的特点描述出来，说清楚所观察的各种特点或过程的各个主要环节；三是重点明确，抓住实质内容或整个过程的主要生物学环节；四是描述时应使用精确的定义和名词述语，使大家容易理解5．观察应注意的事项（1）要有目的地进行，有选择地观察，注意典型性原则2）要避免先入之见的干扰，注意观察的客观性原则3）在观察中应坚持全面性、系统性原则，尽可能从多方面观察生物的现象4）对生物现象的观察，常常需要反复地进行对观察的结果，要反复核实，以便真实地记录所观察的现象5）观察记录时最好采用数字化，使描述趋向定量化，使观察更详细、具体三、测量与测定1．测量与测定的含义测量就是用仪器确定空间、时间、温度、速度、功能等有关数值在科学实验中，有时需要知道研究对象所含的化学成分及其具体含量，这就需要通过化学仪器进行分行，不仅进行定性分析，还要进行定量测定。

2．测量的方法测量物体液体和气体的方法很多，测量一些规则形状的物体，测量后要经过数学公式（如计算面积和体积的公式等）的运算，才能得出所需的数值测量的内容和方法简介于下表                   测量方法简表测量内容使用仪器、工具单位（国际制）应用实例长度刻度尺、卡尺、测微尺米（m）、千米（km）、分米（dm）、厘米（cm）、毫米（mm）、微米（μm）测量动植物体、器官和细胞的长度面积刻度尺、测绳、皮尺平方米（m2）、平方厘米（cm2）、公顷（km2）测量土地、种群分布和叶的面积体积、容积刻度尺、三角板、量简量杯、容量瓶升（L）、毫升（mL）、微升（μL）、立方米（m3）、立方厘米（cm3）测量溶液和生物体器官大小质量、重量天平、磅秤、托盘、天平、分析天平、电子秤千克（公斤kg）、克（g）、毫克（mg）、吨（t）、微克（μg）测量生物体的干重和湿重时间钟、表、秒表秒（s）、分（min）、时（h）、日（d）记录生命活动的过程和活动节律温度温度计、体温计、地温计摄氏度（℃）测量人和动物体温、大气、水体和土壤温度3．测定的方法在生物学实验中，常对生物材料进行化学分析，其中应用范围的是比色法和容量法。

1）比色分析法这是一种利用标准溶液或标准试纸和被测物质溶液进行测定比较，以确定被测物质含量的方法例如，测定土壤中的酸碱度（pH），可用精密pH试纸对土壤浸出液进行测定，其显色反应与标准比色卡对比，便可测得溶液的pH值，即土壤的酸碱度测定组织中的可溶性糖，可利用某些化学试剂（如斐林试剂）与生物组织中的可溶性糖中的还原糖（如葡萄糖和果糖）发生作用，根据是否生成砖红色沉淀，即可鉴别可溶性糖的存在在生物化学实验中常用比色计等仪器进行定量分析2）容量分析法容量分析法中常用的一种方法是容量沉淀法它是根据标准溶液在沉淀反应中所需的用量，计算被测物质含量的方法例如，测定水果中的维生素C含量、植物的呼吸强度（CO2释放量）等均可采用这种分析方法四、现象和数据的记录良好的记录是确保实验成功和提高工作效率的关键记录工作应注意：（1）要有牢固装订的记录本记录本上有固定的记录格式（包括记录内容、日期和记录人）2）每次观察到的现象和数据应及时记入笔记本上，以免记错或遗漏3）应用不退色的笔记录，以备长期保存4）记录必须完整，而且是原始记录，有的实验结果常需绘制草图或拍照等方式记录一些现象和问题第三节  实验结果的分析和总结【知识概要】一、分析实验结果的意义在实验过程中，会获得大量数据，观察到许多现象，必须科学地分析这些实验结果才能得出正确结论。

为此，应做好以下两项工作：1．正确处理实验数据实验数据处理包括技术处理和理论分析技术处理就是正确地掌握和实施处理技术，把各种数据转化为一目了然的实验资料；理论分析就是运用理论思维和数学工具，对实验中所得数据或误差逐个加以研究，作出科学判断2．深入分析实验结果分析实验结果就是以已知的假说和理论为依据，对实验结果进行解释和评价，作出正确的科学发现和实验结论二、实验结果的分析方法1．分析与综合分析就是把客观研究对象分解成较简单的组成部分，找出这些部分的本质属性和彼此之间关系的一种思维方式如细胞是复杂的结构体，可以把一个完整细胞区分为细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核等，并分别对各部分进行考察和研究，从而认识各部分的特点和功能分析方法在生物学研究中起着十分重要的作用综合就是把分析得到的各种事物的关系，按其固有的内在联系结合成为一个统一整体，从而认识事物的整体面貌及其发展如细胞虽然可分为许多部分，但作为生命活动的基本单位，它是整体发挥作用因此，只有分析与综合相结合才能正确地认识实验的结果2．比较与分类在研究生命现象时常用比较法，有比较才能鉴别比较就是把两种或两种以上的事物或现象加以对照，找出它们的异同点，如鲸和鲨鱼都生活在海洋里，形态相似，但通过仔细分析比较，两者有本质上的差别，鲸属哺乳纲动物，鲨鱼属鱼纲动物。

根据事物和现象之间异同的比较，就可以把它们归纳成类，这就是分类自然界的生物约200多万种，根据它们的形态结构特点，按一定的标准，把每种动植物都可以归到界、门、纲、目、科、属、种的类别下这种等级分类不仅说明不同生物之间的差别，同时也反映它们之间的亲缘关系，比较与分类是分析实验数据的重要方法之一三、实验数据的计算和整理在生物学实验中，仅靠定性的分析是不够的，往往要知道量的多少，因此需要将实验中测量所得数据，通过数学方法进行计算和处理，以便作出准确的判断和可靠的结论，使感性认识上升为理性认识目前常用的是生物统计学方法1．几种常用的统计术语（1）总体和样本  在实验研究中对某一类研究对象（动植物的个体或群体）进行观察记载，某些研究对象的全体称为总体对总体进行研究时，由于总体中个体数目很多，很难甚至不可能对总体进行研究，只能选择其中一部分个体为代表加以观察和研究，所选择的这些个体称为样本。